5G基站電源配套綜合解決方案

周 丹，査先毅

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 5G基站供電面臨的挑戰

1.1 設備功耗大幅增加

5G無線設備主要包括BBU和Massive MIMO AAU。相比于4G設備，AAU面積略有減小，重量有所增加，整個基站的功耗大幅增加。4G功耗和5G功耗的對比情況如圖1所示。

圖1 4G功耗和5G功耗的對比

1.2 市電擴容困難

宏基站內包含現網的無線2G設備、3G設備、4G設備、現網傳輸設備、其他業務設備以及空調配套設備。原有宏基站的市電容量為15～30 kW，若新增3家運營商5G設備，則新增市電總功耗為25～40 kW。因此，需對原有站點進行市電擴容，從市電總容量、市電引入以及市電配電回路等幾個方面進行改造。

1.3 機房供電和備電能力受限

1.3.1 機房供電能力問題

現有基站機房內多數設置2～3套開關電源為無線設備、傳輸設備及其他設備供電。它的滿架容量為600 A，實際使用容量約200 A。現有組合式開關電源直流配電大容量端子較少，且大部分已被前期的其他設備占用，因此無法滿足5G設備的直流配電需求。

1.3.2 機房電源備電問題

5G站點功耗增大。按照傳統的備電策略，假設蓄電池的后備時間為4 h，若統籌考慮多家運營商設備的用電負荷，需配置2 000 Ah及以上的蓄電池組。傳統鉛酸電池的重量大且體積大，使得站點樓面承重和空間都將面臨巨大挑戰，實施難度極大。

1.4 5G站點建設需求對空間的挑戰

常規機房要求綜合考慮建設的經濟性、實施難度以及超前性。要想滿足以上裝機需求，每個機房需滿足3個裝機機柜。重點機房需考慮傳輸節點和供電節點位置，需滿足綜合接入機房和DU集中機房的要求，因此每個機房需滿足5～6個裝機機柜。

目前，機房內已有設備使得柜體內部剩余的安裝空間不足，無法滿足5G設備裝機需求。5G設備新增機柜時不僅需要新增安裝面積，而且需同步考慮電源和空調配套設備的建設。大部分機房5G新增設備安裝空間面臨著巨大挑戰，且電池的安裝對承重要求較高，因此現有部分機房結構條件無法滿足裝機需求。

2 5G基站建設原則

為了應對5G部署對能源的挑戰，提升運營商的投資效率，5G基站建設需滿足快速建設、高效節能以及兼容平滑演進等需求。

2.1 快速建設

5G基站的配套建設靈活且快速?，F有改造站點應盡量減少市電改造和機房擴容，從而免去談判和整改時間。對于5G新建站點，則可采用占地小、簡捷快速的安裝方案。

2.2 高效節能

5G基站配套不能單純考慮某個設備或元器件的節能，應該綜合考慮基站配套各系統和全網配套管理的節能。

2.3 兼容平滑演進

目前，5G基站建設絕大部分是對現有存量站點的改造，所以5G基站的供電及配套解決方案需兼顧現有基站的情況，實現平滑演進。

3 5G基站電源配套綜合解決方案

3.1 宏基站電源綜合解決方案

目前，基站電源系統主要采用220 V/380 V交流市電引入+通信電源的模式。這種模式主要由市電電源系統（220 V/380 V市電引入及變壓器系統）、交流配電系統、直流配電系統（包含48 V高頻開關電源、后備蓄電池組及直流配電設備）以及后備發電系統（多為移動油機和部分站點配置固定油機）組成。市電電源系統將一路380 V交流市電接入機房內的交流配電箱（屏），交流配電輸出連接至基站內開關電源的整流單元，整流單元將220 V/380 V交流整流成48 V直流電源。開關電源通過直流配電單元輸出至直流配電屏（箱），從而將電能分配輸出至無線、傳輸及其他設備使用。48 V后備蓄電池組在市電有電時并接在系統中浮充電，停電時通過開關電源的直流配電單元為設備供電，從而保證為通信設備24 h不間斷供電?；竟╇娤到y的組成如圖2所示。

圖2 基站供電系統組成圖

3.2 直流遠供技術

3.2.1 總體技術介紹

5G基站中，直流遠供是一種新型的供電方式。通過局端基站將直流升壓至遠端基站，遠端基站通過調壓給設備供電。對于直流遠供新型供電方式，新建連片或高鐵沿線基站可以選擇局端基站向兩邊的遠端基站進行直流遠供（目前高鐵沿線基站應用較多）。5G基站的直流遠供方式如圖3所示。

圖3 5G基站直流遠供方式

直流遠程供電系統由近端的局端設備、遠端設備以及拉遠部分3部分組成。它可以將機房內的-48 V通信直流電源通過局端設備升壓到250～410 V，并通過拉遠部分既光電混合纜或電力電纜遠距離輸送至遠端供電設備，再由遠端供電設備將高壓直流降壓為48 V直流或其他電壓，為供電負載（如RRU和微基站等）進行供電。

3.2.2 高壓直流遠供優勢與劣勢

（1）高壓直流遠供的優勢。5G建設將在密集城區建設大量的微站，因此對市電需求較多。在現有市電無法增容的情況下，采用集中式高壓直流遠供方案可解決部分站點電力引入困難的問題。如果拉遠站和微站采用分散式供電方案，那么需在每個站點都配置開關電源和蓄電池組，且部分站點需要配置多組蓄電池。采用直流遠供可以根據各拉遠供電站點的用電總容量配置較大容量的蓄電池組，從而減少蓄電池的組數，降低蓄電池組總的配置容量。

（2）高壓直流遠供的劣勢。高壓直流遠供從近端站至遠端站的供電，需先升壓再拉遠輸電。末端降壓經歷3次電能轉換，轉換過程中損耗較大，用電成本較高。高壓直流遠供近端站和遠端站之間的電纜出現中斷、漏電或電源短路情況，會造成遠供站點停電，需通過更可靠的組網方式如雙電路冗余方式進行解決。

3.2.3 微基站電源綜合解決方案

（1）市電引入。微站站點多采用轉供電，通過物業變壓器或住戶用電直接引入。轉供電采用物業變壓器直引到微站機房時，根據微站需求核算各拉遠設備的總用電功耗。考慮多家運營商需求，容量預估為3.5～10 kW。核實物業變壓器輸出柜斷路器容量是否滿足設備用電需求，若現有物業斷路器開關無法滿足設備的用電需求，則需替換斷路器開關或重新引入大容量斷路器，并核算確認引入線纜的路由和線徑。轉供電采用住戶用電直引到機房時，根據微站設備需求核算各總用電功耗?？紤]多家運營商需求，容量預估為3.5～10 kW。按照機房規劃總用電量，重新引入外市電，同時需適當預留較大的斷路器容量和引電電纜線徑。

（2）后備發電系統。普通微基站一般不設置固定后備發電系統。考慮到微基站的重要性，可設置移動發電機組，移動發電機組容量建議配置為15～30 kW。

（3）電源系統。在多個微站分散供電的應用場景下，應采用遠供方式進行供電，其傳輸電壓范圍為225～350 V。根據局端供電電源的差別，局端可配置48 V開關電源，先進行局端升壓后再遠供拉遠，遠端降壓后為遠端通信設備供電。局端配置高壓直流電源時無需在局端升壓，可直接遠供拉遠，然后在遠端降壓后為遠端通信設備供電。容量較大的基站，考慮到一定的壓降，可以采用直接遠供后不降壓的方式進行供電。對于與城市公共設施如燈桿等一體化建設的基站，可采用緊湊型架構的供電方案，將電源模塊安裝在室外機柜內。共建共享設施5G供電架構如圖4所示。

圖4 共建共享設施5G供電架構

電源模塊中主要包含整流單元和直流配電單元。整流單元配置容量為3～9 kW。室外采用鋰電備電方案，根據不同的供電容量和后備時長，確定不同鋰電池的備電時間。電源模塊應具備多樣化輸入、模塊化、高集成度、適應范圍廣以及節省安裝空間等特點。微站采用一體化建設，配置緊湊型電源模塊時，也應根據室外安裝環境配置浪涌保護器。防雷器IP等級需考慮室外安裝場景，最大通流容量則需根據具體安裝環境條件確定。

3.3 新能源新技術方案

3.3.1 削峰填谷

無線設備的負載峰值與典型值相差巨大，通過疊加蓄電池組，根據每天峰谷電價情況設置錯峰用電功能，實現谷價（既在夜晚，電費較低、話務較少）時段使用外市電（電池儲能）而峰價（既在白天通信設備負荷高峰期，電費較高、話務較少）不使用外市電或者部分使用外市電（電池放電）的功能，最終達成降低電費的目的。此外，電源系統通過控制和算法，可以利用電源限功率或者儲能電池補充放電，結合基站通信設備負載波動情況，降低站點業務峰值負載對市電輸入容量的需求。

3.3.2 精準智能電源研究

目前，基站內蓄電池多為開關電源提供系統后備時間?，F有基站開關電源設置一次下電回路和二次下電回路，為無線設備和傳輸設備提供差異化的后備時間。

根據目前5G業務的多元化，不同客戶和不同場景在同一電源上可設置多種類備電模式，以區分不同的業務種類。精確計算每種不同業務種類的后備時間，設置多個下電模式，匹配多種類鐵鋰、鉛酸或梯級電池，可為不同客戶和不同場景提供不同的備電時長。開關電源系統可支持智能削峰、智能疊光、智能錯峰以及精準備電等特性，以滿足持續演進需求。電源系統采用模塊化設計，不同模塊按需配置。

3.3.3 多種類電池共用

目前，多家運營商的5G基站在大規模推廣鐵鋰電池。鐵鋰電池較傳統鉛酸電池，在循環放電次數和放電性能等方面具有較大優勢。與普通鉛酸電池相比，磷酸鐵鋰電池具有以下顯著優點[1]：重量輕，約為同等容量鉛酸電池的1/2；占地面積小，一般為鉛酸電池的1/3～1/2；充電速度快，可在1～2 h內快速充滿（快速充電充電電流較大）；高倍率放電且容量損失小，在放電電流小于1 C時（C為電池額定容量），能放出95%以上的額定容量；工作溫度范圍寬，一般為0～45 ℃。

鐵鋰電池在5G通信基站中常見的使用模式有兩種，一種是鐵鋰電池單獨備電，另一種鉛酸鐵鋰電混搭。

（1）鐵鋰電池單獨備電。鐵鋰電池體積小、重量輕且放電能力強，可適應于現有5G基站機房配套安裝面積小的場景，并且可以有效降低對機房荷載的需求，減少結構改造。此外，由于溫度的適應范圍寬，因此可配合機房節能減排方案，有效降低空調能耗。基站內配置容量多為200～800 Ah的鐵鋰電池，建議鐵鋰電池并聯組數為2組，且需配置BMS電池管理系統。

（2）鉛酸鐵鋰電混搭。根據通信電源的使用規范，不同型號、不同容量、不同廠家以及不同時期的蓄電池不能混用。5G存量站點存在多組鉛酸電池和鐵鋰電池并行使用的情況，需應用電池合路器有效提高蓄電池的利用率。具體的，將鉛酸蓄電池和鐵鋰電池接入電池合路器的不同端口，在合路器端口設置不同的電氣參數，從而實現對不同類型電池的并行或分組使用。對于新型合路器，可通過合路器的不同端口控制不同電池的主要電氣參數，如充電電壓、放電電壓以及電流等，從而實現對不同類型電池的公用管理、靈活擴容以及電池充放電控制。既能夠確保蓄電池的安全供電，又能實現電池的靈活擴容。有效利用基站現有的蓄電池組資源，可降低整體建設的運維成本。

4 結 論

綜上所述，本文按照基站類型分類提出相應的電源綜合解決方案，還提出了削峰填谷、多種能源接入以及多路電池共用新能源新技術電源的綜合解決方案。