用于消防救援的光儲供電基站應急通信保障研究

馮帥頎　常婕　陳哲　陶江濤

摘要：以2021年河南鄭州“7·20”特大暴雨災害為例，闡述了消防基站應急通信保障工作的重要性與必要性。研究設計了一種基于光儲供電的消防基站應急保障系統，并對實際運行效果進行了設計與模擬計算，最后對其在消防救援中的應用進行了闡述和分析，明確了此系統的設計研究思路。

關鍵詞：光儲供電系統；通信基站；應急通信；保障方法；光伏發電

中圖分類號：X913.4? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）11-0029-03

近年來，我國很多地區遭遇了前所未有的極端天氣災害，這些災害造成的通訊中斷是搶險救援工作中面臨的最主要困難，極大地影響了救援的速度和效率。例如：2021年河南鄭州“7·20”特大暴雨災害，暴雨造成了長時間的基站斷電，使得通信網基本處于癱瘓狀態，消防救援隊伍無法及時了解到災區信息，嚴重影響了災后黃金時間救援工作的開展。因此，如何提升重大災害條件下通信基站的抗災容災能力，做好消防應急通信保障，是消防救援隊伍在新時期“全災種、大應急”任務背景下亟須解決的問題。近年來快速發展的光儲供電技術具有儲充一體、連續性強、電能質量高、儲能方便快捷、建設成本低等特點[1]，適宜作為通信基站在突發情況下的應急電源，可有效保障災后第一時間的通信網絡暢通，從而大大提高了災后黃金時間的救援效率。

1 課題背景及意義

1.1? 光儲供電技術應用于消防應急通信保障的必要性

近年來，我國很多地區遭遇了前所未有的極端天氣災害，這些災害會對電力系統造成嚴重損害引起大范圍停電，進而導致大量基站失去作用，使各級消防救援機構的指揮中心通信中斷，無法及時接收出警信息并調度救援力量出警，極大地影響了救援的速度和效率[2-3]，同時，傳統的消防應急通信保障技術存在保障時間較短、范圍較小等缺陷，本文提出的方案因其不擇環境、運行成本低、實施方便、效果穩定、持續時間長等優勢成為了理想的解決方案。

1.2? 光儲供電系統的優點

概括來講，該系統主要集成了以下優點：

①穩定性和耐久性較好。即便長期暴露在室外環境下，經歷風吹雨淋、霜雪酷寒，光儲供電系統也很少出現故障，可以有效保證災害應急情況下持續向通信基站供電，使消防救援人員能在災后第一時間構建通信指揮網絡并及時了解受災情況，迅速出動救援。耐用方面，當前很多光儲供電系統的組件都采用高性能材料制作而成，可保證使用年限不低于25年，可作為常備應急電源為消防通信提供保障。

②維護工作量少，附加投資少。器件運行可靠，光儲供電系統不需要特意檢修與維護，只需做好日常檢查、定期維護等相關工作即可，維護成本投入不高。

③無能源費用，無噪聲污染。光儲供電系統利用太陽光生成能量，不需要專門運輸，因此大大減少了運輸、儲存等方面的成本投入。另外，該系統運行相對平穩，不會產生過大聲音，所以對附近環境帶來的噪聲影響也可直接忽略不計。

④組件積木化，便于設計安裝。光儲供電系統容量可根據基站功率靈活調整，而且安裝簡單、便捷。

⑤安全性高。不會應用到燃料，只要規范設計、安裝合理，就能保障系統高安全運行。

2 光儲供電系統設計

2.1? 系統架構

光儲供電系統具有布局緊湊、結構簡單的特點，具體涵蓋了能源儲存系統、基站用電氣設備等重要部分，緊急時作為基站的應急電源使用[4]。光伏模塊與電池儲能系統相連成為專門負責供電的光儲一體機，以確保基站的DC穩定可靠運行。

2.2? 基站負荷

由于各種基站負載功率與覆蓋范圍區別較大，這里以街頭常見的宏基站為例。宏基站用電負荷主要體現在信號發射器和空調兩方面，它們的最大功率分別為5.8kW、1.5kW。

2.3? 基站光儲供電系統的容量設計

在現實場景中，只需圍繞以下兩方面展開科學且嚴謹地計算與分析，就能快速、精準地確定出光儲供電系統的最佳容量設計方案[5]。

①光伏板。光伏板總功率＝負載功率×用電時間（h）/日照峰值用電時間（h）/損耗系數（0.75～0.80）。在本設計中，已明確設備基于5000W下負載運行，用電和日照峰值的用電時長分別為24h、3.54h，因此將這些已知參數套入公式中可直接確定出其總功率為45197W。

②蓄電池。蓄電池容量＝安全系數（通常取1.1）×負載日平均耗電量×最長連續陰雨天數（通常取3天）/蓄電池放電深度（通常磷酸鐵鋰電池取0.8）。結合上文提到的運行參數，經公式計算得知其容量為10313Ah。

2.4? 光儲供電系統配置

光儲供電系統拓撲具體涵蓋了光伏一體機、光伏組件等相關部分[6]。光儲供電系統配備5kW光儲一體機和5.12～10.24kWh磷酸鐵鋰電池組。即便以50%容量進行深度放電，仍能保證供電時長達到9.4h以上。由于該系統日發電10.4kWh，因此可延長供電時長3.7h，足以滿足相關需求[7]。

2.5? 光儲一體機

2.5.1? 光儲一體機組成

光儲一體機涵蓋了電源、控制、通信等多模塊，具有結構緊湊、布局規范的特點，不僅能從源頭上保證光伏發電的高效性，還能大幅提高本地負載供電的可靠性，最大限度延長電池使用周期等。在實際應用中，只要科學管理能量，就能將一體機功能優勢發揮到極致[8]。

2.5.2? 光儲一體機功能

光儲一體機在保障系統正常啟動、穩定可靠運行方面發揮了舉足輕重的作用[9-10]。本質上來講，它是光伏組件連接到光儲一體機的光伏端口。配置5kW光儲一體機，可支持并/離網切換、離網多機并聯、后備UPS、EMS能量管理系統、離網交流額定功率輸出等。

在受災無電網場景下，系統采取微網工作模式，具體方式如下：①光伏組件和電池形成純離網系統。②如果光伏能量充足，光伏會優先給負載，如果還有余量則提供給電池。③當光伏電量不足時，電池將向負載供電。

3 光儲供電系統在消防通信保障中應用的案例分析

本文以為河南省焦作市消防救援隊伍設置一套配置光儲供電系統的移動基站進行消防通信保障為例，根據中國的太陽能資源分布可知，河南省是典型的三類地區，年太陽輻射量不低于5000MJ/m2，最高時則達到了5850MJ/m2。根據資料得知，焦作市每天日照時間不低于7h，年均氣溫穩定在14℃左右，年均日照時長則達到了2293.7h，相當于日輻射量3.8～4.5kWh/m2。

本基站利用太陽能電池為蓄電池充電，多余能量用于空氣調節系統進行室溫調控，采用直流配電方式為各設備運行提供穩定、持續的電能。基站內全部采用直流電源燈具，并通過移動逆變器提供的交流電源來保障檢修維護工作穩定開展。

3.1? 基站基本情況

正常情況下，通信基站運行在直流20A、電壓48V的連續負載狀態下。①負載情況：其年耗電量為8432.64kWh；②總線結構：因為是直流連續負載，所以搭建了直流總線結構；③總線電壓：因為系統基于48V環境下運行，所以配備了48V總線。

3.2? 實際運行效果

通信基站接入光伏發電系統后，經過26天的運行發現，在15天晴天、4天陰天、7天雨天的條件下，總發電量不低于139.7kWh，日均發電量為5.3kWh，晴天時系統可發電8.22kWh。以日照8h為標準進行分析，光伏板的環境因子為0.9，日發電量可達到12.1kWh，在日照有效6.9h的情況下，日平均發電量為10.4kWh，當受災斷電時，光伏發電系統供電。即便在受災情況下以50%容量進行深度放電，仍能保證供電時長9.4h以上。由于該系統日發電為10.4kWh，供電時長可增加3.7h，達到12h以上。根據相關資料可知，12h的通信保障時間可以滿足消防救援人員在災后黃金時間進行救援的通信需要。

4 光儲供電基站在消防救援中的應用分析

在特大自然災害發生時，自然環境一般十分惡劣，并且還存在許多不確定因素，通信條件也較為復雜。受到許多因素的干擾，災情也是瞬息萬變的，如果通信不暢，將會給消防救援人員的救援造成不必要的資源和人力浪費。如果在相應區域設置光儲供電基站，一旦發生災害斷電，可以在受災初期維持消防救援所需的通信，幫助消防人員迅速構建起多級通信指揮網絡，領導指揮機關可以迅速下達各種命令并及時了解受災情況進而使指揮中心做出正確有效的決策來支持救援工作，防止因通信問題而延誤救援最佳時機。同時，可為相關應急專用通信網絡的布置架設爭取寶貴時間，能夠組織建立服務于應急救援的消防救援專用通訊網絡，可以在災害現場快速建立上下貫通并且獨立的應急通信指揮調度網，提高應急通信的能力，從而構建起一個三維立體無縫覆蓋的、多元化的應急通信網絡體系，對應急通信保障形成強有力的支持。

5 結語

當前，日益嚴峻的極端天氣災害形勢對消防應急通信保障提出了越來越高的要求[11]，而本文設計的基于光儲供電的基站應急保障系統可為消防通信保障體系的完善提供新思路，該技術有望在消防應急通信保障上實現新的應用，切實提高消防救援隊伍基層隊站在受災條件下的應急通信能力。

參考文獻：

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[2]彭昆.光伏發電在通信基站直流供電系統中的新應用[J].通信電源技術，2020，37（9）：84-86.

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[4]許亮鵬.基于光伏發電的通信基站供電系統改造方案[J].電子世界，2018（24）：158+160.

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[6]王建鋒，王輝.淺析光伏供電系統在移動通信基站中的應用[J].數字通信世界，2018（9）：198.

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[11]梁云杰.“斷路斷電斷網”等極端條件下應急通信保障對策[J].消防科學與技術，2021，40（3）：449-452.

Research on emergency communication

support of optical storage and power

supply base station for fire rescue

Feng Shuaiqi1，Chang Jie2，Chen Zhe3，Tao Jiangtao3

（1.China Fire and Rescue Academy Cadet Team 5，Beijing 102202;2.Henan Water Conservancy Research Institute，Henan Zhengzhou 450003;3.Henan Shunshui Engineering Inspection Co.，Henan Zhengzhou 451450）

Abstract：The importance and necessity of the emergency communication security of firefighting base stations are explained with the example of the "7-20" special rainstorm disaster in Zhengzhou， Henan Province in 2021. The research designs an emergency protection system for firefighting base stations based on optical storage and power supply， and designs and simulates the actual operation effect， and finally explains and analyzes its application in firefighting and rescue and clarifies the design and research ideas of this system.

Keywords：optical storage power supply system; communication base station; emergency communication; guarantee method; photovoltaic power generation