通信基站水氫發電機供電方案研究

薛俊偉，劉雨濛

（1.中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019；2.暨南大學，廣東 廣州 510632）

0 引 言

第5代移動通信新空口技術（5G New Radio，5G NR）為應用于更多應用場景提供了支撐，其服務范圍將延展至國民經濟和社會生活的方方面面，改善人們的生產生活方式，促進社會的信息化和工業化。5G NR因具有低時延、高速率、大容量和強穩定等優勢，是下一階段移動網絡的發展趨勢。5G網絡深入發展，將彌補目前在長期演進（Long Term Evolution，LTE）技術中移動網絡受到網絡性能限制而無法完整實現應用場景需求的不足。同時，豐富的應用也要求運營商加大對網絡基礎設施建設的投資。

5G高頻網絡的建設，需要更多的基站提供信號連續覆蓋。基站配套設施的完善和運維能力的增強，將直接影響網絡效果和通信質量，以及基站建成后的社會效益和經濟效益。通信基站的站址應該選擇在交通便利、環境適合和供電可靠的地方。偏遠郊區、高山密林和廣闊農田等場景存在信號盲弱問題，嚴重影響遠程抄表、無人駕駛以及智慧農業的實現。針對外電無法進入或者進入成本高的站點，設計使用水氫發電機供電的創新方案。通過對實際工程案例中成本、工期以及穩定性等因素的分析，驗證了方案能夠以較低的安裝和運維成本及較短的工期解決疑難站點的外電引入問題[1]。

1 基站配套電源的要求

當前我國積極發展5G，并取得了領先優勢。與4G LTE網絡不同，5G NR涵蓋的頻率范圍包括FR1/Sub-6GHz（0.45～ 6.0 GHz）和FR2/Above-6GHz（24.25～52.60 GHz）。高頻率下網絡傳輸損耗加大，要提供高質量的連續覆蓋和容量保證，必須建設更密集的基站，設計更具科學性的分層疊加型網絡。配套電源對站點的投資和工期有較大影響，特別是外電疑難站點問題的解決一直是工程建設中需要管控的重點。5G基站能耗提高，承載的應用更多且重要，對配套電源的性能參數和保障能力也有更高的要求。

對于5G非獨立組網（Non-Standalone，NSA）階段的新建基站，交流負荷要滿足16～20 kW配置，市電引入要采用不小于4 mm×25 mm的銅芯電纜或4 mm×35 mm的鋁芯電纜。環境惡劣的郊外和山野站，電纜應采用水泥包封直埋方式進行布放，敷設基本要求如下：

（1）室外直埋電纜敷設的深度：人行道最小70 cm，車行道最小80 cm；

（2）電纜上下應該均勻敷設10 cm厚的細沙或者軟土層作為基層，再鋪設混凝土、石板或磚等作為保護層。

另外，外電三相交流電的單相輸入電壓允許在187～243 V波動，如果市電不穩，需要使用交流穩壓器。基站應配置1套交直流供電系統，并做好后期擴容的冗余配置規劃。對于沒有固定油機的站點，一般要求安裝2組閥控式鉛酸蓄電池組或鐵鋰電池組，以滿足交流斷電后電池放電時間的要求：市區基站≥3 h，城郊及鄉鎮基站≥5 h，農村及山區基站≥7 h。

2 水氫發電機供電方案

2.1 供電設備介紹

水氫發電機供電主要的動力源是水氫動力模塊，如圖1所示。這種新能源發電機的運行原理是將甲醇水燃料轉化為氫氣，并通過燃料電池將化學能轉化為電能[2]。反應過程解決了質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）中燃料供給的問題，使用甲醇水燃料制取高純氫更加經濟，且模塊提供了可觀的轉化率。

圖1 水氫動力模塊

水氫動力模塊是把化學能直接轉化為電能的發電裝置，具有模塊化、無污染、性能高、價格低、體積小、便捷安裝、方便加料、供電穩定以及放電時間久等特點。對于配套環境不允許或者接入外電成本過高的通信基站，使用水氫發電機供電是一個可以嘗試的解決方案。

設備具有如下性能特點。第一，發供電高效穩定。PEMFC的能量轉換效率高達60%，而一般內燃機發電機轉換效率只有30%左右，同時甲醇水燃料的價格低廉，只有化石燃料價格的40%。第二，運行平穩無污染。PEMFC在發電過程中不涉及燃燒，安全可靠無污染。水氫發電機除了燃料輸送泵和風扇送風外沒有其他機械運轉部件，工作時整機震動輕微，聲音強度可以控制在55 dB以內。發電過程中燃料消耗后排放物只含有水和少量二氧化碳，不產生硫化物、氮化物和粉塵顆粒物等有害物質，環境友好。第三，模塊組合成本低。模塊化產品體積小重量輕，可以按需定制，移動不受地域條件限制，能在極端環境下運行，環境適應能力強，非常適合安裝于配套困難的基站。模塊可以方便快捷地組裝為所需規格的水氫發電機，運行壽命可達8年以上，已經廣泛應用于汽車、會展以及通信等行業。在基站中使用，產品穩定可靠，系統維護間隔長，能有效降低維護成本。

2.2 供電方案實現

水氫發電機供電可以使用交流和直流兩種方案。傳統的基站交流供電方式需要將水氫發電機的輸出進行逆變，不僅影響能效，還需要保留配電箱以及進行整流輸出，安裝調試麻煩[3]。采用直流供電只需將交流空調和照明設備等換為直流產品，同時增加水氫發電監控模塊，與原有的基站動力環境監控模塊通信，如圖2所示。

圖2 水氫發電機直流供電

為滿足新建基站交流負荷16～20 kW的配置要求，使用MRFC-EV10（單模塊額定功率10 kW）2臺組合。模塊質量為28 kg，體積為484 mm×280 mm×800 mm，單位甲醇發電量大于2.2 Wh/g，熱電聯產效率大于80%，并可即時啟動，滿足基站建設使用標準。在惡劣環境、無外電條件下，可以增設備用燃料箱來增加系統運行時間，節省人工成本。需要注意，甲醇燃料箱宜安裝在加料方便處，并做好防震、防盜以及防異物落入的保障[4]。機房內空間不足的情況下，可考慮布放在機房外，并做好隱蔽。實際應用中，需根據基站用電需求合理設置冗余燃料箱數量。

2.3 方案測試結果

選擇3個基站作為通信基站水氫發電機供電方案改造點，根據試點基站運行情況得到如下測試數據。

基站A：山站，若引入外電，高壓路由約600 m，高壓施工送電時間約1個月，新增變壓器成本47萬元，低壓線路650 m費用21萬元，外電協調費23萬元，合計造價91萬元。實際水氫發電機供電20 kW，組裝測試總時間3 d，總費用46.68萬元。運行6個月共出現停電告警15次，同時收到電池熔絲告警達89次。維護人員核查數據后懷疑是系統誤報。查實15次停電告警是因為機房交流空調當時沒有更換，改造電力時使用逆變器對供電系統造成影響。后經改造，將交流空調換為直流空調后，系統隨后無告警。

基站B：偏遠農場站，業主無法提供外電引入。水氫發電機供電20 kW，組裝測試總時間3 d，總費用40.13萬元。設備安裝完成后運行6個月，機器保持穩定運行，無停電告警。

基站C：景區站，若引入外電，高壓路由約1 km，高壓施工送電時間約1個月，新增變壓器成本51萬元，低壓線路1.1 km費用42萬元，外電協調費18萬元，合計造價111萬元。常規外電方案無法在基站開通的規定工期內完成，因此使用水氫發電機供電。實際水氫發電機供電20 kW，組裝測試總時間4 d，總費用43.25萬元。設備安裝完成后運行6個月，機器運行穩定，沒有出現停電告警。

3 結 論

通信基站水氫發電機供電方案在傳統市電引入成本高、引入工期長的情況下，可以用很低的造價和很短的工期完成機房電力的改造，實現基站穩定運行。PEMFC以甲醇為燃料，成本低廉、綠色環保、能效極高，只需要每60 d左右進行一次人工燃料添加。5G基站對于配套電源有更高的要求，在偏遠郊區、高山密林以及廣闊農田等場景，外電的進入比較困難。配合水氫發電機供電方案，可以在這些環境下快捷地實現設備運行，同時降低運營成本。