王 旭，陳東旭

（中國鐵塔股份有限公司，北京 100195）

0 引 言

近些年，全球移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展迅猛，第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）不斷成熟。隨著5G技術(shù)的演進(jìn)，5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)走向低、高頻混合組網(wǎng)，為滿足網(wǎng)絡(luò)容量增長的業(yè)務(wù)需求，需部署大量的末梢站點(diǎn)。與傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)相比，小微基站的密集覆蓋使得5G網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn)數(shù)量和整體功耗呈現(xiàn)大幅度增長，這對(duì)通信系統(tǒng)的供電技術(shù)提出了更高的要求[1]。

在早期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，直流-48 V、交流220 V的集中遠(yuǎn)供技術(shù)得到應(yīng)用，但存在效率低、系統(tǒng)運(yùn)行可靠性差以及安全性低等情況。在對(duì)通信設(shè)備供電保障中，傳統(tǒng)的后備電源配置模式需要有所突破，利用高壓直流遠(yuǎn)供取代交流遠(yuǎn)供成為一種趨勢(shì)[2]。與交流供電系統(tǒng)相比，高壓直流供電系統(tǒng)在停電情況下也可以直接從蓄電池后端進(jìn)行電力輸送，避免了諧波的干擾，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)供電。從結(jié)構(gòu)來說，高壓直流供電系統(tǒng)也是相對(duì)簡(jiǎn)易，可擴(kuò)容性相對(duì)較高，能源利用效率更高。目前，國內(nèi)的高壓直流供電系統(tǒng)主要有240 V和336 V兩種[3,4]。

為應(yīng)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)各類設(shè)備的高功率密度以及高能耗，在應(yīng)用直流供電系統(tǒng)的同時(shí)，大幅提升系統(tǒng)工作電壓至750 V，輸入輸出電流會(huì)減小，從而有效減少線路壓降，降低整個(gè)供電系統(tǒng)損耗，提升系統(tǒng)能效。此外，大部分大型電動(dòng)汽車退役大Pack電池組的電壓在750 V左右，可直接應(yīng)用在750 V高壓直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)，對(duì)退役動(dòng)力蓄電池進(jìn)行梯次利用，實(shí)現(xiàn)綠色循環(huán)發(fā)展，加速行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和。

1 750 V高壓直流供電系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)原理及組成

750 V高壓直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)是由局端、遠(yuǎn)端以及輸電線纜組成的獨(dú)立電源系統(tǒng)。系統(tǒng)局端設(shè)備將儲(chǔ)能站穩(wěn)定的-48 V直流電或者380/220 V交流電的電壓升壓至750 V的高壓直流，通過電力電纜、光電復(fù)合纜或者通信電纜等傳送至遠(yuǎn)端站點(diǎn)，再經(jīng)遠(yuǎn)端設(shè)備降至直流-48 V或者交流220 V，對(duì)通信設(shè)備進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端站址穩(wěn)定供電保障[5]。750 V高壓直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.1.1 局端設(shè)備

750 V直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)局端設(shè)備的作用是將-48 V直流隔離升壓到直流250～800 V，連續(xù)可調(diào)（DC/DC）。局端設(shè)備具備完整的保護(hù)、監(jiān)控、均流以及冗余備份功能，通過電源線纜送至遠(yuǎn)端，為遠(yuǎn)端通信設(shè)備提供電源保障。此外，局端設(shè)備一般放置在有后備電源的中心基站（局站）機(jī)房內(nèi)。

1.1.2 遠(yuǎn)端設(shè)備

遠(yuǎn)端設(shè)備可以將輸入的750 V高壓直流電變換成穩(wěn)定的直流-48 V，且具有防水功能，能夠在室外使用。

1.1.3 遠(yuǎn)供輸電線路

遠(yuǎn)端供電通過專用的供電線路進(jìn)行供電，也可通過復(fù)合光纜進(jìn)行供電。線纜材質(zhì)一定程度會(huì)影響到供電傳輸距離。電纜材質(zhì)可選用銅芯或者鋁芯，由于鋁芯相比銅芯電纜不易被盜，因此在戶外時(shí)可考慮選用鋁芯電纜代替銅芯電纜。

1.2 典型應(yīng)用場(chǎng)景

在傳統(tǒng)的基站建設(shè)中，外市電引入多采用“一站一引”的方式，這種方式引入成本較高，后期不易維護(hù)。與傳統(tǒng)基站供電方式不同，750 V高壓直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)供電成本相對(duì)較低，引入方式靈活，其典型應(yīng)用場(chǎng)景主要有拉遠(yuǎn)微站和高鐵隧道兩類。

1.2.1 拉遠(yuǎn)微站

拉遠(yuǎn)微站普遍不具備外市電引入條件或者引入成本較高、市電穩(wěn)定性較差。末端負(fù)荷小、位置分散的站點(diǎn)（燈桿、掛墻、樓頂抱桿的小微站）和用于市區(qū)內(nèi)不容易取電、取電費(fèi)用較高或交流電供電不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)備站點(diǎn)均屬于拉遠(yuǎn)微站典型應(yīng)用場(chǎng)景。

針對(duì)此類型場(chǎng)景，應(yīng)用750 V高壓直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)，宜采用星形供電方式，由中心局端站向周圍微站、RRU以及AAU等通信設(shè)備供電，具體布局示意如圖2所示。在星型供電方式的系統(tǒng)中，局端設(shè)備輸入-48 V直流電壓，輸出 250～800 V的直流電，一般建議采用N+1冗余方式備份。遠(yuǎn)端設(shè)備輸入380 V直流電壓，輸出-48 V的直流電或 220 V的交流電，外掛于AAU/RRU設(shè)備下部的遠(yuǎn)端設(shè)備還需具備防水外殼。分配單元主要負(fù)責(zé)完成DC/DC（400～380 V/750～380 V）降壓變換。局端與分配單元之間距離不宜太遠(yuǎn)，一般在0.5 km左右。

1.2.2 高鐵隧道

第二類典型應(yīng)用場(chǎng)景為新建站串行分布的高鐵隧道覆蓋場(chǎng)景。此類場(chǎng)景普遍發(fā)電難度大、維護(hù)成本高。

針對(duì)該類型場(chǎng)景，宜采用線性級(jí)聯(lián)供電方式，由中心局端站向兩側(cè)RRU等通信設(shè)備供電，具體布局示意如圖3所示。局端設(shè)備和遠(yuǎn)端設(shè)備的特性同第一類場(chǎng)景相似，分配單元負(fù)責(zé)完成DC/DC（400～380 V/750～380 V）降壓變換。傳輸光纜宜選用復(fù)合光纜或電力線，站間距一般為700～800 m。

圖3 750 V高壓直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)原理圖

2 750 V高壓直流供電技術(shù)分析

2.1 供電線路基本模型

在直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)中，從局端到遠(yuǎn)端的供電過程可抽象為最基本的輸電線路模型，原理如圖4所示。

圖4 750 V高壓直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)原理圖

750 V直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)供電線路的電阻RL為：

式中：ρ為電阻率，單位為Ω·mm2/m；S為線路的橫截面積，單位為mm2；L為線路長度，單位為m。

供電線路的線路壓降ΔU和功率損耗ΔP為：

式中，I為線路上流過的電流，單位為A。

局端和遠(yuǎn)端處的電壓和功率分別滿足：

式中：U1和U2分別為局端處和遠(yuǎn)端處的電壓，單位為V；P1和P2分別為遠(yuǎn)端處和遠(yuǎn)端處的功率，單位為kW。

2.2 供電能力對(duì)比計(jì)算分析

供電能力指在滿足安全用電和用戶需求的前提下，供電線路所能提供的最大供電能力。供電能力的大小取決于負(fù)荷大小和輸電距離。在高壓直流供電系統(tǒng)的計(jì)算分析中，電纜的型號(hào)、供電距離及供電功率均是變量因素，為了便于分析不同電壓等級(jí)直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)的供電能力，本文將設(shè)立兩種場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析[6]。場(chǎng)景一是相同電纜和相同供電距離下，比較不同電壓等級(jí)系統(tǒng)的供電功率；場(chǎng)景二是相同電纜和相同功率（5G單系統(tǒng)）下，比較不同電壓等級(jí)的供電距離。

2.2.1 場(chǎng)景一

假定采用星型供電方式，宏站到微站的距離按500 m測(cè)算，電力電纜選取銅芯兩芯電纜，銅線的電阻率為 0.018 4 Ω·mm2/m。4 mm2、6 mm2、10 mm2的銅纜允許的最大載流量分別為36 A、45 A以及60 A。

根據(jù)已建立的電路線路基本模型，在局端電壓等級(jí)U1、電纜型號(hào)（橫截面積S、載流量I）以及供電距離L確定的前提下，可依據(jù)式（1）～式（5）計(jì)算得到供電線路的線路壓降和線路損耗等關(guān)鍵指標(biāo)，6 mm2銅纜的計(jì)算結(jié)果如表1所示（未核驗(yàn)）。

表1 場(chǎng)景一計(jì)算結(jié)果（未核驗(yàn)）

由表1計(jì)算結(jié)果可以得到，電纜載流量按最大載流量計(jì)算，線路壓降比較大，對(duì)應(yīng)的線路損耗為最大。然而在實(shí)際工程實(shí)踐中，供電線路壓降不能高于10%，故需要對(duì)上述計(jì)算結(jié)果核驗(yàn)校準(zhǔn)。核驗(yàn)后的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 場(chǎng)景一計(jì)算結(jié)果（已核驗(yàn)）

參照上述6 mm2銅纜的計(jì)算過程，分別對(duì)4 mm2和10 mm2銅纜進(jìn)行計(jì)算，綜合6 mm2的計(jì)算結(jié)果，得到直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)相同供電距離下的供電功率，具體如表3所示。

表3 相同供電距離下系統(tǒng)的供電功率

由表3的數(shù)據(jù)可知，不同的電纜對(duì)高壓直流供電系統(tǒng)的供電能力存在影響，選擇更粗即橫截面積越大的電纜，載流量會(huì)增加，線路環(huán)阻會(huì)減小，從而可以減小壓降，提高供電功率。在選擇合適的電纜的情況下，相同的供電距離，高壓直流供電系統(tǒng)的電壓等級(jí)決定著系統(tǒng)供電功率的上限，電壓等級(jí)越高，遠(yuǎn)端的負(fù)荷功率越大，供電能力越強(qiáng)。

2.2.2 場(chǎng)景二

5G單系統(tǒng)遠(yuǎn)端設(shè)備功耗按3.5 kW測(cè)算，電力電纜選取銅芯兩芯電纜。銅線的電阻率為0.018 4 Ω·mm2/m。4 mm2、6 mm2、10 mm2的銅纜允許的最大載流量分別為36 A、45 A以及60 A。

根據(jù)已建立的電路線路基本模型，在局端電壓等級(jí)U1、電纜（橫截面積S、載流量I）以及遠(yuǎn)端總功率P2確定的前提下，可依據(jù)式（1）～式（5）計(jì)算得到供電線路的線路壓降、線路損耗等關(guān)鍵指標(biāo)，6 mm2銅纜的計(jì)算結(jié)果及核驗(yàn)結(jié)果如表4和表5所示。

表4 場(chǎng)景二計(jì)算結(jié)果（未核驗(yàn)）

表5 場(chǎng)景二計(jì)算結(jié)果（已核驗(yàn)）

參照上述6 mm2銅纜的計(jì)算過程，分別對(duì)4 mm2和10 mm2銅纜進(jìn)行計(jì)算，綜合6 mm2的計(jì)算結(jié)果，得到直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)針對(duì)5G單系統(tǒng)的供電距離，如表6所示。

表6 5G單系統(tǒng)下系統(tǒng)的供電距離

由表6的數(shù)據(jù)可知，不同橫截面積的電纜對(duì)高壓直流供電系統(tǒng)的供電距離存在影響，選擇更粗的電纜，載流量會(huì)增加，線路環(huán)阻會(huì)減小，從而提供更長的供電距離。在選擇合適的電纜的情況下，對(duì)于一套5G單系統(tǒng)，高壓直流供電系統(tǒng)的電壓等級(jí)決定著系統(tǒng)供電距離的上限，電壓等級(jí)越高，供電距離越長，供電能力越強(qiáng)。

3 結(jié) 論

750 V高壓直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)在傳統(tǒng)直流供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，大幅提升系統(tǒng)工作電壓至750 V，通過供電能力計(jì)算分析，可以得到以下結(jié)論。

一是將直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)工作電壓提升至750 V，可配置退役大Pack電池，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池的梯次利用，加速行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和。二是高電壓等級(jí)系統(tǒng)可有效減低線路壓降，減小線路損耗。三是在選取合適電纜的情況下，高電壓等級(jí)會(huì)提供更大的供電功率，允許更遠(yuǎn)的供電距離，系統(tǒng)的供電能力更強(qiáng)。