徐 華，田哲源，趙志紅

（河南省信息咨詢設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450008）

0 引 言

“4G改變生活，5G改變社會(huì)”。5G應(yīng)用的三大場景，即eMBB、URLLC、mMTC，將提供給用戶更快的速率、更低的延遲、更大的容量以及更多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。由于5G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)的升級(jí)以及設(shè)備形態(tài)的變化，5G基站數(shù)量及5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗將大幅增加，這對(duì)基站電源配套提出了新的挑戰(zhàn)。2020年，5G將實(shí)現(xiàn)全面商用。提前對(duì)基站電源系統(tǒng)進(jìn)行全面梳理和改造，將有利于5G網(wǎng)絡(luò)的快速建設(shè)和發(fā)展。

1 基于現(xiàn)狀的基站電源系統(tǒng)創(chuàng)新改造方案

1.1 典型基站電源系統(tǒng)配置

基站電源系統(tǒng)配置如表1、表2所示。

表1 典型基站電源設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)配置表

1.2 基于基站電源系統(tǒng)現(xiàn)狀的改造方案

面對(duì)大容量、高功率密度的5G設(shè)備，如果利用原有基站電源系統(tǒng)建設(shè)5G，則基站的外市電容量、開關(guān)電源的容量及配置、蓄電池組的容量及配置都需要按照實(shí)際情況作全面擴(kuò)容改造。根據(jù)CU、DU以及AAU的部署方式、架構(gòu)特點(diǎn)，在綜合考慮3G、4G設(shè)備功耗的基礎(chǔ)上，對(duì)原電源設(shè)備進(jìn)行合理的擴(kuò)容和改造，以保證通信設(shè)備的正常運(yùn)行。

1.2.1 外市電容量

外市電容量的設(shè)計(jì)為基站交流和直流設(shè)備總功耗之和，同時(shí)考慮遠(yuǎn)期發(fā)展功耗，如表3、表4所示。

1.2.2 交流配電箱

按30 kW負(fù)荷計(jì)算交流配電箱容量：

基站交流配電箱引入一般為380 V/100 A（63 A），現(xiàn)有交流配電箱容量滿足要求，可利舊使用。

1.2.3 開關(guān)電源

現(xiàn)有典型基站組合開關(guān)電源容量一般為-48 V/600 A，整流模塊配置數(shù)量滿配為12個(gè)，每個(gè)整流模塊50 A。

綜合考慮3G、4G、5G以及傳輸?shù)仍O(shè)備負(fù)荷設(shè)計(jì)開關(guān)電源容量，如表5所示。

存在問題及解決方案，具體如下。

第一，開關(guān)電源原機(jī)架容量為600 A，前期均無滿載配置，整流模塊數(shù)量少，需擴(kuò)容整流模塊。建議選擇集采范圍以內(nèi)的整流模塊，如果在集采范圍以外、且整流模塊價(jià)格高的開關(guān)電源，建議整機(jī)更換開關(guān)電源。

第二，開關(guān)電源直流輸出配電端子數(shù)量、容量不足，可配置直流配電箱。

第三，開關(guān)電源設(shè)計(jì)使用年限為8年，超期服役應(yīng)更換。

第四，需整機(jī)更換開關(guān)電源有困難，可采用相關(guān)新創(chuàng)方案。

表3 5G典型基站外市電配置表

表5 5G典型基站開關(guān)電源配置表

1.2.4 蓄電池組

考慮到市電每年、每月、每次的停電次數(shù)、停電時(shí)長以及基站所處的地理位置，一般基站市電類別按3類考慮，且需要有移動(dòng)發(fā)電機(jī)作為供電保證。因此，作為備電設(shè)備，基站蓄電池容量的選擇需按照如下設(shè)計(jì)原則。

關(guān)于蓄電池配置原則，蓄電池的容量應(yīng)按近期負(fù)荷配置，依據(jù)蓄電池壽命，適當(dāng)考慮遠(yuǎn)期發(fā)展。

蓄電池組容量計(jì)算公式為：

目前，典型基站一般配置2組500 Ah密封閥控鉛酸蓄電池組，以在典型基站原有一套（3G、4G）設(shè)備的基礎(chǔ)上新增一套5G設(shè)備為例，考慮蓄電池放電時(shí)間為3 h，蓄電池組容量計(jì)算如下：

基站現(xiàn)有2組500 Ah蓄電池組滿足3 h放電時(shí)間需求。

存在的問題，具體如下。

第一，由于部分蓄電池組超期運(yùn)行，每組中單只蓄電池質(zhì)量參差不齊，導(dǎo)致個(gè)別落后蓄電池降低整組蓄電池效率。如果整組更換，成本高，施工難度大，對(duì)機(jī)房結(jié)構(gòu)和面積有要求。

第二，對(duì)于現(xiàn)存容量不滿足設(shè)計(jì)或備電要求的蓄電池，如果考慮蓄電池?cái)U(kuò)容，將受到基站機(jī)房面積、承重等限制。

1.3 創(chuàng)新改造研究

1.3.1 開關(guān)電源創(chuàng)新改造方案

（1）插框電源

目前，各通信運(yùn)營商現(xiàn)有基站、鄉(xiāng)鎮(zhèn)支局、接入網(wǎng)點(diǎn)、模塊局的直流供電系統(tǒng)采用組合式開關(guān)電源供電，涉及型號(hào)及廠家眾多。由于部分設(shè)備在網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間較長，處于逾齡超期服務(wù)邊緣，設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，無配品配件，多次修理無法恢復(fù)原有性能，面臨原設(shè)計(jì)容量低、無擴(kuò)容空間、設(shè)備性能下降、故障率升高、設(shè)備能耗增加等問題。

在利用原開關(guān)電源機(jī)架的基礎(chǔ)上，保留原系統(tǒng)的交流主輸入空開、電池熔絲、分流器、接觸器以及直流輸出電纜，設(shè)計(jì)具有普遍性和兼容性的整流單元（即插框電源），替換原整流單元；滿足原系統(tǒng)的各種要求，包括動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)管、蓄電池組的管理等功能。

插框電源的應(yīng)用能減少施工難度和改造工程量，減少因整體割接開關(guān)電源對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶來的安全隱患，提高投資收益比。

（2）微站電源

針對(duì)大功率的5G AAU用電，當(dāng)AAU拉遠(yuǎn)設(shè)計(jì)，其用電無法從集中機(jī)房引入時(shí)，為滿足其直流用電需要，可采用市電直供+室外直流電源的方式，即微站電源，將220 V交流電轉(zhuǎn)換為48 V直流電，微站電源的容量和數(shù)量可根據(jù)5G設(shè)備的功耗設(shè)計(jì)。微站電源設(shè)備還可根據(jù)站址的重要性，對(duì)有供電保證的基站，配置具有不同備電時(shí)長的鋰電池組，如圖1所示。

圖1 微站電源設(shè)備

整個(gè)微站電源采用一體化機(jī)柜設(shè)計(jì)；支持抱桿、壁掛、落地及環(huán)抱等多種安裝方式，可滿足各種路燈桿、監(jiān)控桿、水泥桿及信號(hào)桿等小微站的建設(shè)場景。

（3）直流遠(yuǎn)供

直流遠(yuǎn)供設(shè)備是將基站內(nèi)開關(guān)電源的-48 V直流電通過遠(yuǎn)供設(shè)備升壓到240～400 V，并再通過電纜送至遠(yuǎn)端基站的降壓設(shè)備端。

直流遠(yuǎn)供設(shè)備由局端設(shè)備、傳輸線路及遠(yuǎn)端設(shè)備組成。其中局端設(shè)備是遠(yuǎn)供系統(tǒng)的核心，是將-48 V直流隔離升壓到240～400 V（DC/DC升壓）的主要設(shè)備，布放在直供電、市電條件好、蓄電池備電時(shí)間充足且具備發(fā)電條件的基站機(jī)房；而遠(yuǎn)端設(shè)備是將局端傳輸至遠(yuǎn)端的直流高壓變換成DC48 V/AC220 V的設(shè)備。傳輸線路是實(shí)現(xiàn)直流遠(yuǎn)供電源局端與遠(yuǎn)端之間連接的“鎧裝鋁芯電纜”或“鎧裝銅芯電纜”“復(fù)合光纜”，其完成直流高壓、小電流電源的遠(yuǎn)程傳輸，為通信設(shè)備輸電，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)3 000 m。

對(duì)于不具備市電引入條件、市電不穩(wěn)定或采用轉(zhuǎn)供電方式的拉遠(yuǎn)基站、高鐵基站、樓面基站以及小區(qū)微站，可采用直流遠(yuǎn)供技術(shù)，將供電有保證的基站的直流電源通過電力電纜送至遠(yuǎn)端基站。

（4）升壓設(shè)備（模塊）

由于5G設(shè)備功耗增加，受設(shè)備供電電壓的限制，傳統(tǒng)供電方案供電距離受限嚴(yán)重。因此，采用供電高壓化，即“升壓供電”是滿足5G高功耗的必然選擇。

采用升壓模塊，即在開關(guān)電源直流輸出端設(shè)計(jì)一個(gè)升壓模塊，將電壓升至57～63 V，通過電纜傳輸至遠(yuǎn)端AAU設(shè)備。

如果采用銅芯電纜傳輸，考慮全程壓降、線路損耗、電纜型號(hào)及設(shè)備效率等，以新增一個(gè)AAU，設(shè)備功耗為1 500 W為例，則直流電纜截面積S=IL/(γΔU)。其中，I為供電回路電流；L為供電回路長度；γ為電纜材料導(dǎo)電率，銅取57，鋁取37。經(jīng)計(jì)算，如果采用2×10 mm2銅芯電纜，傳輸距離可達(dá)70 m。因此，采用升壓模塊，可增加供電距離，減少電纜的線徑，從而降低成本，提高建站效率。

方案特點(diǎn)和意義有3個(gè)方面，具體如下。

第一，升壓設(shè)備可進(jìn)一步穩(wěn)定AAU的供電電壓，有效提升AAU供電質(zhì)量。同時(shí)，由于每個(gè)AAU輸電線路較長，若采用升壓設(shè)備可降低設(shè)備間的相互影響，特別在一路AAU短路情況下，其他AAU受到其短路的影響小，甚至不必專門再為AAU設(shè)置斷路器或者熔斷器等保護(hù)器件。

第二，降低線路損耗，提高線路的傳輸效率[2]。

第三，升壓模塊是在電源和負(fù)載之間增加了一個(gè)電源變換節(jié)點(diǎn)，即增加一道故障點(diǎn)，此故障點(diǎn)通過多模塊冗余備份解決。同時(shí)，升壓變換器也存在轉(zhuǎn)換效率的問題，可采用高效變換器解決轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)抵消線損。

1.3.2 蓄電池創(chuàng)新改造方案

通信局站一般將市電作為主用電源，當(dāng)市電停電，柴、汽油發(fā)電機(jī)未啟動(dòng)時(shí)，由閥控式鉛酸蓄電池作為備用電源供電。目前，各通信運(yùn)營商及鐵塔公司單站一般采用容量為300 Ah、500 Ah、800 Ah的閥控式鉛酸蓄電池兩組。由于各站市電供電情況不同，每站機(jī)房環(huán)境、負(fù)載容量等的不同，而這些因素都能影響蓄電放電時(shí)間和運(yùn)行壽命，所以在不同機(jī)房，相同容量蓄電池的放電時(shí)間、放電電壓等參數(shù)也有所不同。在實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常出現(xiàn)單組、單體蓄電池“落后”或“降容”等問題，從而導(dǎo)致整組蓄電池?zé)o法正常使用。此外，蓄電池由于自身缺陷（內(nèi)在品質(zhì)、個(gè)體差異）和運(yùn)行環(huán)境影響（基站溫度、開關(guān)電源參數(shù)設(shè)定、市電情況及日常維護(hù)）等，導(dǎo)致健康程度逐年下降、續(xù)航時(shí)長降低。同時(shí)，隨著多年在網(wǎng)運(yùn)行，鉛酸蓄電池的相對(duì)體積大、能量密度低、功率密度低、循環(huán)保用壽命短等缺點(diǎn)暴露出來，其帶載運(yùn)行壽命一般不超過6-8年。

（1）磷酸鐵鋰電池及梯次電池

磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池，由電極、電解液、外殼、極柱及隔膜組成的基本功能單元[3]。

將從電動(dòng)汽車上退役的動(dòng)力蓄電池（或其中的蓄電池包/蓄電池模塊/單體蓄電池）進(jìn)行二次使用的動(dòng)力鋰電池為梯次電池。

對(duì)退役單體電池進(jìn)行循環(huán)壽命測試。在25 ℃、100%DOD、1C3充放電條件下，梯次利用單體電池容量由全新單體電池狀態(tài)下容量的80%下降至60%，單體可循環(huán)1 000～2 500次。按照單體電池循環(huán)壽命的85%估算成組后電池循環(huán)壽命，預(yù)計(jì)電池模組循環(huán)壽命約為800～2 000次。

鋰電池循環(huán)壽命、耐高溫、高倍率放電等性能優(yōu)于目前應(yīng)用在通信基站的鉛酸電池，尤其是在市電環(huán)境不好的高溫場景等。一些小型基站、分散基站、末端供電、小容量站點(diǎn)、新能源基站、普通宏基站、利用太陽能、風(fēng)能等新能源基站，通過梯次利用動(dòng)力鋰電池，以期達(dá)到降低通信基站配套設(shè)備成本的目的，同時(shí)也充分體現(xiàn)了生態(tài)設(shè)計(jì)、綠色經(jīng)濟(jì)、低碳經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)等理念。表6為鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池和梯次電池性能對(duì)比表。

梯次電池配置方法為：

其中，Q為電池容量；K為安全系數(shù)，取1.25；P1為一次下電設(shè)備功率；P2為二次下電設(shè)備功率；T1為一次下電側(cè)設(shè)備備電總時(shí)長，T1＞1 h；T2為二次下電側(cè)設(shè)備備電總時(shí)長；a為溫度調(diào)整系數(shù)，河南為暖溫地區(qū)，系數(shù)取1。

無線設(shè)備電池后備時(shí)間按3 h配置，傳輸設(shè)備電池后備時(shí)間按相應(yīng)延長2 h配置，如表7所示。

當(dāng)然，為確保利用梯次鋰電池的安全性，防止使用過程中出現(xiàn)過度充電和過度放電，延長電池的使用壽命，應(yīng)為梯次電池組配置、加裝具備過充、過放、過流、高低溫、短路保護(hù)等保護(hù)功能，具備電壓均衡、充電限流、熱管理功能的電池管理系統(tǒng)（BMS）。

（2）蓄電池合路器

在開關(guān)電源和電池之間串聯(lián)蓄電池合路器。蓄電池合路器的每個(gè)模塊單獨(dú)管理一組電池，通過智能雙向DC/DC升降壓主動(dòng)控制電池充放電。蓄電池合路器可以對(duì)整組及單體電池健康度檢測和實(shí)時(shí)監(jiān)測，并可通過內(nèi)置4G無線模塊通信，將測試和監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)中心平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，如圖2所示。

表6 鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池和梯次電池性能對(duì)比表

表7 5G典型基站梯次電池配置表

隨著5G設(shè)備功耗的增加，原配備的蓄電池組不能滿足目前的續(xù)航要求。如果更換新的蓄電池組，不僅投資巨大，且舊電池組的不當(dāng)處理易造成極大浪費(fèi)。因此，采用電池合路器，使不同容量、不同時(shí)期、不同品牌、不同電壓的蓄電池可再利用。

電池合路器的應(yīng)用，能提升蓄電池容量，提高蓄電池續(xù)航時(shí)間，從而降低施工難度和減少投資。

1.3.3 削峰填谷

（1）智能管理，市電削峰填谷

電力公司為了均衡用電負(fù)荷出臺(tái)分時(shí)電價(jià)政策，鼓勵(lì)用電企業(yè)在電價(jià)格較低時(shí)段用電。即把用電“負(fù)荷”從用電高峰“卸載”到用電低谷，在谷電時(shí)段將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲(chǔ)存，用電高峰時(shí)段將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能對(duì)通信設(shè)備供電，以達(dá)到降低電價(jià)和電費(fèi)的目的，如表8所示。

目前，鋰電池在通信供電系統(tǒng)的應(yīng)用主要以“備電為主”，但由于其具有多次充放電的特點(diǎn)，因此，隨著鋰電池的廣泛推廣和應(yīng)用，采用“儲(chǔ)能為主、備電為輔”的方式并配合蓄電池雙向主動(dòng)式管理系統(tǒng)，將鋰電池的利用價(jià)值發(fā)揮到最大。即利用基站儲(chǔ)能和峰谷時(shí)段電價(jià)差，進(jìn)行分時(shí)充放電節(jié)能化管理，在電價(jià)便宜時(shí)自動(dòng)為蓄電池充電，并在電價(jià)高的時(shí)段切換為放電模式，有效地盤活了過去僅用于應(yīng)急備電的電池，讓它們在基站中發(fā)揮更大的功效，并有效地減少基站運(yùn)行中的電費(fèi)支出。

削峰填谷的應(yīng)用，應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)胤?、谷電價(jià)差以及梯次電池的單價(jià)，落實(shí)相關(guān)峰谷電價(jià)的政策，確定儲(chǔ)能的效益臨界點(diǎn)即峰谷電價(jià)差。同時(shí)，基站用電均應(yīng)采用直供電。

現(xiàn)有日均持續(xù)用電負(fù)荷為-48 V/60 A的基站，目前配置鉛酸蓄電池2組300 Ah。通過安裝蓄電池雙向智能管理系統(tǒng)，市電正常時(shí)，采用削峰填谷方案，由鋰電池工作，當(dāng)市電停電，油機(jī)未到時(shí)，由鉛酸蓄電池作為備用電源給通信設(shè)備供電。

首先對(duì)現(xiàn)有鉛酸電池進(jìn)行檢測，其測試容量超過備電時(shí)長4 h，滿足3 h備電需求。

按8 h峰電放電需求，增配梯次電池容量：

其中，Q為電池容量；K為安全系數(shù)，取1.25；P1為一次下電側(cè)通信設(shè)備工作實(shí)際功率；P2為二次下電側(cè)通信設(shè)備工作實(shí)際功率；T1為一次下電側(cè)設(shè)備備電總時(shí)長；T2為二次下電側(cè)設(shè)備備電總時(shí)長；T3為削峰填谷時(shí)長；a為溫度調(diào)整系數(shù)，寒冷、寒溫Ⅰ及寒溫Ⅱ地區(qū)取1.25，其余地區(qū)取1.0。

將鉛酸電池作為備電需要，僅計(jì)算削峰填谷需求梯次電池容量。經(jīng)計(jì)算，Q=1.25×1.25×60 A×53.5 V×8≈40 kW·h。

梯次電池投資為40 kW·h×0.68元/kW=2.72萬元；4路/200 A蓄電池雙向智能管理系統(tǒng)為0.6萬元；其他費(fèi)（施工和輔料）為0.3萬元；則總計(jì)為2.72+0.6+0.3=3.62萬元。

關(guān)于效益分析，具體如下。

日均峰時(shí)耗電量為60 A×53.5 V×8 h=25.68 kW·h；日均收益=日均峰時(shí)耗電量×（峰時(shí)電價(jià)-谷時(shí)電價(jià)），即25.68 kW·h×（1.05元/kW·h-0.35元/kW·h）=17.976 8元。

投資收益年限為3.62×10 000÷17.976 8÷365≈5.5年，即5年6個(gè)月；要求梯次電池循環(huán)壽命≥2 000次。

由分析可知，削峰填谷能源收益要求峰谷電價(jià)差達(dá)到一定水平方可實(shí)現(xiàn)；隨著梯次電池價(jià)格逐年下降，投資成本會(huì)進(jìn)一步縮減；需求大容量備電基站，在市電正常時(shí)可以實(shí)施階段性削峰填谷，在電池和設(shè)備折舊期內(nèi)創(chuàng)造額外能源收益。

（2）峰值限流

利用運(yùn)維管理平臺(tái)FSU對(duì)基站開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)遙調(diào)功能，根據(jù)峰谷電價(jià)時(shí)間段遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)整開關(guān)電源的浮充電壓或控制電源模塊開關(guān)機(jī)，實(shí)現(xiàn)削峰填谷功能。

選擇具備開關(guān)電源支持遠(yuǎn)程控制，或可通過升級(jí)/替換監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，且FSU遠(yuǎn)程通信正常的基站。

當(dāng)電價(jià)在峰值時(shí)，可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷，遠(yuǎn)端降低開關(guān)電源的浮充電壓或減少電源模塊的運(yùn)行數(shù)量。當(dāng)電價(jià)在谷值時(shí)，可恢復(fù)原設(shè)計(jì)值。

此類基站的選擇對(duì)FSU遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)要求高，由于動(dòng)遠(yuǎn)程控制邏輯功能復(fù)雜，存在FSU離線失控的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)需對(duì)原有鉛酸電池進(jìn)行撤除，全部替換為磷酸鐵鋰電池，將鐵鋰電池作為備電+儲(chǔ)能適用。

2 結(jié) 論

本文對(duì)基于5G網(wǎng)絡(luò)的基站電源系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新研究，以供參考。