5G建設電源配套設計方案研究

楊磊　王浩年　王瞳瞳

【摘要】? ? 通過對5G基站電源配套需求和設計關鍵點進行分析，對設備選型和線纜截面所涉及的知識點進行闡述，有助于5G電源配套設計方案選擇。另介紹了5G基站電源配套的多種創新產品和方案，從而提升設計成果時效性。

【關鍵詞】? ? 5G 電源配套? ? 功耗? ? 新產品

引言：

當前我國5G基站新型基礎設施建設正在加速推進，伴隨著大量5G基站設備投入使用，其高耗能問題日益突出，眾所周知，5G基站相較4G基站在設備功耗方面有大幅增加，而且不同的5G基站建設場景，對電源配套的需求具有很大差異。所以在動力電源、機房配套的建設上，通信基礎設施供應商面臨巨大的挑戰。能夠提出更節約、更高效、更合理的電源配套設計方案，成為5G網絡建設首要課題。

一、5G基站電源配套需求分析

（一）5G基站設備形態

目前5G基站建設初期的設備形態與4G基站采用“RRU+天線一體化”的設備形態相類似，采用典型的BBU與AAU按照射頻拉遠設計，即BBU（CU/DU）與AAU在物理上實現分離。在架構上，5G BBU集成了CU和DU的功能，即可理解為“CU/DU合設+AAU”的兩層架構部署方案。在5G建設的中后期，根據5G不同應用場景的業務需求情況，逐步向CU云化、DU集中、AAU分散的三層分離架構演進。從基站接入方式來區分，主要分為D-RAN和C-RAN，即分布式無線接入和集中化無線接入方式兩種。

1.對于D-RAN架構，5G BBU與AAU同站址建設，基站電源的配置需要滿足BBU和AAU兩者用電需求。以華為5G基站設備典型配置參數計算，則該基站單系統最大功耗將超過4kW（包括： BBU設備功耗1.15kW、3個AAU設備功耗2.91kW）。

2.對于C-RAN架構，基站設備BBU與AAU不是同址建設。其中，BBU可以集中部署，一般選擇在核心局房、匯聚機房等傳輸資源和電源資源比較豐富的機房。而AAU則為光纖拉遠天面站，采用共址站電源或新建供電方案。

（二）現網5G基站設備供電需求

5G設備廠家主要有華為、中興、愛立信等，各設備參數如下表1所示。

目前，5G設備單系統最大功耗在4kW左右，約為4G單系統功耗的3.2倍，對電源設備及配套設施需求增加較大。另外，各設備的對電源供電端子和電力電纜的需求如下表2所示。

二、5G基站設備電源配套設計關鍵點

（一） 用電負荷計算

對于新建電源系統站點，配電系統設計容量一般通過計算所有用電設備最大負荷的累加值來獲得。

對于共站址新建5G系統站點，配電系統設計容量的核算應將現網設備功耗、新增5G設備功耗和蓄電池補充電負荷累加計算獲得。

1.配電設備容量計算

在5G基站電源配套設計中，需要通過計算以下幾項指標，進而選擇相應電源設備容量。

交流外市電容量=現網設備功耗（實際值）+5G設備功耗（最大值）+空調能耗值+蓄電池補充電功耗值

直流開關電源系統容量=現網設備功耗（實際值）+5G設備功耗（典型值）+蓄電池補充電功耗值

蓄電池容量=現網設備功耗（實際值）+5G設備功耗（典型值）

2.負荷系數確定

用電負荷是設備選型基礎指標，需要正確計算。在計算過程中，應該結合設備運行特性，而不是簡單累加，需要考慮負荷系數，否則配置電源設備較大。對于5G建設，用電設備冗余量是體現設計精度的要點。

結合工程特點，負荷系數主要考慮需用系數和同時系數，其各自的定義如下。

（1）需用系數：是一個綜合系數，它標志著用電設備組投入運行時，從供電網絡實際取用的功率與用電設備組設備功率之比;主要考慮設備未必全部在滿負荷情況下運行。

（2）同時系數：在多臺設備運行時，各設備同時運行時的最大功率與各設備最大運行功率之和的比值。常用系數取定：0.7～0.8。

其中：需用系數一般是經過大量實測數據積累得到的，并且隨著工藝進步、技術發展而變化。各廠商在5G設備節能優化方面也都力求通過新材料、新技術加以改進。如，采用熱管和石墨烯的先進散熱技術，使用低功耗芯片、高效電路設計，推出新一代AAU和BBU，比早期產品功耗降低不少。某廠商預言，未來的AAU可以從最初1300 W降到800 W水平。

對于局房類項目，用電設備比較多，配電系統也比較復雜的情況下，通常計算在末端考慮需用系數，同時系數在變壓器和干線（可能逐級）考慮同時系數。

（二）電力電纜的選擇

按照用途分類，電力電纜包括交流、直流、接地線、密集母線等。下面主要介紹通信基站所涉及的交流、直流和接地線的選擇。

1.交流線纜截面積選擇方法

交流線的選擇依據包括：機械強度允許的導線最小截面、允許溫升、經濟電流密度、允許電壓損失和導線允許截流量。一般（常用）使用“導線允許載流量”。

交流線纜應用場景影響因素：若敷設環境有要求，需要考慮“機械強度”;若線纜距離比較長，則需要考慮“電壓損失”;若敷設方式不同，則需要考慮不同的土壤熱阻系數、不同敷設方式下多根并聯、不同環境溫度等不同敷設條件下的修正系數。

交流線纜選擇基本步驟：

先計算出負載電流，然后查詢參考電纜載流量表來選擇導線截面積。

（1）單相負載設備

式中： P—設備功率（W），Ip—單相相電流（A），cosφ—功率因數

（2）三相負載設備

式中： P—基站總功率（W），Ip—相電流（A），cosφ—功率因數86C2FDBD-112A-400C-9257-4AC0B06A0F5A

當選定電纜適用場景時，建議與規范附表的導線載流量進行校核。設計規范綜合了多個線纜廠家的產品性能，具有一定權威性。

通信基站外電引入距離比較長，需要校核設備端的電壓降。在計算電壓降時，應參照功率、電流、電阻直線關系。但是用電設備多數是非線性，具有一定功率因數。所以在三相、單相交流線纜計算電壓損失時，不僅有導線電阻的影響，還需要考慮導線感抗。

2.直流線纜截面積選擇方法

在直流線纜截面選擇時，對于-48V直流電源系統，導線載流量基本都能夠滿足需求，由于-48V電壓比較低，壓降損失是主要因素，所以，直流線纜選擇導線截面是按照分配壓降法。

3.接地線

對于保護接地線，不是直接計算，而是與用電設備功率相關聯;對于直流系統保護線，是由所在配電系統的位置所決定。

三、5G基站電源新產品方案

（一）5G基站新型電源應用

現今通信電源設備已逐步向模塊化、小型化的趨勢發展。目前，由于5G設備功耗比較大，對存量站點的電源系統具有較大沖擊，為此，通信基礎設施服務商（鐵塔公司）推行精細化設計，降本增效，促使電源設備廠商推出各類創新產品以滿足5G建設需求。

1.智能電源

應用場景：基站電源容量有冗余能夠滿足新增5G設備需求，但需要對多運營商多系統進行差異化供電。傳統電源系統只有一次下電功能，無法實現多家運營商獨立計量、差異化下電。

疊加5G智能電源方案是指在現有開關電源基礎上，不新增機柜，也不改動原有基站設備接線，直接利用開關電源（或其他綜合柜）的空余空間，疊加一個5G智能電源模塊（約4U）增容，從而實現5G設備平滑接入，達到簡單快速交付效果。

以華為的5G智能模塊（華為5G一體化嵌入式電源）舉例，智能模塊整體容量為450A，支持每家電信企業125A×3，63A×2直流輸出，滿足3家電信企業1BBU+3AAU部署要求，且具有智能削峰、智能升壓、新舊電池混用等特性。適用于擴容安裝空間緊缺、RRU拉遠供電、市電容量不滿足基站高峰用電等場景。

2.智能備電開關/控制器

應用場景：在現有開關電源基礎上，外置一個智能備電開關/控制器，市電停電后，開關/控制器對5G進行第一時間下電，從而確保現有網絡優先備電。

3.電池共用管理器

規范規定，新舊電池不能混用。而電池共用管理器（或電池合路器）可以控制多組電池的充、放電電流，保持每組電池都能平衡工作，充電時可以共同充電也可以分開充電，放電時則為多組電池共同放電。從而實現對每組電池充、放電過程的獨立管理。通過對電池的充放電階段的主動控制，解決不同品牌、不同批次、不同型號、不同容量電池的并聯應用問題

應用場景：對于存量蓄電池冗余容量無法滿足5G備電需求的站點，若采用新增獨立開關電源和蓄電池的方案，雖然方案簡單但造價很高。

電池共用管理器方案可應用范圍廣，在共享利用存量開關電源的同時，實現備電電池擴容。在新增蓄電池的情況下，無需新增開關電源，并可實現對新舊蓄電池的同步充電。

4.差異化備電設備

為了解決存量開關電源無法支撐差異化備電和5G用電單獨計量需求，前期缺乏替代產品和方案，多數站址均通過新增蓄電池滿足5G備電需求，存量蓄電池共享利用率低。

應用場景：（1）蓄電池冗余容量滿足存量3小時+5G 1小時備電需求。（2）開關電源系統容量滿足擴容需求，且不具備分級下電功能。

差異化備電產品方案（分級下電）：可按時長、電壓、電量、時間等邏輯，針對不同設備進行分級下電，共享利用存量蓄電池。安裝靈活，支持19寸機柜及導軌等多種安裝方式。

5.新鋰電池（對應梯次電池）應用

蓄電池主要功能是儲存電能，為基站提供后備電源;按功能分為備電和儲能;按技術分為鉛酸、鉛碳、鐵鋰等，目前，通信基站主用鉛酸電池、梯次電池、新鋰電。

（1）新鋰電池特點

新鋰電相比鉛酸電池，具有體積小、重量輕、耐高溫、循環壽命長、綠色環保等特點，同時具備氣溶膠等消防設備，契合當前5G系統對備電電池的訴求。

鋰電池容量規格：標稱電壓為51.2V，支持1C充放電，額定容量主要包括20Ah、50Ah、100Ah、150Ah、200Ah;按照每套5G系統額定功耗3500W，額定電壓48V，備電需求1小時測算，鋰電池配置容量為100Ah。

（2）新鋰電池應用場景

新鋰電的高循環、大電流性能，可支持其在基站常規備電、市電差備電、離網光伏儲能、削峰填谷儲能、微站電源等多場景和工況下應用。

（二） 5G基站電源產品創新方案

針對5G建設需求，電信基礎設施供應商不斷推出創新電源產品方案，降低擴容改造和新建基站配套成本。

1.微站電源

（1）產品類型：5G-單AAU供電型;5G-3個AAU供電型。

（2）產品特點：免維護設備，支持掛墻、掛桿等安裝方式，自然冷源降溫，效率高。實現基站無“機房”化，省去機柜、空調等配套設備投資。

（3）應用場景：1）AAU拉遠站：可根據遠端AAU數量靈活選擇產品、就近安裝。2）燈桿站：掛桿安裝，免去機柜，實現環境友好型建設。

2.智能鋰電

（1）產品方案：電芯+BMS+DC/DC，協議開放，異廠商互聯。

（2）產品特點：集成度高，兼容了合路器功能，不同電池之間直接并聯，擴容簡單;削峰填谷，實現對電池的智能化評估，利用鋰電高循環特性，削峰填谷，節約電費。

（3）應用場景 ：1）多用戶共享基站：可免裝合路器，實現模塊化擴容;2）削峰場景：有峰谷電價或市電少量不足的基站。

3.高壓直流（750V）

（1）產品方案：本地高壓直流集中供電+AAU側遠供電方案，推出大容量高壓直流設備規范。

（2）產品特點：1）改造成本低：遠端基站市電、電源免改造，部分基站可利用原有低壓供電線路;2）備電成本低：集中備電，集中發電，減少總備電電池數量和發電基站數量。

（3）應用場景：1）現有基站改造：現有燈桿站、拉遠站等220V供電基站，解決壓降問題;2）C-RAN場景：為周邊基站AAU提供集中供電。

四、結束語

5G基站建設正在如火如荼地進行，而5G基站對于電源配套的需求大幅增加，為基礎設施供應商帶來巨大的挑戰。本課題通過對5G基站電源配套設計的關鍵點和設計要點作為切入，對設備選型和線纜截面所涉及的知識點進行深度分析，并介紹了5G基站電源配套的多種創新方案和產品，有利于設計人員拓展思路，以保證設計成果與時俱進。

參? 考? 文? 獻

[1] 5G電源配套及創新產品應用技術要點（2020年09月）.

[2]國標GB 51194-2016《通信電源設備安裝工程設計規范》.

[3]中國聯通微型DC新技術試驗總結.

[4]國標GB 51215-2017《通信高壓直流電源設備工程設計規范》.

[5]王利果，朱雪麗，李巧玲.探討5G移動基站電源精細化設計思路[J].電信快報 ， 2020. （10）期86C2FDBD-112A-400C-9257-4AC0B06A0F5A