面向5G網絡供配電方案創新研究

司 鼎，徐 華，趙志紅

（河南省信息咨詢設計研究有限公司，河南 鄭州 450008）

0 引 言

2020年，5G網絡全面商用。隨著超密集組網、Massive MIMO以及高工作頻段等關鍵技術的應用，5G網絡設備功耗和重量大幅增加，基站數量也隨之增加。隨著各種增值業務的快速發展，電力消耗增加。因此，創新供配電模式并應用節能新技術，是實現5G網絡降本增效、高效運營以及持續發展的重要方法。

1 無線網絡供電系統

1.1 基站供電現狀

現有基站機房的外市電、組合開關電源、鉛酸蓄電池以及空調等通常采用標準通用配置，即外市電容量≤30 kW，開關電源模塊為6～10塊容量為50 A的-48 V/600 A開關電源，300 Ah、500 Ah、800 Ah的鉛蓄電池組各2組，3臺功率分別為7.5 kW、12.5 kW、20 kW的空調。由表1可知，空調和通信設備是基站運行的主要耗電設備，其中直流系統的耗電量占70%左右，空調系統的耗電量占30%左右。

表1 2020年7月綜合接入機房用電量統計表

1.2 存在的問題

1.2.1 外市電容量問題

不同站型的地理位置、市電路由、外市電引入費用以及配電設備容量要求不同，但實際運行中，一般基站外市電均采用統一配置，因此存在超負荷和低配置問題，造成了不必要的資源浪費。

1.2.2 開關電源容量問題

開關電源模塊均采用標準配置，無論基站設備功耗大小，一般均配置不少于6塊電源模塊，無法做到精確化配置。開關電源的效率與負載率有關，當負載率達到80%以上時，效率最高。因此，標準化的配置存在效益低下和資源浪費的情況。

1.2.3 蓄電池容量問題

根據相關規范，在考慮傳輸設備供電要求的情況下，通信運營商各基站蓄電池容量按遠期負荷或開關電源滿容量設計，備電時長為8 h。根據當地市電供電情況、機房實際負荷以及柴油發電機容量，不同站址的基站的蓄電池容量存在不一致性。因此，相同容量的蓄電池的配置存在投資浪費、資源浪費以及對機房容量的浪費。

2 無線網網絡結構化站點定義

2.1 布局站

布局站點利用傳統宏蜂窩組網方式，滿足一定站距、站高以及覆蓋指標要求，有效覆蓋道路、綠地、廣場以及公園等開放區域，一定程度上滿足了深度覆蓋率的要求。無線專業和電源專業中，布局站的選取是整個網絡架構的骨干，在網絡覆蓋中起支撐作用。此類站址在建設初期電源配備相對完善，一般為宏基站。站址的外市電容量、開關電源容量、電池容量、監控系統以及機房空間等相關電源配套條件較好，在5G新型供電方式中可作為供電架構的主站。

布局站站址的選取應結合多種數據進行驗證。從無線專業角度考慮供電條件選擇站址，主要包括5方面要求。第一，機房空間足夠、承重條件好以及可進行電源設備的擴容改造。第二，外市電供電方式為直供電，上游接電位置為變壓器。第三，物業協調容易、發電方便。第四，站型要以多扇區宏站（扇區數量≥3）為主。第五，布局基站站距應滿足不同場景站距標準。不同場景站距可進行實際測試獲取，也可利用仿真獲取[1]。

充分結合電源專業容量要求和無線專業覆蓋要求選取的布局站，可直接作為5G供電系統的主站向四周延伸供電，從而提升5G供電效率和直供電比例。

2.2 補丁站

城區補丁站點主要起補充作用，能夠有效規避干擾，解決布局站點的室內外局部無覆蓋與弱覆蓋問題。補丁站在基站建設方面采用多樣化的覆蓋手段。與布局站全為宏站不同，此類站址建設除了傳統的宏站外，還采用了微站、RRU拉遠以及一體化基站等多種方式進行建設。補丁站在電源配備方面與布局站存在一定的差距。個別站址的機房配備了一定容量的電源配套設備，但是狹小的機房空間和外市電容量限制了此類基站向外延伸供電的條件。僅有部分站址為宏站的補丁站電源配套及外市電供電條件較好，可作為供電延伸的輔助支點。

2.3 吸熱站

吸熱站的主要作用是解決熱點區域的容量和感知問題，滿足熱點業務吸收要求，保障熱點區域用戶感知，為業務發展儲備承載能力。該站點采用多載波（聚合）、異頻異系統部署、扇區分裂以及室分引入等手段，靈活部署，按需而建。

吸熱站設備一般為微站和微微站等設備，一般為無機房站址。它的供電方式多為直流遠供供電或直接引外市電，僅可作為支路。

2.4 室分站

室分站有別于布局站等類型，主要用于室內樓宇的5G信號覆蓋，一般為有源室分。各個有源發射點分散布置在建筑物內，無機房。后備電源建設條件差，僅可作為支路。

2.5 5G基站網絡架構分層

根據無線網網絡結構化站點整體情況確定布局站，由布局站聯系和匯集周邊非結構站。

3 建立立體聯動供電模式

基站的設計應打破以往單基站電源設備無差別和統一配置的常規設計理念，將交、直流供電系統與基站網絡架構相結合，實現對網絡系統橫向、縱向的滲透和深入，建立立體聯動供配電模式。重新定義各類基站電源配置原則，以布局站、補丁站以及吸熱站為研究單元，測算不同5G設備不同環境下能耗，制定主從站篩選規則及方法。供配電模式按單元劃分，每個單元根據基站類型分為中心站和個體站。不同單元的不同站型可采用相應的供電配置。

3.1 建設供配電中心

將環境相對較好，空間及承重可滿足條件，且外市電供電有保證的機房，建設為集中放置多套大容量開關電源系統、多組大容量蓄電池組（鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池、梯次電池）、直流遠供系統的供配電中心機房。該供配電中心配電系統容量在保證本機房設備供電的基礎上，可為周邊各類補盲站、吸熱站以及室分站提供安全的供電。該中心適應5G基站多元化供電，可多站共用一套電源系統，減少供電協調，縮短建設周期，降低了網絡能耗，提升了設備效率。

3.2 外市電引入的再研究

削峰填谷是充分利用供電部門分時電價政策，把用電負荷從用電高峰階段調整到用電低谷時期，同時在低谷時期將電能轉換成化學能進行儲存，而在用電高峰時段將化學能轉換成電能對通信設備供電，以達到降低電價和電費的目的。采用削峰填谷的局址供電方式應為直供電，且需要充分考慮梯次電池應用情況和當地峰、谷電價差，確定效益臨界點。

3.3 磷酸鐵鋰電池和梯次電池的利用

近年來，磷酸鐵鋰電池在各個領域應用廣泛。目前，它的循環壽命長、耐高溫以及高倍率放電的優勢逐漸明顯，性能遠遠優于鉛酸電池。特別是小型基站、小容量站、分散基站以及利用太陽能、風能等的新能源基站，利用磷酸鐵鋰電池或梯次電池可達到降低通信基站配套設備成本的目的，體現了生態設計、綠色經濟、低碳經濟以及循環經濟等理念。

3.4 高壓直流的利用

高壓直流系統是通過整流將交流380 V轉換為240 V的高壓直流。高壓直流系統含整流屏、直流配電單元以及閥控式蓄電池組。直流配電單元將電輸出至各直流通信設備。每個直流供電系統可接兩組或多組蓄電池組。系統采用微處理機控制，可自動實現電池的均、浮充轉換，具有遠端遙信、遙測以及遙控等功能。

3.5 供配電個體

3.5.1 再生能源的利用

隨著不斷的實踐與進步，光伏行業的生產技術與產品性能不斷提升，生產成本不斷下降，使得光伏系統的綜合效率可以達80%。光伏發電能為負載提供了穩定可靠的電能，因此外市電引入困難、引入費用高以及市電不穩定等達不到三類供電級別的基站可根據負載要求，設計滿足負載N×24 h工作用電的太陽能供電。

3.5.2 高壓、大功率直流遠供的利用

傳統400 V直流遠供產品受輸電電壓和設備容量的限制，已無法完全滿足現階段5G基站的建設需求。高壓、大功率直流遠供是將基站內開關電源的-48 V直流電通過遠供設備升壓到500～700 V，并再通過電纜送至遠端基站的降壓設備端。

考慮投資成本、傳輸距離以及線纜損耗等因素，高壓、大功率直流遠供在供電功率、線纜線徑一樣的情況下，傳輸距離更遠。在供電功率、線纜線徑、傳輸距離一致的情況下，線路損耗更小。當負載功率為3 600 W時，如采用鋁芯2×16 mm2電纜，局端輸出電壓設置為700 V，遠端輸入電壓設置為400 V，最遠傳輸距離則可達6.38 km，即每傳輸1 km線路損耗為166.51 W。

因此，不具備市電引入條件、市電不穩定或采用轉供電方式的拉遠基站、高鐵基站、樓面基站以及小區微站，可采用高壓、大功率直流遠供技術，將供配電中心的直流電源通過電力電纜送至遠端基站。

3.5.3 微電網集中供電

基于高壓、大功率直流遠供設備的特點，園區、景區以及大型場館等區域性建設場景一定距離范圍內可能分布多個5G拉遠基站，從而存在引入分散和單獨市電協調難度大、周期長、費用高、后期電費繳納和維護工作量大等問題。集中市電引入時，市電路由由于線徑過大鋪設困難，可能存在安全隱患等問題。因此，可采用直流高壓微網集中供電方案，選取市電容量滿足要求、開關電源和電池具備擴容條件且具備空余空間的機房站作為遠端供配電中心，采用高壓直流遠供系統集中為區域內拉遠基站供電。

3.5.4 5G壁掛電源

5G壁掛電源具備組合開關電源的功能，最大容量200 A，滿配4塊50 A高效模塊，且模塊擴容方便，可在線維修，同時具有電池管理功能，可以外接電池進行備電。該電源具有容量大、效率高以及可靠性高等特點，可選擇掛墻、桿體以及落地等3種室外安裝方式[2]。

4 供配電立體聯動系統

供配電立體聯動系統作為供電中心，其站內可配置多套開關電源系統，可通過電纜將-48 V直流電送到周邊補丁站或吸熱站。為減少電纜的使用，可采用高壓直流的供電方式，即站內開關電源采用高壓直流，其供電電壓為240 V，通過電纜壓降將電壓降至設備所需電壓值。

一般情況下，與中心站距離較近的補丁站可不再設立直流系統，其直流電只需由中心站供給即可。當補丁站與中心站距離較遠時，補丁站內只需配置-48 V組合開關電源。當市電正常時，由市電供電。當市電不正常時，由中心站供電。因此，此站無需配置蓄電池組，減少了對機房面積和承重的要求。吸熱站內的設備功耗相對較小，其供電方式可就近由中心站或補丁站采用高壓、大功率直流遠供、升壓模塊或壁掛電源的方式供給。面向5G供配電立體聯動供電結構如圖1所示。

圖1 5G供配電立體聯動供電結構

5 結 論

作為一項關鍵技術，5G給人們的生活帶來便利的同時，也給5G網絡建設和運行帶來了巨大考驗，尤其是5G大能耗所帶來的供電問題。因此，從網絡分層出發，詳細闡述了現有供電方式的優缺點，并根據5G網絡發展提出了立體化5G供配電方式，以期為下一步5G超密集組網建設提供參考。