5G基站的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案

袁宏謀

（廣西通信規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣西 南寧 530007）

0 引 言

5G的基站站點(diǎn)多、頻率高以及覆蓋面積較小等特征都使得5G的基站未來(lái)會(huì)利用許多個(gè)BBU池母站來(lái)配合拉遠(yuǎn)站，同時(shí)也會(huì)采用微基站的方式來(lái)開(kāi)展組網(wǎng)有關(guān)的工作。新型的組網(wǎng)方式會(huì)很大程度上改變現(xiàn)有的供電模式，供電的形式將會(huì)從原本的基站DC48 V 輸出、AC220 V輸入轉(zhuǎn)換成為母站DC48 V配合HVDC240～380 V輸出、AC220 V輸入，子站DC48 V或者AC220 V輸出、HVDC240～380V輸入。

1 5G組網(wǎng)發(fā)展及設(shè)備供電

目前的2G網(wǎng)路、3G網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)大部分都是靠宏基站與微基站來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋，其中宏基站為主，微基站為輔，微基站的作用主要是改善宏基站網(wǎng)絡(luò)覆蓋存在盲區(qū)的現(xiàn)象，同時(shí)緩解數(shù)據(jù)流量與高流量的區(qū)域話務(wù)量。針對(duì)低層的樓房和沿街商鋪等信號(hào)覆蓋比較差的地段，可以采取彌補(bǔ)微基站宏網(wǎng)覆蓋盲區(qū)的方式。傳統(tǒng)的宏站都有著位置較高、覆蓋面積不廣等問(wèn)題，而微基站就可以達(dá)到覆蓋面積增大的目的。微基站宏網(wǎng)的容量吸熱功能一般用在商業(yè)區(qū)這些熱門的位置，業(yè)務(wù)的需求量會(huì)更高一些，從事實(shí)情況而言，宏站的站址更難獲得，微站的安裝則更加簡(jiǎn)便靈活一些，從而擴(kuò)大話務(wù)容量。微站只能幫助宏站的優(yōu)化，故而供電的要求并不高，依據(jù)距離的遠(yuǎn)近來(lái)合適地使用市電是十分可取的[1]。

5G時(shí)代的到來(lái)，室外基站越來(lái)越普遍，一般以3.4G～3.6G與4.8G～5G為主，基站的覆蓋程度和頻率成反向變動(dòng)關(guān)系，頻率上升，基站的覆蓋程度下降，基站的數(shù)量也就不得不有所增多，從而滿足需求。以后的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)也將會(huì)是以宏基站和微基站為主，二者相互協(xié)調(diào)配合，搭配以高站和低戰(zhàn)的組合，全方位提升網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，其中微基站能夠很好地提高網(wǎng)絡(luò)的密度，是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)十分關(guān)鍵的構(gòu)成部分[2]。尤其是隨著LTEV2X、5G物聯(lián)網(wǎng)等無(wú)法中斷類業(yè)務(wù)的不斷被應(yīng)用，逐漸縮小了5G宏站和微站之間的差距，備電的要求也隨著時(shí)間的推進(jìn)而有所提升。

2 基站供電方案對(duì)比

2.1 傳統(tǒng)基站48 V開(kāi)關(guān)電源

現(xiàn)階段，在建立傳統(tǒng)基站時(shí)，往往采取開(kāi)關(guān)電源和市電引入相結(jié)合的方法。以往的開(kāi)關(guān)電源一般由三個(gè)部分組成，第一個(gè)部分是交流配電，第二個(gè)部分則是整流和監(jiān)控，第三部分則是直流的配電。在輸入程序中，交流配電往往使用電壓值大小為220 V/380 V的交流市電，整流部分會(huì)和輸出電流配置連接起來(lái)，交流電在匯入整流的部分后，會(huì)將交流電轉(zhuǎn)化成為48 V的額定電壓，再借助直流母排與直流配電板塊進(jìn)行連接。直流配電板塊會(huì)把電能輸送到各個(gè)通信設(shè)備。

2.2 5G基站供電方式

目前，拉遠(yuǎn)站與微基站數(shù)量的變化趨勢(shì)大致相同，都是在不斷的增加，基站采取的供電方法一般有2類，一類是分散式供電，另一類是集中供電；集中供電又可以被分成兩種，一種是高壓直流遠(yuǎn)供，另一種是集中UPS供電。分散供電則有更多的分類，通常可以分成3種，分別是刀片式的開(kāi)關(guān)電源配備上蓄電池、市電無(wú)后備供電和小型的UPS供電。

2.3 高壓直流遠(yuǎn)供優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)

2.3.1 高壓直流遠(yuǎn)供優(yōu)勢(shì)

（1）隨著5G的進(jìn)程不斷被推進(jìn)，越來(lái)越多的微站會(huì)被設(shè)置在人口密集的地方，如果在引入交流電纜的過(guò)程之中不夠細(xì)致，極其容易造成線纜的破損進(jìn)而帶來(lái)各類的觸電事故。而高壓直流遠(yuǎn)供電纜就可以較好地處理這個(gè)麻煩，其能夠讓電壓懸浮于地面，就算不小心觸碰到單極也不會(huì)那么簡(jiǎn)單地產(chǎn)生觸電意外，從一定程度上大幅度地降低了觸電風(fēng)險(xiǎn)。

（2）采用直流遠(yuǎn)程供應(yīng)的方式，母基站和微型基站都使用一個(gè)母站電表，不必再次要求電力公司安裝單獨(dú)的電表，簡(jiǎn)化了電費(fèi)的繳費(fèi)程序，進(jìn)一步減少了電信企業(yè)的人工成本與費(fèi)用。

（3）高壓直流的遠(yuǎn)程供應(yīng)母站失去了市電之后，蓄電池會(huì)自動(dòng)地維護(hù)子站的電源供應(yīng)，子站具有一定的電力保證功能，可以大幅度提升網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量與用戶的體驗(yàn)感。

（4）使用光電復(fù)合電纜，只需要布置一次線路就能夠大致上處理完成電流供應(yīng)和電流的運(yùn)送問(wèn)題，使得施工的流程與步驟更加的簡(jiǎn)便，進(jìn)一步縮減建造的成本。

2.3.2 高壓直流遠(yuǎn)供的劣勢(shì)

（1）母站再到子站的電量供應(yīng)過(guò)程之中，可能會(huì)涉及到好幾次的能量轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化的過(guò)程之中會(huì)產(chǎn)生一定的能量損失與消耗，從而導(dǎo)致用電成本的提升。

（2）在高壓直流供電的過(guò)程之中，母站與子站之間的電纜一旦發(fā)生線路斷裂、線路漏電、線路短路的問(wèn)題，會(huì)直接影響到子站的電源，甚至可能使得子站無(wú)法得到正常的電源供應(yīng)，此時(shí)可以采取組網(wǎng)的方法進(jìn)行彌補(bǔ)。

3 高壓直流遠(yuǎn)供原理

直流遠(yuǎn)供會(huì)在母基站的開(kāi)關(guān)電源之上接入DC48 V， 將電源轉(zhuǎn)換成HVDC240～380 V，再借助電力電纜將轉(zhuǎn)化后的電源輸送到遠(yuǎn)端站點(diǎn)，遠(yuǎn)端板塊將HVDC240～ 380 V切換至AC220 V，也可以將前者切換至DC48 V再為通信設(shè)施提供電能。遠(yuǎn)端板塊主要有兩種，一種是HVDC380 V～AC220 V，另一種HVDC380 V～DC48 V。一般在進(jìn)行遠(yuǎn)端板塊的挑選時(shí)應(yīng)該以子基站設(shè)備的功能和型號(hào)為基礎(chǔ)，子基站不同，遠(yuǎn)端模塊也會(huì)不同。

4 新型開(kāi)關(guān)電源方案

4.1 5G基站新型開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)原理

圖1展示了5G基站新型開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)行原理。如果市電供給配備運(yùn)行正常的情形下，本基站的通信設(shè)施主要的電能提供來(lái)源是48 V開(kāi)關(guān)電源，母站直流遠(yuǎn)供局的端口會(huì)直接對(duì)市電進(jìn)行轉(zhuǎn)化，讓其成為240～380 V的高壓直流，然后經(jīng)過(guò)相關(guān)設(shè)備傳送到遠(yuǎn)端子基站，子基站的遠(yuǎn)端板塊能夠轉(zhuǎn)化電能，讓電能轉(zhuǎn)化成AC220 V或者DC48 V的電源，從而為通信設(shè)備提供電能。5G母基站只用在電能轉(zhuǎn)化的過(guò)程之中利用新型開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行一次能量的轉(zhuǎn)化，能量的減損僅僅在8%左右。而以往的直流遠(yuǎn)端提供需要經(jīng)由開(kāi)關(guān)電源先轉(zhuǎn)化成DC48 V之后，再轉(zhuǎn)化成HVDC 240～380 V， 總共需要兩次的電能轉(zhuǎn)化，經(jīng)過(guò)計(jì)算，能量的損失與消耗大概等于15.4%。

在市電被截?cái)嘀螅?8 V蓄電池可以借助ATS的轉(zhuǎn)換來(lái)為DC/DC變換器提供電能，后者可以把48 V的蓄電池電能轉(zhuǎn)化成為HVDC240～380 V的電能，為子站提供充足的電能。

圖1 5G基站新型開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)原理圖

4.2 5G基站新型開(kāi)關(guān)電源設(shè)備結(jié)構(gòu)

5G新型開(kāi)關(guān)電源是直流電源和開(kāi)關(guān)電源遠(yuǎn)處供給模式的高效結(jié)合，能夠讓兩臺(tái)形態(tài)與功能不同的兩臺(tái)設(shè)備結(jié)合成為一整套開(kāi)關(guān)電源。這款新型的電源主要使用具有一定模塊的架構(gòu)，依據(jù)功能的不同可以分成4個(gè)部分：交流配電、HVDC控制切換板塊、HVDC開(kāi)關(guān)電源、48 V的開(kāi)關(guān)電源。在基站沒(méi)有計(jì)劃為它的子基站提供電能時(shí)，可以不必優(yōu)化HVDC控制轉(zhuǎn)換板塊的功能與其開(kāi)關(guān)電源板塊的配置，可以適當(dāng)?shù)乜s減初期的建設(shè)投入，從而保證不干擾后續(xù)的建設(shè)。一旦確定在這個(gè)情境之下以后都不會(huì)再應(yīng)用HVDC的時(shí)候，可以適當(dāng)?shù)乩迷O(shè)備未被使用的空間用以嵌入形式的鐵-鋰電池組的安裝。

一般交流配電主要有備用輸出分路與其對(duì)應(yīng)的插座、市電輸入、48 V開(kāi)關(guān)電源的輸出分路、SPD防雷模塊與預(yù)防雷電的空開(kāi)、HVDC開(kāi)關(guān)電源輸出分路等。HVDC控制轉(zhuǎn)換板塊能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的切換，同時(shí)也支持手動(dòng)編輯與設(shè)置。在轉(zhuǎn)接為自動(dòng)切換檔，當(dāng)市電滿足條件的時(shí)候HVDC開(kāi)關(guān)電源可以將市電作為首要考慮的用電來(lái)源，當(dāng)市電出現(xiàn)供電故障的時(shí)候，HVDC應(yīng)該使用48 V的蓄電池來(lái)提供電能。

4.3 5G基站新型開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)空間

現(xiàn)如今我國(guó)一共有近190萬(wàn)個(gè)基站，預(yù)期幾年之后，運(yùn)營(yíng)商會(huì)新建設(shè)幾百萬(wàn)個(gè)5G基站。5G新型開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用能夠大幅度提升4G拉遠(yuǎn)站、5G拉遠(yuǎn)站、微基站HVDC的電能供給速率與效用，減少大概8%的用電耗費(fèi)。根據(jù)每個(gè)拉遠(yuǎn)站和每個(gè)微基站2500元一年的耗電費(fèi)用來(lái)計(jì)算，每個(gè)基站每年大約能夠節(jié)約200元電費(fèi)，而200萬(wàn)個(gè)基站一年總共可以節(jié)約4億元左右的耗電費(fèi)用，非常符合國(guó)家與企業(yè)能源的節(jié)約排放的減少，具有非常好的發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)連接基站中新型開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用的分析與研究，簡(jiǎn)單地描述了其中的機(jī)理與相關(guān)的連接架構(gòu)。新型基站開(kāi)關(guān)電源一方面可以確保能源的節(jié)省和排放的減少，另一方面在用電的成本方面一年僅為傳統(tǒng)電源應(yīng)用情況下的92%。因此，在建設(shè)新基站或者對(duì)原有基站進(jìn)行改造時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮新型開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用，并引入高壓直流遠(yuǎn)供技術(shù)，進(jìn)一步補(bǔ)充完善基礎(chǔ)建設(shè)，優(yōu)化其功能。