基于一體化能源柜MIMO電源的5G站點(diǎn)節(jié)能方案研究

宋嘉皓，鄭駿文

（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）

0 引 言

在5G建設(shè)大背景下，5G設(shè)備較傳統(tǒng)的2G、4G設(shè)備功耗翻倍，采用傳統(tǒng)動(dòng)力配套建設(shè)方案難以解決，站點(diǎn)面臨電費(fèi)高的負(fù)擔(dān)。

根據(jù)5G主流無線主設(shè)備廠家華為和中興的BBU功耗情況分析，5G BBU典型運(yùn)行功耗約為700～800 W，是傳統(tǒng)4G的2～3倍，為站點(diǎn)建設(shè)及節(jié)能策略提出了更高的要求。針對(duì)5G站點(diǎn)規(guī)模建設(shè)帶來的電費(fèi)壓力，提出了一體化能源柜節(jié)能思路，分析了多種5G站點(diǎn)節(jié)能方案[1]。

1 節(jié)能思路分析

1.1 5G基站動(dòng)力配套建設(shè)問題分析

5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)存在以下明顯問題：

（1）站點(diǎn)交流容量、電源容量不足比例激增，傳統(tǒng)供電方案導(dǎo)致高昂的部署和改造成本、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本及電費(fèi)支出顯著增加。

（2）CRAN-BBU堆疊建設(shè)中需新增BBU綜合柜、傳輸綜合柜、開關(guān)電源柜，鉛酸/鐵鋰電池電池架等，需要提供4～5機(jī)柜位，導(dǎo)致空間嚴(yán)重不足[2]。

（3）供電制式需求多樣化，運(yùn)維復(fù)雜化。

隨著5G的天線數(shù)增多導(dǎo)致的站點(diǎn)功耗增加，電費(fèi)支出成本給運(yùn)營(yíng)商帶來了極大的挑戰(zhàn)，電費(fèi)已被運(yùn)營(yíng)商確定為重要的OPEX。在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，5G單站功耗是4G功耗的2～3倍，同時(shí)據(jù)專家分析，之后5G基站數(shù)量很可能是4G的1.5～2倍左右?；臼呛碾姶髴?，大約80%的能耗來自廣泛分布的基站，高度密集的基站意味著更高的能耗，這是5G網(wǎng)絡(luò)面臨的一大成本挑戰(zhàn)[3]。

1.2 傳統(tǒng)動(dòng)力配套建設(shè)模式對(duì)比分析

（1）D-RAN場(chǎng)景。對(duì)于開關(guān)電源、蓄電池等傳統(tǒng)擴(kuò)容改造需占用2～3個(gè)機(jī)柜位置的，柜內(nèi)空間不足、電池容量不足、室外機(jī)柜無空調(diào)或冷量不足，BBU、傳輸散熱無法解決，夏季高溫告警故障頻發(fā)，無法滿足5G部署需求。

采用5G一體化能源柜一般僅占用1個(gè)機(jī)柜位置，設(shè)備可實(shí)現(xiàn)一站一柜支持4G/5G設(shè)備共同部署，室外柜空調(diào)實(shí)現(xiàn)模塊化擴(kuò)容，節(jié)約1～2個(gè)機(jī)柜的安裝空間。圖1為5G一體化能源柜建設(shè)方案效果圖。

圖1 5G一體化能源柜建設(shè)方案效果圖

（2）C-RAN場(chǎng)景。對(duì)于開關(guān)電源、蓄電池等傳統(tǒng)擴(kuò)容改造需占用4～5個(gè)機(jī)柜位置，在機(jī)房?jī)?nèi)分散分布，并且電源、電池?cái)U(kuò)容難，承重需改造，無法滿足快速部署。

采用5G一體化能源柜一般僅占用1～2個(gè)機(jī)柜位置，高密智能鐵鋰電池單柜收容1 000 Ah容量，可實(shí)現(xiàn)BBU堆疊高密部署，節(jié)約2～3個(gè)機(jī)柜的安裝空間。表1為C-RAN場(chǎng)景建設(shè)方案對(duì)比如表1所示。

表1 C-RAN場(chǎng)景建設(shè)方案對(duì)比表

結(jié)合上述技術(shù)方案對(duì)比分析，能源柜具有高密集成、智能特性豐富、支持多種電壓制式、高效配電等顯著優(yōu)勢(shì)，解決多場(chǎng)景建設(shè)痛點(diǎn)[4]。

（3）電源、電池容量不足?；疽惑w化能源柜的智能磷酸鐵鋰電池可直接與不同廠家、不同時(shí)期、不同容量的鉛酸蓄電池、普通鐵鋰電池并聯(lián)使用，在原有蓄電池剩余使用年限較長(zhǎng)的情況下，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)網(wǎng)電池利舊擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)新、舊蓄電池組智能混用，共同保障備電時(shí)長(zhǎng)，避免更換原有電池組，保護(hù)既有投資。

1.3 一體化能源柜建設(shè)節(jié)能思路

為了解決5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)問題，可使用一體化能源柜建設(shè)方案解決目前建設(shè)痛點(diǎn)，利用一體化能源柜智能特性實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)節(jié)能。

（1）錯(cuò)峰用電。一體化能源柜MIMO電源協(xié)同智能鐵鋰電池進(jìn)行谷充峰放，利用備電時(shí)長(zhǎng)外的電池容量進(jìn)行錯(cuò)峰，通過市電、電池使用的科學(xué)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)電費(fèi)最低。

（2）新能源接入。一體化能源柜多輸入多輸出的智能MIMO電源通過太陽能模塊搭配太陽能控制器實(shí)現(xiàn)光伏新能源輸入，降低市電用電量。

（3）智能關(guān)斷。一體化能源柜MIMO電源支持遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，獨(dú)立分路遠(yuǎn)程上下電控制，通過智能配電單元模塊，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)分路電能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制上下電控制管理，智能關(guān)斷負(fù)載實(shí)現(xiàn)無業(yè)務(wù)時(shí)段直流負(fù)載遠(yuǎn)程下電，減輕發(fā)電保障壓力，減少上站巡檢維護(hù)工作量[5]。

2 站點(diǎn)節(jié)能思路

基于上述節(jié)能思路，結(jié)合實(shí)際5G工程的試點(diǎn)改造應(yīng)用情況，通過幾種節(jié)能方案的原理及效果分析，為類似場(chǎng)景下節(jié)能方案提供實(shí)際工程應(yīng)用案例，拓展改造思路。

2.1 一體化能源柜錯(cuò)峰用電

智能鋰電循環(huán)壽命長(zhǎng)，在電網(wǎng)較好的地方，智能鋰電除滿足備電需求外，還可以通過MIMO電源錯(cuò)峰用電釋放鋰電潛能。通過智能邏輯，科學(xué)調(diào)度市電和備電電池的的供電，在保障正常備電時(shí)長(zhǎng)的前提下，電價(jià)低谷階段，充分利用電網(wǎng)能量為設(shè)備供電的同時(shí)將電池充滿電；在電價(jià)高峰階段，優(yōu)先使用電池能量為設(shè)備供電，以實(shí)現(xiàn)電費(fèi)最小化。

通過一體化能源柜智慧網(wǎng)管平臺(tái)設(shè)置當(dāng)?shù)厥须姷姆?、平、谷電價(jià)的時(shí)間段以及錯(cuò)峰備電時(shí)長(zhǎng)，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間自動(dòng)調(diào)節(jié)整流模塊的輸出電壓，利用峰谷電價(jià)降低運(yùn)營(yíng)成本。智慧能源網(wǎng)管平臺(tái)錯(cuò)峰用電示意圖如圖2所示。

圖2 智慧能源網(wǎng)管平臺(tái)錯(cuò)峰用電示意圖

2.2 一體化能源柜光油互補(bǔ)離網(wǎng)發(fā)電方案

一體化能源柜的MIMO智能電源支持多種能源的輸入，并且做到全模塊化的架構(gòu)，如圖3所示。能源柜綜合調(diào)度系統(tǒng)的邏輯主要圍繞儲(chǔ)能鐵鋰電池進(jìn)行，由圖4可知，光伏發(fā)電及油機(jī)發(fā)電統(tǒng)一接入后，經(jīng)各自模塊輸出至低壓直流母線，同時(shí)對(duì)負(fù)載及鐵鋰電池供電。

圖3 一體化能源柜新能源供電方案結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 MIMO智能電源多種能源綜合調(diào)度系統(tǒng)圖

太陽能供電：陽光充足時(shí)，太陽能給負(fù)載供電，同時(shí)給鋰電池組充電至充滿。

太陽能與鋰電池組供電：早晨、傍晚或陰天，陽光不足時(shí)，太陽能發(fā)電量小于負(fù)載功率，則由太陽能和鋰電池組同時(shí)給負(fù)載供電。

鋰電池組供電：晚上或雨天，無陽光時(shí)，由鋰電池組給負(fù)載供電。

連續(xù)雨天時(shí)，當(dāng)鋰電池組剩余容量不足20%時(shí)，由MIMO電源監(jiān)控自動(dòng)控制啟動(dòng)油機(jī)，由油機(jī)發(fā)電給負(fù)載供電，同時(shí)給鋰電池組充電。

2.3 一體化能源柜智能上下電

一體化能源柜結(jié)合了數(shù)字化供電技術(shù)，將信息處理技術(shù)與電力電子技術(shù)深度融合，

實(shí)現(xiàn)輸出開關(guān)的分路智能上下電，負(fù)載用電精細(xì)化管理，通過智能開關(guān)的遠(yuǎn)程上下電控制與業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)。如圖5所示。

圖5 一體化能源柜智能上下電結(jié)構(gòu)示意圖

智能上下電適用于潮汐業(yè)務(wù)明顯場(chǎng)景，避免無業(yè)務(wù)通信設(shè)備的空載損耗，做到充分節(jié)能；目前支持容量模式、電壓下電、時(shí)間下電模式。

3 節(jié)能方案效益分析

通過上述節(jié)能方案的研究分析，基本熟悉了一體化能源柜針對(duì)5G設(shè)備高功耗的節(jié)能方案。比較各類節(jié)能方案，實(shí)際工程中考慮機(jī)房的現(xiàn)有條件，綜合選擇合適方案。

3.1 錯(cuò)峰用電方案節(jié)能效益

目前，浙江省的普通商業(yè)用電尖峰谷電價(jià)如表2所示，全天尖時(shí)段共計(jì)2 h（尖時(shí)刻：19:00--21:00），尖價(jià)為1.206元/（kW·h）?？梢钥闯瞿壳罢憬〖夥咫妰r(jià)與谷電價(jià)存在較大價(jià)差，其中峰谷電價(jià)差0.532元/（kW·h），尖谷電價(jià)差更是達(dá)到0.828元/（kW·h）。

表2 浙江普通工商業(yè)用電峰谷電價(jià)表

利用一體化能源柜智能鐵鋰電池循環(huán)壽命高、充放電系數(shù)大等優(yōu)勢(shì)，配合柜智慧能源網(wǎng)管平臺(tái)進(jìn)行錯(cuò)峰用電研究。錯(cuò)峰站點(diǎn)根據(jù)機(jī)房等級(jí)設(shè)定后備保障時(shí)長(zhǎng)，由于5G初期負(fù)荷值未達(dá)到設(shè)計(jì)值，可以在此基礎(chǔ)上直接開啟削峰填谷功能。表3為一體化能源柜錯(cuò)峰效益估算表。

根據(jù)浙江普通工商業(yè)用電峰谷電價(jià)表設(shè)置每天2個(gè)充放電循環(huán)，每天錯(cuò)峰時(shí)長(zhǎng)5 h，智慧能源網(wǎng)管平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控，動(dòng)態(tài)調(diào)整充放電深度和時(shí)間，由表3可知浙江目前進(jìn)行錯(cuò)峰的5個(gè)站點(diǎn)平均日節(jié)電費(fèi)可達(dá)15%，由于不同站點(diǎn)電池配置及負(fù)載不同，節(jié)電費(fèi)率也有所差異。此方案適用于站點(diǎn)電池后備時(shí)長(zhǎng)較為富裕場(chǎng)景。面對(duì)目前基站用電負(fù)荷日益增加的趨勢(shì)，如果基站（直供電）用電能充分利用“錯(cuò)峰”特性，多用谷時(shí)電，少用甚至不用尖峰時(shí)電，將有效節(jié)省電費(fèi)的支出。

表3 錯(cuò)峰用電效益表

3.2 光油互補(bǔ)離網(wǎng)發(fā)電方案節(jié)能效益

海島站點(diǎn)用于航線通信的覆蓋，部分海島無市電引入，需要通過其他能源輸入提供保障。一體化能源柜新能源供電保障方案將使用清潔的可再生能源光伏作為站點(diǎn)能源輸入，從源頭解決能耗難題。

一體化能源柜MIMO智能電源可兼容新能源輸入，一方面通過太陽能模塊搭配太陽能控制器實(shí)現(xiàn)光伏新能源輸入，一方面通過油機(jī)接入滿足后備保障，通過MIMO電源實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能能量協(xié)同，智能調(diào)度多種能源，滿足無市電場(chǎng)景的電源保障需求。

普陀山太陽光照系統(tǒng)日均光照為3h；站點(diǎn)共配置66塊310W單晶光伏組件，總裝機(jī)量20.46 W，光伏系統(tǒng)日均發(fā)電量：20.46kW×3h×0.85=52 kW·h，計(jì)算可知敷設(shè)66塊光伏板日均理論上可提供約52 kW·h電。系統(tǒng)配置2 000 A·h鐵鋰電池，保障站點(diǎn)無新能源時(shí)供電。系統(tǒng)總負(fù)載日均值為30 A，系統(tǒng)日均耗電量為38 kW·h，白天光照充足保障負(fù)載供電，余量部分可供電池充電。站點(diǎn)于2021年2月1日開啟，目前已運(yùn)行6個(gè)月，太陽能充足狀態(tài)日均發(fā)電45 kW·h，利用新能源接入取代市電已累計(jì)輸出5 682 kW·h，利用太陽能綠色可再生能源進(jìn)行發(fā)電，如圖6所示，可以減少傳統(tǒng)化石能源發(fā)電的資源消耗，減少二氧化碳排放，助力雙碳目標(biāo)。

圖6 光油互補(bǔ)離網(wǎng)發(fā)電站點(diǎn)模型圖

本方案適用于具備敷設(shè)光伏板條件站點(diǎn)，具體光伏板敷設(shè)數(shù)量及敷設(shè)面積根據(jù)實(shí)際情況配置，一體化能源柜太陽能模塊可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活擴(kuò)容。

3.3 智能上下電方案節(jié)能效益

考慮到學(xué)校、體育場(chǎng)管等場(chǎng)所的5G站點(diǎn)業(yè)務(wù)存在明顯潮汐特點(diǎn)，利用一體化能源柜智慧能源網(wǎng)管平臺(tái)配合MIMO電源智能配電模塊，通過智能開關(guān)的遠(yuǎn)程上下電控制與業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無業(yè)務(wù)下電，降低年耗電量。

通過一體化能源柜實(shí)現(xiàn)浙江某高校宿舍樓校園網(wǎng)站點(diǎn)寒暑假無業(yè)務(wù)遠(yuǎn)程下電，目前單站負(fù)載約為30 A，日均耗電量38.88 kW·h，寒暑假總天數(shù)約為90天，通過寒暑假遠(yuǎn)程上下電可節(jié)省3 499.2 kW·h電能，年節(jié)省電費(fèi)：3 499.2×0.6=2 100元。整校預(yù)期有12個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程關(guān)斷，可以實(shí)現(xiàn)年節(jié)電約41 990 kW·h電能。

4 結(jié) 論

5G建設(shè)下，站點(diǎn)負(fù)荷大，耗能顯著增加，對(duì)其節(jié)能方案提出了更高的要求。為解決5G站點(diǎn)耗能高等問題，通過分析一體化能源柜節(jié)能策略，采用錯(cuò)峰用電控制、新能源接入方案以及智能遠(yuǎn)程上下電可以有效降低5G站點(diǎn)耗能。

本文結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)比5G建設(shè)改造方案，并詳細(xì)闡述了幾種基于一體化能源柜的節(jié)能方案。通過對(duì)一體化能源柜的節(jié)能方案、節(jié)能效益的分析，提出將一體化能源柜節(jié)能應(yīng)用于5G高負(fù)荷站點(diǎn)。通過一體化能源柜的智慧能源網(wǎng)管平臺(tái)、多能源接入、智能關(guān)斷和綜合調(diào)度等功能，完美匹配多種特殊場(chǎng)景節(jié)能方案，為低碳建設(shè)提供了多種思路。當(dāng)然，大部分站點(diǎn)還是運(yùn)用傳統(tǒng)供電方式，在實(shí)際工程中需要考慮機(jī)房的現(xiàn)有條件，綜合選擇合適的節(jié)能方案。