高壓直流遠供在5G建設中的應用

謝利強

（廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引 言

近年來，移動通信技術發展迅猛，技術迭代層出不窮，移動通信深刻改變了人們的生產、生活方式。而新一代無線通信技術5G的日益普及，將使人們的生活更加豐富多彩。

2020年3月，中共中央提出要加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度，使經濟發展邁入新的階段。5G網絡建設作為“新基建”的領頭羊已成為推進數字經濟發展的先導領域，是推動數字經濟社會高質量發展的重要引擎。

基于5G網絡建設實踐，針對5G網絡設備功耗大與供電緊張的矛盾，提出一種儲能站+高壓直流遠供的供電解決方案，以推動5G網絡“更快、更省、更高效”的建設。

1 5G建設中供電面臨的困難

由于目前5G網絡設備滿載功耗3.5～4.0 kW，是4G設備功耗的2.5～3.5倍。5G單系統市電容量需求為8～10 kVA，而當前已有存量基站的市電引入容量普遍在10～20 kVA，可利用余量不足，對基站的市電保障和后備電源提出了巨大挑戰。

1.1 市電增容改造難

受限于上級變壓器容量和供電部門可提供的增容空間限制，以及工程實施前基站外市電引入現狀的摸排信息準確性及可用性，包括當前引入容量、上級變壓器可免費增容容量、引入線纜規格以及斷路器容量等。

對于原引入為轉供電方式的基站，如果業主側引入容量不足，在綜合考慮業主用電和基站用電需求后由業主向供電部門申報增容。

1.2 轉供電改造困難

原供電方式為轉供電的站點，受限于業主側引入容量、業主與基站用電需求及引入線纜規格等因素。如果引入容量不足，則確認用電需求后由業主向供電部門進行增容申報，并根據引入線纜情況進行必要的改造。如果無法增容，則需重新引入一路外電或進行轉改直改造。

1.3 拉遠站增設后備電源問題

基站原建設方式為交流拉遠供電，無后備電源或后備電源容量配置較低。在5G時代，由于無人駕駛、工業生產中工業機器人等場景應用與5G的緊密結合，對5G基站后備電源的穩定保障提出了很高要求。

1.4 后備電源擴容難度大

后備電源擴容主要通過新增或替換方式進行，受限于機房/機柜可用空間、機房/機柜所在樓面承重負荷、原有后備電源配置情況及實際運行狀態等因素，并統籌考慮經濟效益評估方案選擇最優建設方案。

1.5 5G站址密集，供電環境復雜

5G基站覆蓋范圍與工作頻率有關，從目前主流的3.5 GHz頻率組網來看，密集市區站間距在200～300 m，一般城區與縣城在300～400 m。較弱的覆蓋能力需要建設更多的站址才能滿足5G網絡連續覆蓋要求。

密集站址的建設對供電保障也提出了巨大挑戰，由于城區供電環境的復雜性，在市電增容、后備電源擴容等建設方式中都存在建設難度大、投資回收期較長等問題。

2 高壓直流遠供解決方案

隨著通信技術的發展和移動通信業務的不斷擴大，5G網絡建設大力推進，宏基站、小基站、微基站及MIMO等設備布網密度越來越大，要求供電系統傳輸距離更遠、傳輸功率更大，單站點用電負荷是現有網絡的3倍及其以上，而現行的380 V/220 V交流拉遠、48 V直流遠供電源系統等配電方式已不能滿足通信網絡深入優化、應用不斷延伸的需求，尤其不能滿足5G網絡設備（如宏站、微基站、MIMO等）高密度分布、總體耗電激增的需求。

2.1 設計思路

改變傳統外電引入單站單點設計思維，結合儲能站址建設，通過供配電綜合解決方案以點帶面，統籌考慮供配電網絡與儲能站，從供配電網視角對站址規劃進行網格化劃分，以供配電微網建設為抓手，實現網格內基站供電保障綜合解決。

通過能源管理系統平臺，供配電微網形成規模不大的獨立系統，自主實現自我控制、保護和系統管理的功能，既可以與外部供電網協同運行，也可以獨立運行。

利用削峰填谷、光伏供電、鋰電儲能等方式，在合適的基站建設儲能基站，與周邊基站通過高壓直流遠供系統組合成供配電微網。通過高壓直流傳送方式，儲能站對網格內所有基站進行不間斷供電。同時，通過能源管理平臺，實現對網格內所有基站的統一集中管理與調度。

通過供配電微網方案，可取消網格內儲能站外其他站點的電源柜、空調、電池等設備的配置，節約投資；可實現集中供電、集中管理、集中維護；網格內應急發電工作集中到儲能站，節省成本、人力，提升應急保障能力；實現維護“保一點帶多點”的模式，達到零斷站目的；解決拉遠站無備電或備電能力弱的問題，提升通信設備的穩定性和網絡保障能力。

2.2 系統組成

高壓直流遠供系統是一種獨立的電源系統[1]，由局端和遠端共同組成。將儲能站穩定的-48 V直流電或380 V/220 V交流電經局端機升壓、隔離、保護處理后，成為懸浮的直流高壓電流，通過電力電纜、光電復合纜或通信電纜[2]等傳送至遠端站點，并經遠端機隔離、保護處理后，接入站點通信設備，實現遠端站址穩定供電保障。

目前，一些通信設備無需DC/AC轉換，支持240 V等高壓直流系統的直接接入。

在高壓直流遠供系統中，儲能站擔負著微網網格內大腦角色，通過儲能站實現削峰填谷、需求側響應等功能，同時采用高質量儲能電池建設集中式儲能基站，可以發揮跨電網配電臺區進行聯網的優勢，并可利用儲能站儲能電池集中堆放優勢，探索光伏、風力等新能源發電技術應用。

2.3 應用場景

高壓直流遠供系統應用場景主要包括不具備外市電引入條件或引入費用較高的站址，市電穩定性差、原引入為轉供電等需進行改造的基站，存在新建站串行分布的高鐵、高速覆蓋場景，景區、高山等場景維護成本高、發電難度大、成本高的站址。

2.4 規劃方法

分析現網存量站址供電、用電情況，并結合年度站址滾動規劃方案，以供電綜合解決方案、電費打包交易和需求側響應為抓手，制定儲能+高壓直流遠供解決方案。

2.4.1 分析用電環境

現網基站供電、用電環境包括現網基站外市電引入方式、引入容量，最近一年現網基站電量消耗數據，最近一年全網基站斷電頻次、斷電時長分析結果，轉供電高發區域，拉遠站高發區域，高電價區域，偷竊電易發生區域，公網變壓器分布、自建變壓器分布區域。

2.4.2 嵌入站址滾動規劃成果

將年度站址滾動規劃結果嵌入高壓直流遠供方案規劃中，統籌分析新建站址規劃、存量改造站址規劃，為供配電微網網格規劃、優化提供數據支撐。

2.4.3 積極利用電費優惠政策

協商供電部門，積極利用電費優惠政策，參加電費打包交易，利用電費高峰時段需求側響應，借助儲能站儲能優勢，充分發揮削峰填谷技術在供電保障方面的作用。

2.4.4 制定高壓直流遠供解決方案

根據前述分析數據，統籌考慮存量站址改造工作和新建站址分布，進行電力網格劃分。以網格為單位，積極利用網格內新建站址或機房、供電條件均較好的存量站址作為儲能站，以點帶面，進行高壓直流遠供解決方案實施、建設，以此改善網格內站址供電環境。

2.5 設計方法

高壓直流遠供解決方案包括儲能站選址、設計及網格內直流遠供系統設計。

2.5.1 儲能站建設

儲能站選址優先選用網格內新建站址，其次選用機房空間、供電條件均較好的存量站址[3]作為儲能站進行建設。

儲能站利用高質量儲能電池進行儲能，并通過能源管理平臺對網格內站址遠供供電進行統一管理和調度[4]。

2.5.2 高壓直流遠供系統建設

儲能站局端設備將直流48 V電源的電壓升壓為240 V/336 V/600 V等高壓直流[5]，通過專用電纜或光電復合纜傳送至遠端基站，經遠端設備將電壓降低至直流-48 V或交流220 V對通信設備進行供電。高壓直流遠供系統原理圖如圖1所示。

2.6 方案分析

在傳統的基站建設中，外電引入多以“一站一引”方式實現，引入成本高，后期維護及擴容難度較大。與傳統基站供電方式不同，集中高壓直流遠供系統供電成本相對較低，引入方式靈活。并且由于設備數量減少，在提高系統維護、監控效率的同時可降低運維成本。傳統供電方式與高壓直流遠供的不同之處具體見表1。

圖1 高壓直流遠供系統原理

表1 傳統供電方式與高壓直流遠供對比

3 結 論

由于各基站情況不同，建設方式、現網負荷、外電引入方式及引入容量、5G部署情況等存在差異，各地建網策略的差異會影響工程建設的實施。所以，在實際工程建設中應因地制宜，充分分析現網運行數據，并考慮遠期規劃情況，合理進行網格劃分、儲能站規劃及高壓直流遠供解決方案的應用，結合投資效益評估及工程實施進度要求，使建設方案最優化。