基站新型多系統協同供備電設計分析及應用

嚴國軍，黃顯良，段春旭

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

1 基站新型供備電設計背景

1.1 基站傳統供備電概述

基站電源配套包括交流供備電系統、直流供備電系統、溫控系統、照明系統、站點監控系統等，其中交流供備電系統包括UPS、變壓器、低壓交流配電柜、基站交流配電箱、基站交流防雷箱等；直流供備電系統則包括交流配電單元、整流單元、電源監控單元、蓄電池等；UPS包括交流配電單元、整流單元、逆變單元、UPS監控單元、旁路單元、蓄電池等。

基站直流供備電線路設計為由高壓配電房/箱基站市電引入搭火，經過變壓器降壓輸出到低壓交流配電柜，再從低壓交流配電柜輸出端進行基站市電引入搭火并送入基站交流防雷箱、基站交流配電箱，再輸出給直流供備電系統提供市電輸入，由直流供備電系統轉換成DC-48V給基站直流設備供電與DC-48 V蓄電池充電，直流供備電系統對輸入輸出、配電與蓄電池充放電等進行管理，在市電掉電后，由蓄電池放電輸出給基站直流設備供電續航，完成基站直流設備的供備電過程。

基站交流供備電線路設計為由高壓配電房/箱基站市電引入搭火，經過變壓器降壓輸出到低壓交流配電柜，再從低壓交流配電柜輸出端進行基站市電引入搭火并送入基站交流防雷箱、基站交流配電箱，再輸出給基站交流設備供電，完成基站交流設備的供電過程；若基站交流設備對備電有需求，則基站交流配電箱輸出給UPS提供市電輸入，然后由蓄電池給基站交流設備供電續航，完成基站交流設備的備電過程。

宏基站傳統供備電設計一般采用基站直流供備電線路，只有特殊需求的站點如高鐵、地鐵、隧道等的信號覆蓋需要進行基站交流供備電線路設計。

小型基站或微基站一般部署于街邊地面、樓面、樓道等，主要設備包括Book RRU、Easy Macro、Macro、PADRRU、MRRU等，傳統供備電方式一般采用集成溫控、交流配電、開關電源插框、直流配電、站點監控、蓄電池等的小型室外一體化機柜實現直流供備電，機柜一般可落地、壁掛、抱桿安裝，但如室內分布皮基站、地鐵站廳站臺之類的室分系統一般使用UPS交流供備電方式。

基站傳統搭火市電引入線路示意如圖1所示。

圖1 基站傳統搭火市電引入設計線路示意圖

1.2 基站新型多系統協同供備電概述

（1）市電引入近端搭火。市電引入是基站配套建設重要一環，普遍存在市電輸入點距離較遠的問題，導致線路敷設成本高、線路損耗大。據不完全統計與預估分析，野外基站建設市電引入高壓部分600 m架空鋼鋁芯絕緣架空線35 mm2投資成本約占基站配套投資的30%左右，市電引入低壓地埋部分600 m投資成本約占基站配套投資的40%左右，綜合評估市電引入1.2 km投資成本約占基站配套投資的70%左右。新型基站市電引入近端搭火設計使用創新工具實現從電網輸電線纜直接搭火引電，將市電輸送入基站供備電系統，能大幅度縮短引電距離，進而減少市電引入投資，實現低成本建站，縮短基站投資回收期。同時也能降低線路損耗，為通信企業降碳增效，節能減排。

（2）井蓋供備電。基站傳統機房/機柜設置于地面，占用地面空間，租金貴且談點難。市面上已有的換氣式地埋電池柜只能采用12 V或2 V鉛酸蓄電池，且不可安裝電源及配電系統，只能結合地面機房/機柜實現基站設備供備電，創新性仍較差，使用起來壽命、可靠性、實用性較差，在城市中可供埋入供電柜的地面也比較少，成本比較高。井蓋供備電機房/機柜（包括自建地下空間的機房/機柜即地埋機房/機柜、市政檢查井與雨水井等）為街邊、人行道、路面等社會共享桿站、市政容貌要求不能建機房或立柜的站點、小型基站/微基站等提供有效的供備電解決方案。新型基站井蓋供備電機房/機柜設置于地表以下，不占用地面空間，減小基站管線管網路由長度，溫濕度波動幅度要小得多則減小溫控配置或免溫控設計，降低基站能耗。

（3）塔上風光互補供備電/補電。可再生資源豐富的地區可采用風能供備電、太陽能供備電、風光互補供備電、風/光/柴/農電互補供備電設計實現該地區的基站通信設備供備電，基站傳統新能源供備電均安裝于通信鐵塔地面，占地面積大、租金成本高。塔上風光互補供備電/補電安裝于通信鐵塔上，可與交流供備電系統、直流供備電系統、井蓋供備電系統等經多系統控制與管理單元合路后按比例輸出電能，協同為基站設備供備電。基站塔上風光互補供備電/補電塔綠色發電補電，為可再生資源豐富且市電引入困難的站點、市電引入容量不足而需補電的站點等提供有效的綠色基站供備電/補電解決方案，為通信企業降碳增效，節能減排。

2 基站新型供備電設計分析

2.1 基站市電引入近端搭火設計

基站選址要求考慮市電引入靠近配電網電力桿塔附近配電箱、配電網桿塔附近配電箱，搭火點在配電箱輸出開關處獲取。新型近端搭火市電引入則考慮市電引入靠近配電網輸電線纜，搭火后將市電輸送入基站降壓變壓器或低壓配電箱，再輸入到基站供備電系統，實現基站市電引入。

根據設計要求：（1）使用新型在網搭火工具進行，達到380 V/220 V低壓絕緣與安全等級情況下，盡量對應為市電380 V/220 V低壓電網搭火操作；（2）搭火點在市電電網線路受力最小的位置使用單孔（小功率）或多孔（大功率）引線，使用但不限于強打螺釘加澆注或焊接等方式（創新方式），實現單點搭火或多點搭火；（3）為了保證搭火安全，采取受力加強處理或者外部絕緣處理的方法，使搭火點充分接觸與輸送電能，搭火點接觸損耗盡量降到最低；（4）新型的在網搭火工具/定制固定工具具有創新性與特殊性，如變壓器電纜借助帶螺紋防盜連接器與輸電電力線纜連接并澆注或焊接加固等等。搭火后輸電線引入基站市電變電箱或者交流配電箱，實現基站市電引入的快、準、短，降低線路損耗，節能減排。基站新型近端搭火設計示意如圖2所示。

圖2 基站新型近端搭火設計示意

2.2 基站新型井蓋供備電

基站新型井蓋供備電包括基站地埋機房/機柜供備電、雨水井供備電與檢查井供備電3種。

（1）基站地埋機房/機柜供備電。基站地埋機房/機柜為開放式，機房/機柜內安裝可移動機柜的導軌，一體化機柜安裝在導軌上，機柜內部安裝模塊化開關電源、蓄電池、站點監控等滿足通信設備供備電需求的系統/單元/設備，當安裝機房/機柜內設備時，將安裝導軌拉出地面，接著將機房/機柜暫時固定在導軌上并限位，然后在機房/機柜中安裝模塊化開關電源、蓄電池、站點監控、通信設備等，最后放開固定于限位并將機房/機柜放入地下，關閉或蓋上機房/機柜門/蓋子（可理解為井蓋），實現地埋機房/機柜供備電設計。基站地埋機房/機柜供備電設計示意如圖3所示。

圖3 基站創新地埋機房/機柜供備電線路示意

開放式機房的、帶導軌的基站創新地埋機房/機柜為基站設備供電的新思路，目前未有相關應用，但隨著5G網絡深度部署，基站密度不斷增加，在共享社會桿塔部署基站情況下，基站機房/機柜問題仍然是這一類基站建設尤為凸出的問題，基站創新地埋機房/機柜供備電方式將得到充分的驗證與應用。

（2）雨水井供備電。雨水井供備電系統主體為雨水井成型模組，雨水井成型模組則由井蓋、兩個埋地柜以及柜內供備電設備等組成，雨水井成型模組與井蓋相結合形成可卡扣并穩固的固定在市政雨水井口空間里，井蓋的底部設有連接機構，兩個柜內設備之間通過底部走線模塊相連接，電力線纜、通信線纜等走線模塊、機柜線槽、管線連接到地面桿塔上，給基站設備供備電。雨水井基站供備電設備設計具體參考文獻[1]。

（3）檢查井供備電。檢查井供備電系統包括檢查井、上機柜、下機柜以及供備電系統設備等組成，檢查井的井座固定在地面上，井座上適配放置有井蓋，井蓋下方設有中空的上機柜；上機柜的底面設有用于連接下機柜的連接口；下機柜的底部和側壁均封閉，以適配的形狀尺寸安裝在檢查井下；上機柜與機柜相連接后與井蓋固定隨井蓋取出后操作，也可以獨立固定在井下打開井蓋后操作；蓄電池模塊和電源控制模塊適配安裝于下機柜中；電力線纜、通信線纜等機柜過線孔、管線連接到地面桿塔上，給基站設備供備電。檢查井基站供備電設備設計具體參考文獻[2]。

在共享社會桿塔部署基站情況下，街邊、路邊、小區等已有市政雨水井、檢查井等地下空間公共資源豐富，這類資源可立即申請并利舊，同時還能改造并解決現有雨水井、檢查井等存在的承重、安全、可靠等問題，并在雨水井、檢查井中部署基站設備供備電所需的雨水井、檢查井供備電系統，實現井蓋供電方式設計及應用。

在未來，地埋機房/機柜可設置地熱能源供備電系統，補充站點重要設備不間斷工作的電能，綠色發電，節能減排。

2.3 基站塔上風光互補供備電/補電設計

基站塔上風光互補供備電/補電系統主要由風力發電機組、太陽能光伏電池組、控制器、蓄電池、逆變器、智能管理平臺等部分組成，是集風能、太陽能及蓄電池等多種能源發電技術及系統智能控制技術為一體的復合可再生能源發電系統，風力發電機組、太陽能光伏電池組安裝在通信鐵塔上，控制器、蓄電池、逆變器等則安裝在地埋機房/機柜。

2.4 多系統協同供備電控制與管理設計

新型基站市電引入近端搭火設計使用具有創新性/特殊性的市電搭火工具從電網輸電線纜直接搭火引電，將市電輸送入地埋機房/機柜（集成模塊化電源）或井蓋供備電系統，多系統控制與管理系統將井蓋供備電系統與塔上風光互補供備電/補電系統等多個供備電系統合路后按比例輸出電能，多系統協同給基站設備提供綠色、安全、可靠、穩定、快捷的供備電/補電，即為多系統協同供備電設計。

多系統協同供備電則由多系統協同供備電控制與管理系統實現，多系統協同供備電控制與管理系統對風能、太陽能、電網市電等多路輸入進行智能監控，對多個供備電系統進行控制與管理，按預定比例輸出電能，且可控制調節或發送控制調節指令使各系統轉換效率達到最佳值，協同輸出給基站設備提供綠色、安全、可靠、穩定、快捷的電能。

3 基站新型多系統協同供備電設計應用示例

3.1 站點地下機房/機柜設計

示例基站為拉遠社會共享桿塔站，主設備配置3個RRU（4G），設備DC-48 V總功率960 W，備電3 h。

（1）耗電量。基站設備全天工作每日耗電量=960 W×24 h/1000=23.04度（kWh）。

（2）蓄電池容量。蓄電池只為備電設計，按備電3小時計算鋰電池總容量為100 Ah/51.2 V，蓄電池放電電量=23.04×3/24=2.88 kWh，鋰電池容量計算公式及過程如表1所示。

表1 鋰電池計算公式及過程

（3）按“井蓋供備電：風能供備電：太陽能供備電=6：2：2”進行配置。根據備電3 h計算，鋰電池充電功率為100 Ah×56.4 V×0.1=564 W，則示例站點直流總功耗為1 524 W，地下機房/機柜機房供備電系統輸出功率需滿足914.4 W要求，則配置1個轉換效率大于96.5%的1 kW一體化電源模塊與2組50 Ah/51.2 V（最大放電功率2.4 kW）、預計交流市電輸入不小于AC380V/5.2 A（交流轉直流效率96.5%，直流電源模塊輸入最低電壓176 V，則交流輸入電流=1.732×1524/176/3=5.2 A）即可滿足示例站點需求。地表以下只有供備電系統設備，溫控采用自然散熱（即利用地表以下恒定溫濕度特點自然導熱與保溫）。

3.2 市電引入設計

假設靠近基站的電網為AC380 V市電配電網，配電網輸電線路使用4根不同顏色的單芯鋁芯35 mm2電力線纜（A線黃色，B線綠色，C線紅色，N線藍色；PE就近設備接地），AC380 V/5.2 A使用M2規格的創新帶螺紋防盜連接器在AC380 V市電配電網輸電線路上搭火即可滿足要求，結合輸電距離配置單芯鋁芯2.5 mm2電力線纜即可滿足示例站點近端搭火市電引入需求。

3.3 風光互補供備電/補電設計

（1）風能容量。按“井蓋供備電：風能供備電：太陽能供備電”=6：2：2，風能供備電系統容量配置需滿足輸出304.8 W/DC-48 V功率才能滿足要求，根據計算公式算出所需風能系統總容量為3.52 kW，則配置5 kW風力發電機可滿足要求，即若風資源富足情況下，一日可綠色發電8.44 kWh。風能系統容量計算公式及過程如表2所示。

表2 風能系統容量計算公式及過程

根據GB-T18710-2002《風電場風能資源測量方法》可以判斷風功率密度等級，一般來說，風功率密度達到3級以上，風電場才有開發價值。若示例站點一年有100日不小于3級的有效風，則一年風能為示例站點補電約844 kWh。

（2）太陽能容量。按“井蓋供備電：風能供備電：太陽能供備電”=6：2：2，太陽能供備電系統容量配置需滿足輸出304.8 W/DC-48 V功率才能滿足要求，根據計算公式算出所需太陽能組件總功率為2 600 Wp，配置1個3 kW太陽能控制模塊即可，太陽能電池板取整配置2 600/260=10片36 V/260 W多晶太陽能電池板，即配置5組（并）×2片（串）。太陽能電池板配置計算公式及過程如表3所示。

表3 太陽能電池板配置計算公式及過程

以廣西為例，廣西地處中國華南地區，介于北緯20°54′～26°24′，東經104°26′～112°04，地處低緯度，屬副熱帶季風氣候，不同地區太陽輻射都存在明顯的季節變化，呈現長夏短冬，且總輻射和日照時數變化趨勢基本一致。根據NASA統計，廣西年太陽總輻射為3 682.2～5 642.8 MJ/m2，年日照小時數1 169～2 219 h。示例站點太陽能電池板一日可綠色發電7.32 kWh，若廣西一年有2 000 h（即83.3日），則一年太陽能為示例站點補電約610 kWh。

（3）風光互補控制系統。配置一套風光互補控制系統，控制系統內含風能模塊與太陽能模塊。

3.4 多系統協同控制與管理設計

配置一套多系統協同供備電控制與管理系統及平臺，實現對風能、太陽能、電網市電等多路輸入進行智能監控，對多個基站供備電系統的控制與管理，為基站設備提供綠色、安全、可靠、穩定、快捷的供備電。

4 結 論

基站市電引入使用近端搭火之后，通過變壓器降壓或直接將380V /220 V供給基站供備電系統輸入市電，再由設置在地埋機房/機柜中包括但不限于基站新型風光互補供備電/補電、井蓋供備電等經過多系統協同供備電控制與管理系統合路，輸出交流或直流電給基站設備供備電，最大程度滿足了協同供備電創新、電源容量與蓄電池容量擴容挖潛、綠色發電補電、節能環保等目標需求，并提升了建設速度，縮短了建設周期，對5G網絡覆蓋與全面普及具有深遠的影響。在應用過程中，要詳細分析基站設備用電功率及供備電方案設計情況，確保新型多系統協同供備電設計滿足各項要求，同時也倡導為通信領域“雙碳”、國家“雙碳”做出最大化的貢獻，顯著提升基站建設工程投資項目的社會效益和經濟效益。