面向5G基站直流配電系統(tǒng)輕量化改造方式研究

陳先凌，黃存東，王煜東，方中圓，沈 奇

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 浙江分公司，浙江 杭州 310012；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)浙江有限公司 金華分公司，浙江 金華 310011）

0 引 言

4G改變生活，5G改變社會(huì)。相較于4G，5G在帶寬、連接以及時(shí)延3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上均得到大幅度提升。5G不僅帶來更高速的網(wǎng)絡(luò)，而且還對(duì)智能交通、工業(yè)自動(dòng)化、智慧家庭以及社會(huì)管理等各個(gè)方面產(chǎn)生重要影響[1]。

當(dāng)前我國(guó)5G網(wǎng)絡(luò)已開始規(guī)模部署，龐大的4G存量站址資源為5G形成快速組網(wǎng)提供了便利。目前各運(yùn)營(yíng)商在機(jī)房配套改造方面都有相應(yīng)的實(shí)踐，尤其在機(jī)房供電保障方面，通過直接新增電源模塊、替換開關(guān)電源或蓄電池等方式進(jìn)行擴(kuò)容改造，但該方式存在原有模塊停產(chǎn)、機(jī)房空間或承重不足、斷站改造時(shí)間過長(zhǎng)等問題[2]。為更好地開展5G基站規(guī)模部署建設(shè)，需探索和實(shí)踐輕型化的供電改造方案。基于以上背景，本文將結(jié)合某區(qū)域5G建設(shè)案例，對(duì)5G組網(wǎng)方式以及機(jī)房電力配套需求進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上探討輕量級(jí)的配電系統(tǒng)改造方案。

1 5G組網(wǎng)架構(gòu)及機(jī)房特征

目前，5G規(guī)模部署采用CRAN與DRAN相結(jié)合的組網(wǎng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 DRAN與CRAN組網(wǎng)架構(gòu)

CRAN以綜合業(yè)務(wù)區(qū)為單元，將區(qū)域內(nèi)5G系統(tǒng)BBU進(jìn)行集中至中心機(jī)房堆疊，實(shí)現(xiàn)傳輸資源利用、站點(diǎn)能耗以及機(jī)房租賃成本的最優(yōu)，并為后期垂直行業(yè)運(yùn)用、MEC部署奠定基礎(chǔ)[3]。CRAN架構(gòu)下，中心機(jī)房選取以綜合業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)機(jī)房、匯聚機(jī)房、條件較好的自有無線機(jī)房以及新購(gòu)機(jī)房等為主，遠(yuǎn)端機(jī)房需求進(jìn)一步弱化，可采用室外配電柜對(duì)遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行直流供電，少量疑難站點(diǎn)可直接進(jìn)行交流直供。

DRAN作為CRAN組網(wǎng)架構(gòu)的補(bǔ)充，對(duì)目前不具備CRAN組網(wǎng)條件的站點(diǎn)采用DRAN部署，實(shí)現(xiàn)整個(gè)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)快速覆蓋。DRAN架構(gòu)下，站點(diǎn)機(jī)房的作用繼續(xù)保留，站點(diǎn)無線設(shè)備及傳輸設(shè)備供電由站址機(jī)房保障。

2 5G基站直流配電改造需求分析

2.1 直流配電容量需求算法

依據(jù)《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51194—2016）對(duì)開關(guān)電源、蓄電池容量的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合備電時(shí)長(zhǎng)等要求對(duì)直流配電改造需求建立算法，相應(yīng)算法及說明如下文所述[4]。

（1）開關(guān)電源接入端子需求。依據(jù)當(dāng)前主要廠家設(shè)備接電需求，為滿足升壓配電盒（為BBU、AAU供電）接入，一次下電側(cè)需提供2路100 A或1路160 A接電端子，為滿足PTN接電，二次下電側(cè)需提供1路32 A接電端子。

（2）開關(guān)電源容量需求測(cè)算。現(xiàn)網(wǎng)開關(guān)電源整流模塊容量普遍為單只100 A、50 A或30 A型，整流模塊總數(shù)N的計(jì)算公式為：

式中：I通信設(shè)備指機(jī)房?jī)?nèi)、外遠(yuǎn)期規(guī)劃的所有通信設(shè)備的典型電流之和；I蓄電池充電指蓄電池按10 h時(shí)計(jì)算的均充電流；S整流模塊指本期配置單只整流模塊的容量。計(jì)算整流模塊數(shù)量時(shí)，應(yīng)考慮整流模塊總數(shù)值往上取整，作為站點(diǎn)需要配置模塊數(shù)量。

（3）鉛酸電池容量測(cè)算。現(xiàn)網(wǎng)容量估算參照全新配置的鉛酸蓄電池組需求估算方式，總?cè)萘坎捎靡韵掠?jì)算公式：

式中：Q表示蓄電池組總?cè)萘浚籏表示安全系數(shù)，取1.25；I表示負(fù)荷電流；T表示放電小時(shí)數(shù)；η表示放電容量系數(shù)；t表示實(shí)際電池所在地最低環(huán)境溫度數(shù)值；a表示電池溫度系數(shù)。當(dāng)放電小時(shí)率≥10時(shí)，取a=0.006；當(dāng)10＞放電小時(shí)率≥1時(shí)，取a=0.008；當(dāng)放電小時(shí)率＜1時(shí)，取a=0.01。

（4）鐵鋰電池容量測(cè)算。鐵鋰電池的放電實(shí)際容量將受到環(huán)境溫度、放電率以及放電終止電壓（通信考慮2.7 V）的影響而發(fā)生變化。鐵鋰電池容量需求可采用以下公式計(jì)算：

式中：η'為放電率影響系數(shù)；c為環(huán)境溫度影響系數(shù)；I'為放電電流。當(dāng)I'≤1C時(shí)，η'取1；當(dāng)1C＜I'≤3C時(shí)，η'取1.25。當(dāng)溫度為-20 ℃時(shí)，c取1.5；當(dāng)溫度為-10 ℃時(shí)，c取1.2；當(dāng)溫度為0～20 ℃時(shí)，c取1.1；當(dāng)溫度為23 ℃以上時(shí)，c取1。

2.2 5G基站配電需求模型

設(shè)備功耗可分別定義為額定功耗和典型功耗，額定功耗即為滿配滿載最大功耗值、典型功耗即為設(shè)備常態(tài)業(yè)務(wù)下運(yùn)營(yíng)功耗值[5]。結(jié)合遠(yuǎn)期網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容需求、擴(kuò)容的難易程度以及投資經(jīng)濟(jì)性，設(shè)定開關(guān)電源整流模塊擴(kuò)容需求，蓄電池備電容量依據(jù)設(shè)備典型功耗測(cè)算，基站交流引接容量、開關(guān)電源機(jī)架容量、空調(diào)制冷量需求依據(jù)設(shè)備額定功耗值測(cè)算。依據(jù)上述章節(jié)設(shè)定的需求算法，當(dāng)前各類配置模型下機(jī)房配電設(shè)備容量需求如表1所示。

表1 5G機(jī)房直流配電容量需求模型

2.3 5G基站配電系統(tǒng)現(xiàn)狀

現(xiàn)有D-RAN站點(diǎn)通常采用1站1機(jī)房方式，現(xiàn)網(wǎng)存量物理站點(diǎn)常規(guī)配置1套直流配電系統(tǒng)用于基站設(shè)備供電，CRAN架構(gòu)站中心機(jī)房依據(jù)機(jī)房原屬性不同配置1～2套直流配電系統(tǒng)。城區(qū)、主城區(qū)存量站因容量需求等因素，單物理站已疊加多套系統(tǒng)且采用高載波配置，現(xiàn)有站點(diǎn)配電系統(tǒng)開關(guān)電源接電端子接入、開關(guān)電源現(xiàn)有配置模塊利用、蓄電池備電容量已接近最大負(fù)荷。同時(shí)因站點(diǎn)建設(shè)時(shí)間、機(jī)房條件差異，5G系統(tǒng)疊加引起的直流配電系統(tǒng)需求將面臨配電機(jī)架容量不足、設(shè)備配件停產(chǎn)、機(jī)房空間或承重條件不足等問題[6]。

3 配電系統(tǒng)輕量化改造方案

3.1 采用常規(guī)方案實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)改造

存量站點(diǎn)直流配電系統(tǒng)改造主要針對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)開關(guān)電源、蓄電池進(jìn)行改造。其中，開關(guān)電源改造又包含一次/二次下電接電端子新增或替換、機(jī)架容量提升、電源模塊配置增加等內(nèi)容，蓄電池改造包含蓄電池的擴(kuò)容替換、規(guī)模擴(kuò)增。依據(jù)需求對(duì)常規(guī)配電設(shè)備改造方案進(jìn)行分類描述如下。

（1）開關(guān)電源接電端子改造。優(yōu)先利舊現(xiàn)有空余端子，若無對(duì)應(yīng)規(guī)格端子，采用替換其他規(guī)格冗余端子或空余槽位新增接電端子[7]。

（2）開關(guān)電源機(jī)架容量改造。部分早期配置現(xiàn)網(wǎng)機(jī)架或壁掛式機(jī)架容量偏低，無法滿足本次5G系統(tǒng)疊加后容量需求，依據(jù)機(jī)房條件采用替換大容量開關(guān)電源架方案或新增1套直流配電系統(tǒng)（開關(guān)電源+蓄電池）為5G系統(tǒng)供電。

（3）開關(guān)電源模塊擴(kuò)容改造。5G系統(tǒng)疊加后，現(xiàn)有機(jī)架模塊配置不足，依據(jù)測(cè)試需求擴(kuò)增對(duì)應(yīng)型號(hào)模塊。部分站點(diǎn)機(jī)架老舊，相應(yīng)模塊已無法采購(gòu)，常規(guī)方案參考上述機(jī)架容量不足方案。

（4）鉛酸電池容量改造。現(xiàn)網(wǎng)無線機(jī)房電池配置以兩組500 A·h鉛酸電池為主，部分站點(diǎn)因業(yè)務(wù)需求而疊加較多現(xiàn)有系統(tǒng)，部分站點(diǎn)承載周邊宏微站及室分站BBU拉遠(yuǎn)堆疊需求，新增5G系統(tǒng)后，兩組500 A·h鉛酸電池需替換擴(kuò)容為兩組1 000 A·h鉛酸電池。機(jī)房空間及承重條件不足時(shí)，可替換為相應(yīng)容量的鐵鋰電池，但工程量較大、改造成本較高[8]。

（5）鐵鋰電池容量改造。鐵鋰電池為模塊化堆疊并聯(lián)，容量改造可參考開關(guān)電源模塊擴(kuò)容改造方案。

3.2 輕量化改造思路及應(yīng)用案例

輕量化改造思路是通過對(duì)疑難站老舊設(shè)備進(jìn)行深度改造再利用，降低設(shè)備替換帶來的大工程量和高成本，同時(shí)對(duì)配電系統(tǒng)改造需求進(jìn)行系統(tǒng)性考慮，結(jié)合成本、斷站時(shí)長(zhǎng)等因素制定系統(tǒng)性、簡(jiǎn)約的改造方案。以下通過案例形式介紹輕量化改造具體方式。

3.2.1 改造案例A

圖2 輕量化改造案例改造效果示例

站點(diǎn)B 5G疊加后開關(guān)電源一次下電接電端子已接滿，無法新增或替換；電源模塊配置不足需擴(kuò)增50 A模塊2塊，對(duì)應(yīng)模塊可采購(gòu)；現(xiàn)有2組500 A·h鉛酸電池滿足5G疊加后站點(diǎn)3 h備電時(shí)長(zhǎng)。綜上所述，本站開關(guān)電源一次下電需對(duì)現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行收編改造，無法收編改造時(shí)需考慮整體替換開關(guān)電源。上述方案改造工作量過大，通過研究改造開關(guān)電源母排的可行性，結(jié)合廠家論證，制定在開關(guān)電源空余位置拓展1塊母排的方案，匯總批次需求，由相關(guān)開關(guān)電源廠家統(tǒng)一實(shí)施[9]。

3.2.2 改造案例B

站點(diǎn)B 5G疊加后開關(guān)電源接電端子滿足，電源模塊配置不足需擴(kuò)增50 A模塊2塊，但電源設(shè)備型號(hào)老舊，對(duì)應(yīng)模塊無法采購(gòu)；現(xiàn)有兩組500 A·h鉛酸電池滿足5G疊加后站點(diǎn)3 h備電時(shí)長(zhǎng)。綜上所述，本站僅需擴(kuò)容2塊50 A電源模塊，但因同型號(hào)模塊停產(chǎn)無法擴(kuò)增，采用常規(guī)整體替換開關(guān)電源方案，但存在工程量大、改造成本高、斷站施工等問題。通過研究將開關(guān)電源模塊框槽整體拆除，替換成可新安裝該品牌新型號(hào)電源模塊框槽輕量化方案，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的可擴(kuò)容、再利用[10]。該方案可邀請(qǐng)開關(guān)電源廠家具體實(shí)施，實(shí)施時(shí)無需斷站（期間由蓄電池供電），且可有效降低改造工作量與成本。

3.2.3 改造案例C

站點(diǎn)C開關(guān)電源一次下電接電端子已接滿，無法新增或替換，電源模塊配置不足需擴(kuò)增50 A模塊2塊，對(duì)應(yīng)模塊可采購(gòu)；同時(shí)兩組500 A·h鉛酸電池不滿足5G疊加后站點(diǎn)3 h備電時(shí)長(zhǎng)。綜上所述，本站開關(guān)電源一次下電需對(duì)現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行收編改造，電池需替換為兩組1 000 A·h鉛酸電池或滿足3 h備電時(shí)長(zhǎng)鐵鋰電池。輕量型改造以改造的系統(tǒng)性角度出發(fā)，將開關(guān)電源及蓄電池改造需求合二為一，結(jié)合原方案改造成本分析，引入室外一體化柜改造思維，通過遴選滿足5G系統(tǒng)供電需求、安裝維護(hù)便捷、機(jī)房空間條件需求度低的一體化能源柜為新疊加5G系統(tǒng)供電。

3.3 方案優(yōu)勢(shì)分析

通過對(duì)3個(gè)不同條件、需求的改造案例分析，由設(shè)備廠家實(shí)施對(duì)開關(guān)電源結(jié)構(gòu)性改造，同時(shí)新增為5G系統(tǒng)提供專屬供電保障的集成化新能源機(jī)柜，實(shí)現(xiàn)直流配電改造簡(jiǎn)約化、輕量化的目標(biāo)，可有效降低配電系統(tǒng)改造的周期和成本。結(jié)合案例從改造工時(shí)、改造投資以及斷站需求3個(gè)維度量化對(duì)比，如表2所示。

表2 輕量化與工程常規(guī)改造方案多維度對(duì)比

4 結(jié) 論

5G設(shè)備功耗高，現(xiàn)有共址存量站點(diǎn)配電系統(tǒng)普遍存在改造需求。面對(duì)原有設(shè)備配件停產(chǎn)、機(jī)房空間或承重不足等場(chǎng)景時(shí)，單一工程常規(guī)改造方案存在改造周期長(zhǎng)、成本高、對(duì)現(xiàn)網(wǎng)影響大等不足。通過對(duì)基站配電系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)狀、改造需求、系統(tǒng)整體性分析，提出對(duì)配電設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)性、集成化改造方案。經(jīng)實(shí)施論證，該方案具備經(jīng)濟(jì)性、高效性特點(diǎn)，可為當(dāng)前5G規(guī)模部署中直流配電改造提供借鑒。