[黃強(qiáng)]

雖然5G相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還在進(jìn)一步完善中，但全球?qū)?G的發(fā)展充滿信心。3G提供了語(yǔ)音和數(shù)據(jù)服務(wù)，4G則是支持語(yǔ)音、數(shù)據(jù)以及各種應(yīng)用。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)逐漸成為不可或缺的社交基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，深刻影響著人們的日常生活并促進(jìn)數(shù)字化經(jīng)濟(jì)發(fā)展，這一趨勢(shì)在5G時(shí)代將更加明顯。本文從5G電源配套建設(shè)的角度，探討創(chuàng)新電源技術(shù)在5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的建設(shè)，主要內(nèi)容包括5G關(guān)鍵技術(shù)、5G建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)、電源系統(tǒng)的應(yīng)對(duì)策略、5G創(chuàng)新電源技術(shù)應(yīng)用案例。

1 5G對(duì)電源系統(tǒng)的需求

目前5G宏站單系統(tǒng)典型功耗約為3～5 kW，預(yù)計(jì)遠(yuǎn)期5G設(shè)備功耗可降至2.5 kW左右，是4G的2倍左右。新增1套5G系統(tǒng)約需增加7～10 kVA外市電，需對(duì)市電、蓄電池等要進(jìn)行增容改造。5G基站基礎(chǔ)設(shè)施布局如圖1所示。

圖1 5G基站安裝示意圖

外市電：現(xiàn)有基站的外市電10 kVA以下占6%，10-20 kVA，占比約87%，20 kVA以上7%。目前4G基站約6～8 kVA,因此絕大多數(shù)基站無(wú)法支持2家及以上5G共享。

蓄電池：現(xiàn)有基站的蓄電池容量不一，500～1 000 Ah為主，占比67%。每套5G系統(tǒng)約需擴(kuò)容約需1～1.5個(gè)機(jī)架位置，單機(jī)架重約200 kg。

2 5G基站對(duì)電源系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

2.1 5G功耗的增加，對(duì)配電容量的挑戰(zhàn)。

由于5G采用3DMIMO技術(shù)，相比4G設(shè)備功耗增加了3～4倍，三家同時(shí)建設(shè)對(duì)市電容量需求達(dá)30 kW以上和大功率電源系統(tǒng)[2]。

2.2 5G可靠性要求高，對(duì)基站后備電的挑戰(zhàn)。

5G網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于VR/AR、人工智能、無(wú)人駕駛、虛擬社會(huì)以及4K等“萬(wàn)物互聯(lián)”業(yè)務(wù)，基站的正常運(yùn)行是所有業(yè)務(wù)的保障，因此對(duì)后備電源提出了新的挑戰(zhàn)。

3 5G基站電源系統(tǒng)的解決方案

3.1 市電削峰技術(shù)

市電削峰是根據(jù)通信設(shè)備功耗隨話務(wù)量波動(dòng)的特性，通過(guò)用電高峰期蓄電池對(duì)市電進(jìn)行補(bǔ)償供電，用電低谷期對(duì)蓄電池充電的方式以保障供電，通過(guò)錯(cuò)峰、限流、儲(chǔ)能電池等技術(shù)手段有效控制通信設(shè)備和電池充電對(duì)市電容量的需求，實(shí)現(xiàn)基站的少改造、免改造和快速改造，降低存量站市電改造投資，快速滿足建設(shè)需求。

方案A：備電電池錯(cuò)峰充電。在負(fù)荷高峰時(shí)主動(dòng)降低對(duì)電池充電電流，優(yōu)先為通信設(shè)備供電，實(shí)現(xiàn)電池錯(cuò)峰充電。最大削峰能力16%（通信設(shè)備峰均差值，1.1 kW/5G系統(tǒng)）。需要對(duì)現(xiàn)有開關(guān)電源系統(tǒng)進(jìn)行限流/限功率功能改造升級(jí)。適用于市電容量缺口小，累計(jì)12 h歷史停電時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)3 h的基站。

方案B：備用電池錯(cuò)峰+限流充電。在方案A的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步壓縮電池充電電流。最大削峰能力29%（通信設(shè)備峰均差值+50%備電電池充電功率=1.9 kW/5G系統(tǒng)），需要對(duì)現(xiàn)有開關(guān)電源系統(tǒng)升級(jí)改造限流功能。適用于市電容量缺口較小，累計(jì)24 h歷史停電時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)3 h，保障要求低的基站。

方案C：備電電池錯(cuò)峰充電+儲(chǔ)能電池削峰。在通信設(shè)備或空調(diào)工作負(fù)荷較小時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電。利用儲(chǔ)能電池在負(fù)載高峰時(shí)放電，負(fù)載低谷時(shí)充電，平抑通信負(fù)載波動(dòng)，最大削峰能力42%（通信設(shè)備峰均差值+100%電池充電功率，2.7 kW/5G系統(tǒng)），新增削峰控制單元和儲(chǔ)能電池功能模塊。適用于市電容量缺口較大，無(wú)連續(xù)停電記錄，保障要求低的基站。

方案D：儲(chǔ)能電池削峰。在負(fù)荷高峰時(shí)，儲(chǔ)能電池放電滿足通信設(shè)備供電；在負(fù)荷低谷，對(duì)儲(chǔ)能電池充電。最大削峰能力16%（通信設(shè)備峰均差值，1.1 kW/5G系統(tǒng)）。新增削峰控制單元+儲(chǔ)能電池功能模塊。適用于市電容量缺口小、停電頻繁的基站。

根據(jù)基站市電容量缺口大小、歷史停電頻次、基站保障登記等要素，選擇合理的市電削峰技術(shù)方案，滿足5G高功耗對(duì)市電容量調(diào)整的建設(shè)需求，市電削峰技術(shù)方案選擇如表1所示。

市電引入費(fèi)高、引電周期長(zhǎng)且市電缺口較小的站點(diǎn)，通過(guò)市電削峰，可以實(shí)現(xiàn)部分站點(diǎn)市電免改造，降低外市電改造成本壓力，縮短建設(shè)周期。市電削峰技術(shù)是外市電增容改造的一種技術(shù)補(bǔ)充方案。對(duì)于原市電引入容量有限，多家5G共享預(yù)期明確的基站，建議優(yōu)先采用外市電改造方式，按遠(yuǎn)期需求進(jìn)行市電改造增容，預(yù)留發(fā)展空間。

3.2 新型集中供電技術(shù)

集中供電，應(yīng)選取區(qū)域內(nèi)市電容量充裕的基站作為中心基站，為周邊基站提供電力服務(wù)，這樣既能降低周邊基站市電和蓄電池?cái)U(kuò)容改造成本，又能縮短建設(shè)周期，提高供電可靠性。

集中供電系統(tǒng)由局端設(shè)備、遠(yuǎn)端設(shè)備和電纜三部分組成。它可以將機(jī)房?jī)?nèi)穩(wěn)定的- 48 V電源隔離升壓到DC250～DC410V，并通過(guò)電力電纜以最大效率遠(yuǎn)距離輸送至遠(yuǎn)端設(shè)備，遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)而將直流高壓變換成DC48V、DC280V或AC220V電壓為負(fù)載（DU）、微基站以及室外綜合接入機(jī)柜等通信設(shè)備提供24小時(shí)穩(wěn)定的，提供免維護(hù)的供電。也可以在機(jī)房中直接利用HVDC電源提供DC250～DC410V做遠(yuǎn)供電源，在遠(yuǎn)端將HVDC變成DC48V，如圖2所示。該方案適用于市電容量充裕的基站作為中心基站，為周邊基站提供電力服務(wù)[3]。

圖2 新型集中供電技術(shù)原理圖

3.3 蓄電池共用管理技術(shù)

現(xiàn)網(wǎng)存量基站蓄電池依然以鉛酸電池為主，組數(shù)占比達(dá)86%，容量占比達(dá)94%；基站備用電池存量鉛酸為主、擴(kuò)容鋰電為主，鉛酸、鋰電共存的局面短期不會(huì)改變；鉛酸電池與鐵鋰電池在電壓、充放電限流等參數(shù)或裝置上區(qū)別顯著，無(wú)法直接并聯(lián)使用。

鉛酸電池與梯級(jí)鐵鋰電池直接使用會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的偏流現(xiàn)象。鉛酸、鐵鋰電池的電壓、內(nèi)阻不一致是在充放電過(guò)程中產(chǎn)生偏流現(xiàn)象的根本原因；充電階段，鉛酸先充電，由于鉛酸無(wú)限流裝置，存在過(guò)充電風(fēng)險(xiǎn)；放電階段，鋰電先放電，承擔(dān)電流較大，存在雪崩式保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)。鉛酸后放電，承擔(dān)負(fù)載較大，存在過(guò)放電風(fēng)險(xiǎn)；不同容量、不同來(lái)源的鋰電池存在同樣風(fēng)險(xiǎn)。

蓄電池共用管理的解決方案。主要解決不同類型、不同時(shí)期、不同廠家電池并聯(lián)應(yīng)用問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)模塊化擴(kuò)容、對(duì)電池的主動(dòng)控制、鋰電優(yōu)先放電、輔助市電削峰（降低市電需求）、削峰填谷（獲取電價(jià)差利潤(rùn)）等技術(shù)的應(yīng)用，管理示意圖如圖3所示。精確的充放電控制，避免蓄電池大電流充放電，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。

圖3 蓄電池共用管理示意圖

充電模式：共充模式（默認(rèn)模式），各路電池接口及外置鉛酸電池按設(shè)定限流值同時(shí)充電。單充模式，各路電池接口及外置鉛酸電池按設(shè)定優(yōu)先次序充電（市電容量不足等情況應(yīng)用）。

放電模式：共放模式（默認(rèn)模式），各分路根據(jù)設(shè)定限流值或根據(jù)電池容量按容量比例放電，同時(shí)達(dá)到放電截至條件。優(yōu)先放電模式，可設(shè)置2級(jí)放電順序，滿足市電削峰、削峰填谷等應(yīng)用場(chǎng)景，梯級(jí)電池主用削峰，鉛酸主用備電。

級(jí)聯(lián)擴(kuò)容：電池共用管理器通過(guò)通信接口互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)單機(jī)框?qū)θ磕K的統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)擴(kuò)容功能。

使用于需要增加后備電源的基站，對(duì)于不同廠家、不用類型的電池混合使用，如圖4所示。

圖4 鐵鋰、鉛酸共同充放電測(cè)試圖

4 5G創(chuàng)新電源技術(shù)應(yīng)用案例

站點(diǎn)概況：A市B基站位于金融商圈室外站點(diǎn)，該站點(diǎn)原有2G/4G設(shè)備。新增5G設(shè)備后，在高峰時(shí)段因市電容量不足出現(xiàn)閃斷，只有關(guān)閉5G設(shè)備才能保證2G/4G的正常運(yùn)行。

站點(diǎn)數(shù)據(jù)分析：（1）2/4/5G正常運(yùn)行的平均功率為4 730 W。（2）早高峰和晚高峰負(fù)載的峰值功率接近5 000 W，電池的充電功率為1 600 W，站點(diǎn)整體最大功率可達(dá)6 800 W，超過(guò)平均45%。（3）市電門限容量為6 000 W。

創(chuàng)新方案實(shí)施：該站點(diǎn)采用智能削峰技術(shù)方案，對(duì)開關(guān)電源系統(tǒng)進(jìn)行了改造升級(jí)。（1）將電源硬件更新為支撐智能削峰系統(tǒng)新電源（采用300 A系統(tǒng)/200 A容量）。（2）用三組100 Ah鐵鋰梯次替換原來(lái)的鉛酸電池。（3）設(shè)定市電容量6 000 W削峰閾值。

創(chuàng)新方案效果驗(yàn)證：（1）第一天在智能削峰功能未加載前，市電輸入峰值功耗達(dá)6 800 W；第二天加載智能削峰后，市電引入功耗控制在5 500 W以下。（2）蓄電池充電時(shí)長(zhǎng)為8 h，實(shí)現(xiàn)了蓄電池均充。（3）市電輸入控制在門限下，連續(xù)一周未再出現(xiàn)閃斷情況。本方案證明智能削峰技術(shù)可以在市電不滿足場(chǎng)景發(fā)揮作用，同時(shí)驗(yàn)證了鐵鋰梯次電池與智能削峰方案無(wú)縫組合應(yīng)用。

經(jīng)濟(jì)分析：該站點(diǎn)若采用傳統(tǒng)的市電改造方案，投資約4萬(wàn)元；采用智能削峰方案，投資約1萬(wàn)元。由此得出智能削峰的投資僅為市電改造費(fèi)用的1/4,不僅節(jié)省建設(shè)投資還提升了工程建設(shè)效率。

5 結(jié)論

5G的大規(guī)模MIMO與UDN等技術(shù)的應(yīng)用，給基站市容和開關(guān)電源系統(tǒng)的建設(shè)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，通過(guò)對(duì)5G新技術(shù)分析，挖掘5G對(duì)配套建設(shè)的挑戰(zhàn)。本方案從“綠色、節(jié)能、環(huán)保、共享”的角度出發(fā)，充分利用現(xiàn)有資源，通過(guò)創(chuàng)新技術(shù)來(lái)滿足建設(shè)需求，并通過(guò)實(shí)際案例驗(yàn)證了方案的可行性，為快速部署5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。本文提供的建設(shè)方案建設(shè)周期短、建設(shè)投資省、后期運(yùn)營(yíng)順，充分體現(xiàn)了降本增效的宗旨。