郭 濤，金立標(biāo)，江 陵，陳 郁

（1.中國(guó)聯(lián)通蘇州市分公司，江蘇 蘇州 215000；2.中國(guó)聯(lián)通江蘇省分公司，江蘇 南京 210008）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)、信息技術(shù)、電子技術(shù)的快速發(fā)展，據(jù)中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部統(tǒng)計(jì)信息顯示，截至2021年6月，我國(guó)已建成5G基站96.1萬(wàn)個(gè)，占全球70%，5G連接數(shù)已超過(guò)3.65億，占全球80%。下一步，我國(guó)將繼續(xù)大力推進(jìn)5G、千兆網(wǎng)絡(luò)等新一代信息通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。5G建設(shè)主要面臨的挑戰(zhàn)是能耗和空間的優(yōu)化。其中，能耗主要分為通信主設(shè)備能耗和配套設(shè)施能耗兩部分。5G有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）、室內(nèi)基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）通信主設(shè)備等能耗大幅增加。以中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司建設(shè)的5G設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)配置（3個(gè)AAU+1個(gè)BBU）為例，單個(gè)AAU設(shè)備平均功耗值0.54 kW、單個(gè)BBU設(shè)備平均功耗值0.16 kW，總功耗1.87 kW，折算成48 V系統(tǒng)供電，相當(dāng)于每套5G設(shè)備增加直流負(fù)載35 A。基站配套設(shè)施能耗主要包括空調(diào)、電源、建筑結(jié)構(gòu)，其中電源系統(tǒng)一般由交流供電系統(tǒng)、直流配電系統(tǒng)組成，能耗主要包括電源系統(tǒng)的自身?yè)p耗、線纜損耗等能量損失。另外，由于5G基站的頻率較高，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面，5G需要增加更多的設(shè)備用于連續(xù)覆蓋。而5G基站需要大量的時(shí)間逐步建設(shè)，各大運(yùn)營(yíng)商都有不同程度的站址稀缺。充分挖掘現(xiàn)有資源，提高機(jī)房電源利用率以及區(qū)域內(nèi)的共建共享將會(huì)是主流趨勢(shì)[1]。

1 5G基站動(dòng)力配套現(xiàn)狀及問(wèn)題

基站通信動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備分為電源設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)以及防雷接地系統(tǒng)。電源設(shè)備主要包括交、直流配電設(shè)備。其中，交流配電設(shè)備包括油機(jī)、交流配電箱、進(jìn)線電纜等，直流供電設(shè)備包括開(kāi)關(guān)電源、蓄電池、直流列頭柜等?；緞?dòng)力系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 基站動(dòng)力系統(tǒng)示意圖

1.1 動(dòng)力配套設(shè)備配置

（1）交流外市電容量不足。5G設(shè)備的增加，不僅是直觀上開(kāi)關(guān)電源設(shè)備直流負(fù)載的增加，還有空調(diào)冷負(fù)荷、蓄電池?cái)U(kuò)容后充電電流的增加。按照目前運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有基站的資源條件，外市電容量根本無(wú)法滿足5G基站的要求，特別是轉(zhuǎn)供電、租用站點(diǎn)，在“雙碳”背景下，變壓器擴(kuò)容難度較大，成本高，擴(kuò)容改造周期長(zhǎng)，根本無(wú)法滿足5G快速部署的要求。

（2）開(kāi)關(guān)電源容量不足。目前，運(yùn)營(yíng)商基站內(nèi)的主流開(kāi)關(guān)電源主要有600 A組合式開(kāi)關(guān)電源和300 A插框式開(kāi)關(guān)電源兩種，配置50 A整流模塊，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架尺寸1 800×600×800。組合式開(kāi)關(guān)電源占用機(jī)房空間，300 A插框式開(kāi)關(guān)電源擴(kuò)容困難。兩種主流開(kāi)關(guān)電源都無(wú)法滿足5G設(shè)備擴(kuò)容需求且無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化維護(hù)。

（3）蓄電池容量不足。目前，各運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有基站大多采用 2 組 300 A·h、500 A·h、1 000 A·h 的鉛酸閥控電池作為后備電源。隨著使用年限的增加，實(shí)際的維護(hù)工作中經(jīng)常出現(xiàn)單組、單體蓄電池落后或開(kāi)路狀態(tài)，導(dǎo)致整組蓄電池?zé)o法正常使用，剩余容量逐年下降，后備時(shí)長(zhǎng)縮短。同時(shí)，隨著5G設(shè)備增加，越來(lái)越多的站點(diǎn)出現(xiàn)容量不足情況，需要擴(kuò)容1 000 A·h電池甚至通過(guò)并聯(lián)更多組數(shù)才能達(dá)到后備時(shí)長(zhǎng)要求。另外，鉛酸存在重量重、體積大、循環(huán)使用壽命短等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足后期削峰填谷等新節(jié)能技術(shù)的推廣使用[2]。

1.2 站址稀缺以及基站空間不足

5G時(shí)代的到來(lái)，意味著同一區(qū)域需要的5G通信設(shè)備比4G通信設(shè)備多。因此，在一個(gè)面積緊張、空間狹小的接入機(jī)房?jī)?nèi)要放置更多的機(jī)柜，必然要占用大量空間。目前機(jī)房?jī)?nèi)除了機(jī)柜，最占用空間的無(wú)疑是電源及后備電源，很多機(jī)房目前都標(biāo)配600 A組合式開(kāi)關(guān)電源，2組500 A·h雙層雙列電池，約占用10個(gè)機(jī)柜位置。考慮電池維護(hù)等因素，實(shí)際占用空間更大，因此高密度模塊化電源和鐵鋰電池的空間優(yōu)勢(shì)就顯得尤為重要。

2 新的供電解決方案

2.1 高功率密度模塊化電源

高功率密度模塊化電源采用標(biāo)準(zhǔn)19英寸機(jī)架式安裝，高度僅4U，配置8塊高功率75 A整流模塊，滿配600 A，體積是同容量600 A組合式開(kāi)關(guān)電源的1/4，安裝擴(kuò)容方便，可快速部署。它搭配智能監(jiān)控單元，可對(duì)削峰填谷全周期監(jiān)控，計(jì)量削峰填谷數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)鐵鋰電池實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)電池整體狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)數(shù)字化、智能化。高密度功率模塊化電源結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高密度功率模塊化電源結(jié)構(gòu)

高密度功率模塊化電源具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是支持“市電削峰”，支持“錯(cuò)峰用電”，搭配智慧鋰電可實(shí)現(xiàn)智能儲(chǔ)能，合理利用電峰谷電價(jià)差，節(jié)約成本；二是通信接口豐富，滿足RS485、網(wǎng)口、干接點(diǎn)等，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理；三是支持交、直流計(jì)量，支持多種計(jì)費(fèi)模式；四是支持光伏高低壓平滑疊加供電；五是支持配電單元靈活擴(kuò)展；六是內(nèi)置藍(lán)牙和連接密碼，采用通用App，用于本地維護(hù)[3]。高密度功率模塊化電源監(jiān)控如圖3所示。

圖3 高密度功率模塊化電源監(jiān)控

2.2 智慧鋰電

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、極柱及隔膜組成的蓄能單元。與常規(guī)閥控鉛酸蓄電池相比，智慧鋰電除了具備體積小、重量輕、能量密度高、循環(huán)壽命高等優(yōu)點(diǎn)，還具備以下優(yōu)勢(shì)。

（1）滿足直流遠(yuǎn)供、新舊混用、鉛鋰混用等場(chǎng)景，雙向DCDC智能鋰電管理系統(tǒng)，完美地解決了常規(guī)鋰電的短板。

（2）因?yàn)轶w積小、重量輕，智慧鋰電在安裝時(shí)，對(duì)空間和承重沒(méi)有特殊要求，節(jié)省了基站空間資源，在有限的空間內(nèi)盡量為5G設(shè)備騰挪空間，易于維護(hù)使用。

（3）工作溫度范圍廣。相比常規(guī)閥控鉛酸蓄電池苛刻的環(huán)境溫度要求，智慧鋰電工作溫度在-20～50 ℃（推薦使用溫度15～35 ℃），南方高溫環(huán)境下不會(huì)造成容量損失。

（4）狀態(tài)監(jiān)測(cè)。支持對(duì)電芯的電壓、溫度以及整組的電壓、電流檢測(cè)，具備電荷狀態(tài)（State Of Charge，SOC）、健康狀態(tài)（State Of Health，SOH）檢測(cè)計(jì)算，易于維護(hù)使用，可以最大限度地提升電池的安全可靠性和使用壽命。

（5）內(nèi)置先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）功能。電池管理系統(tǒng)搭配雙向DC功率變換技術(shù)，具備雙向升降壓功能，可與站點(diǎn)存量電池直接并聯(lián)使用，滿足電池利舊、站點(diǎn)備電平滑擴(kuò)容需求。

（6）并聯(lián)擴(kuò)功率特性。最大支持32組電池并聯(lián)，支持最大功率不高于4 kW。

（7）告警管理。支持過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、高低溫等異常告警。

（8）恒流恒壓。在工作期間內(nèi)均使用恒流恒壓的工作模式且充放電限流可調(diào)，避免因電池組自身的不均衡性而導(dǎo)致電池組出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)切斷輸出，出現(xiàn)“雪崩”效應(yīng)。

（9）均流控制。通過(guò)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）通信接口，每個(gè)電池可接收其他電池組的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)自適應(yīng)均流策略運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)放電均流控制，或采用自適應(yīng)容量均衡策略運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)最佳容量匹配充放電[4]。

2.3 氫燃料電池

氫燃料電池實(shí)際是一種質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFC），使用H2作為燃料，與空氣中的氧氣在電堆內(nèi)反應(yīng)生成水。通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，因?yàn)闅淙剂想姵亟Y(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、噪聲小、穩(wěn)定的特點(diǎn)。同時(shí)，反應(yīng)物H2為可再生清潔能源，電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中不產(chǎn)生明火，無(wú)安全隱患，生成物為無(wú)污染的水且不產(chǎn)生溫室氣體，是真正綠色環(huán)保的新能源。氫燃料電池原理如圖4所示。

工作原理如下：一是H2通過(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽(yáng)極；二是在陽(yáng)極催化劑的作用下，1個(gè)氫分子解離為2個(gè)氫質(zhì)子，并釋放出2個(gè)電子，陽(yáng)極反應(yīng)為H2→2H+2e-；三是在電池的另一端，O2（或空氣）通過(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極，在陰極催化劑的作用下，O2和H+與通過(guò)外電路到達(dá)陰極的電子發(fā)生反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為1/2O2+2H+2e-→H2O，總的化學(xué)反應(yīng)為H2+1/2O2＝H2O。

電子在外電路形成直流電。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽(yáng)極和陰極供給H2和O2，就可以向外電路的負(fù)載連續(xù)輸出電能。

2.4 傳統(tǒng)備用電源供電方案與氫燃料電池備用電源供電方案對(duì)比

傳統(tǒng)備用電源供電方案如圖5所示，氫燃料電池備用電源供電方案如圖6所示。

圖5 傳統(tǒng)備用電源供電方案

圖6 氫燃料電池備用電源供電方案

與傳統(tǒng)的備用電源供電方案相比，氫燃料電池具有以下明顯的優(yōu)勢(shì)。

（1）應(yīng)急能力。燃料電池單次能夠持續(xù)運(yùn)行24 h甚至更長(zhǎng)，而鉛酸電池的備用時(shí)間一般為8 h左右。

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)控中心可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制燃料電池各部分的運(yùn)行狀況、庫(kù)存燃料量；對(duì)鉛酸電池來(lái)講，監(jiān)控中心難于監(jiān)控電池備用時(shí)間，需要人工維護(hù)。

（3）安全性。氫氣作為極易揮發(fā)的氣體，在儲(chǔ)罐泄漏時(shí)在敞開(kāi)空間不積累，安全性遠(yuǎn)高于汽油、液化氣；氫是儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中，不是在燃料電池中，安全性遠(yuǎn)高于鉛酸電池和鋰電池。

（4）使用能耗。電池運(yùn)行溫度范圍窄，一般在20～28 ℃，需運(yùn)行在空調(diào)房間，維護(hù)能耗非常高。燃料電池的運(yùn)行范圍廣，可以在環(huán)境溫度為-40～50℃內(nèi)運(yùn)行，維護(hù)能耗幾乎為零。

（5）低噪聲。與傳統(tǒng)的柴油機(jī)相比，燃料電池在運(yùn)行過(guò)程中同噪聲低，對(duì)于靜音要求高的場(chǎng)所尤為重要。

（6）綠色環(huán)保。與鉛酸電池相比，燃料電池在生產(chǎn)、使用及用后可循環(huán)過(guò)程中對(duì)環(huán)境污染排放非常低，綠色環(huán)保；不同于傳統(tǒng)的柴油機(jī)，燃料電池在運(yùn)行過(guò)程中不發(fā)生燃燒，沒(méi)有NO2、NO、SO2以及其他固體顆粒產(chǎn)生。

（7）經(jīng)濟(jì)性。生命周期內(nèi)，按8年計(jì)算，其花費(fèi)低于現(xiàn)有的鉛酸電池電源系統(tǒng)。

（8）可靠性。在大多數(shù)情況下，燃料電池的可靠性和平均無(wú)故障時(shí)間均高于現(xiàn)有產(chǎn)品。

（9）空間占用。對(duì)于相同備用時(shí)間的備用電源，氫燃料電池備用電源不占機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備空間，且所占空間比普通蓄電池備用小得多，尤其是當(dāng)備用時(shí)間不少于8 h的情況下。

3 5G基站電源解決方案試點(diǎn)效益分析

通過(guò)上述的研究分析，中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司對(duì)于這3項(xiàng)5G供電技術(shù)進(jìn)行了試點(diǎn)安裝，針對(duì)不同場(chǎng)景的基站，應(yīng)用不同的技術(shù)解決方案?，F(xiàn)就試點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)分享如下。

3.1 高功率密度模塊化電源搭配智慧鋰電

中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司某分公司八坼友誼路基站機(jī)房有5G設(shè)備接電需求，基站原搭配1套愛(ài)默生PS48600組合式開(kāi)關(guān)電源，直流負(fù)載180 A，搭配2組500 A·h雙登電池，主要設(shè)備為6個(gè)4G BBU、8個(gè)5G BBU、3個(gè)5G AAU，還有電信、移動(dòng)友商等無(wú)線設(shè)備，預(yù)計(jì)5G設(shè)備負(fù)載需求60 A，現(xiàn)有基站開(kāi)關(guān)電源、電池?zé)o法因站點(diǎn)空間限制，已無(wú)法擴(kuò)容[5]。

針對(duì)以上情況，于2021年12月采用高功率密度機(jī)架電源及智慧鋰電進(jìn)行改造擴(kuò)容，將600 A高功率密度機(jī)架電源及4組48 V的100 A·h智慧鋰電集成在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)2M機(jī)柜內(nèi)，將無(wú)線BBU及新增5G設(shè)備接至新設(shè)備內(nèi)，目前該試點(diǎn)運(yùn)行情況良好，負(fù)載85 A，鋰電池后備時(shí)長(zhǎng)滿足3 h要求。在基站有限的空間資源條件下，基站空間面積節(jié)省3/4，完全滿足基站5G設(shè)備的接電需求，同時(shí)解決原有開(kāi)關(guān)電源、電池容量不足問(wèn)題。高密度功率模塊化電源及智慧鋰電試點(diǎn)安裝圖如圖7所示。

圖7 高密度功率模塊化電源及智慧鋰電試點(diǎn)安裝圖片

3.2 氫燃料電池

中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司某分公司的姚橋基站地勢(shì)偏遠(yuǎn)，處于縣分鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域，發(fā)電距離較遠(yuǎn)，使用移動(dòng)式發(fā)電車發(fā)電較為困難，選取該站點(diǎn)進(jìn)行氫燃料電池的測(cè)試。該站采用的氫燃料電池與基站開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)動(dòng)，可對(duì)此次試驗(yàn)的氫燃料電池進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并進(jìn)行聯(lián)合調(diào)測(cè)。測(cè)試期間，記錄了氫燃料發(fā)電機(jī)綜合能耗、柴汽油消耗量及費(fèi)用、人工費(fèi)等，估算10年柴油機(jī)發(fā)電和氫燃料發(fā)電機(jī)發(fā)電總成本。在試驗(yàn)期間基站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行正常，無(wú)故障發(fā)生。氫燃料電池試點(diǎn)安裝如圖8所示。

圖8 氫燃料電池試點(diǎn)安裝圖片

氫燃料電池發(fā)電與柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。人工費(fèi)按100元單次上站計(jì)算。燃料費(fèi)：氫燃料發(fā)電機(jī)25元/罐，可發(fā)電1.5 h；柴油發(fā)電機(jī)每小時(shí)發(fā)電約4 L，油價(jià)按5.5元/L計(jì)算。綜合成本包含移動(dòng)發(fā)電車損耗費(fèi)、油費(fèi)，發(fā)電車按照0.126 L/km計(jì)算。

表1 氫燃料電池發(fā)電與柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1可知：氫燃料電池發(fā)電與柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，通過(guò)橫向和縱向的對(duì)比，在試驗(yàn)期間使用氫燃料發(fā)電機(jī)設(shè)備給基站供電1 h，可降低常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)供電1 h成本90.6%。以10年估算，使用氫燃料發(fā)電機(jī)設(shè)備，能夠降低總成本32.8%。

4 結(jié) 論

隨著5G設(shè)備接電需求的增加及5G設(shè)備的大面積部署，通過(guò)對(duì)高功率密度模塊化電源及智慧鋰電的優(yōu)勢(shì)分析，提出將高功率密度模塊化電源搭配智慧鋰電使用應(yīng)用于5G高負(fù)荷站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速擴(kuò)容、快速安裝，深挖現(xiàn)有基站的資源，利用現(xiàn)有基站的空間完成5G接電需求，完美匹配多種特殊場(chǎng)景，為5G基站供電建設(shè)、擴(kuò)容提供了多種思路。通過(guò)高功率密度模塊化電源搭配智慧鋰電試點(diǎn)情況來(lái)看，在大部分站點(diǎn)沿用傳統(tǒng)供電方案的情況下，綜合考慮機(jī)房現(xiàn)有條件，利用各種新的解決方案可以有效快速地實(shí)現(xiàn)5G基站快速建設(shè)。通過(guò)氫燃料電池試點(diǎn)情況來(lái)看，使用氫燃料電池替代現(xiàn)有的蓄電池和移動(dòng)油機(jī)發(fā)電設(shè)備，不僅能夠保證市電停電后中基站設(shè)備的持續(xù)供電，而且大大降低基站備用電源的蓄電池組、移動(dòng)油機(jī)、汽柴油消耗、人工和空調(diào)電費(fèi)成本投入。氫氣充足的情況下，氫燃料發(fā)電機(jī)供電時(shí)長(zhǎng)可達(dá)20 h以上，同時(shí)運(yùn)行過(guò)程中的噪聲較低。氫燃料電池設(shè)備及燃料綠色環(huán)保，能夠很好地滿足目前“雙碳”形勢(shì)下的規(guī)劃目標(biāo)，在滿足基站安全的條件下，可在運(yùn)營(yíng)商選取合適的基站大力推廣使用。