鐵塔基站能源設(shè)施一體化研究

陶現(xiàn)名

（中國鐵塔股份有限公司云南省分公司，云南 昆明 650000）

0 引 言

目前，鐵塔基站能源系統(tǒng)已從過去的一套開關(guān)電源加兩組鉛酸電池，演變成現(xiàn)在的一套開關(guān)電源加斷電傳感器、分路計量裝置、油機發(fā)電識別、電池共用管理器、負載智能管理器、鉛酸電池、鋰電池、梯次電池、5G特殊配電裝置、市電/油機切換設(shè)備以及仍在不斷出現(xiàn)的新設(shè)備所構(gòu)成的復(fù)雜能源系統(tǒng)，打亂機房的空間規(guī)劃，機柜被新增的能源設(shè)施占用，變得更加擁塞。大量新設(shè)備輸入電纜從開關(guān)電源引電，占用了開關(guān)電源的直流配電資源。新設(shè)備接動環(huán)又導(dǎo)致智能動環(huán)監(jiān)控單元（Field Supervision Unit，F(xiàn)SU）不斷擴容，大量上傳信息交叉重復(fù)，不但增加了不必要的信息量，還降低了動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的效率。新增設(shè)備重復(fù)上站施工，故障點逐漸增加，給建設(shè)維護帶來了極大壓力，鐵塔基站亟需一種有效的能源系統(tǒng)。

1 基站能源設(shè)施一體化概述

當一個地方出現(xiàn)一座鐵塔后，附近就可能會出現(xiàn)第二座、第三座鐵塔，每座塔下還會有機房和相應(yīng)的能源配套等設(shè)施。由于這些設(shè)施屬于不同的運營商資產(chǎn)，導(dǎo)致基站鐵塔、機房內(nèi)部空間以及能源配套設(shè)施的利用率非常低，因此提出了共建共享的策略[1]。中國鐵塔股份有限公司（以下簡稱中國鐵塔）成立后，運營商將基站移交給中國鐵塔，基站資源實現(xiàn)了共享，基站重復(fù)建設(shè)問題也得到了有效解決。通過基站共享，為鐵塔基站能源設(shè)施一體化建設(shè)提供了可借鑒的思路。

基站能源設(shè)施的核心是開關(guān)電源，但傳統(tǒng)開關(guān)電源功能并不能滿足多家運營商設(shè)備差異化供電需要。為了彌補傳統(tǒng)開關(guān)電源功能不足，中國鐵塔各分公司根據(jù)自身需要給能源系統(tǒng)打“補丁”，各種新技術(shù)、新設(shè)備不斷應(yīng)用到基站系統(tǒng)上。經(jīng)過多年積累，系統(tǒng)變得更加臃腫復(fù)雜，帶來不少新問題。事實證明，過多的補丁無法形成一個高效、經(jīng)濟的基站能源系統(tǒng)。基于此，必須通過系統(tǒng)化的設(shè)計將系統(tǒng)的每個組成部分、每種功能、每項指標以及平臺各項內(nèi)容構(gòu)成一個有機整體[2]。

2 基站能源設(shè)施一體化實現(xiàn)措施

2.1 組成單元模塊化

一體化首先需要一個標準化的硬件架構(gòu)，用來承載原來那些分散的能源設(shè)施，包括開關(guān)電源。標準化的架構(gòu)意味著各種功能單元需要模塊化，但由于不同單元的性質(zhì)、用途存在差別，因此不應(yīng)該將模塊化簡單理解為大小規(guī)格一致，而應(yīng)該根據(jù)實際需要對模塊進行分類標準化，降低模塊化的實施成本和技術(shù)難度。基站能源設(shè)施功能單元中，開關(guān)電源、電池共用管理器、負載智能管理器、交流配電設(shè)施、斷電傳感器以及油機等均是模塊化的對象。

2.2 整流單元公用化

隨著各種補充功能設(shè)施的介入，基站開關(guān)電源的功能空白逐步被填補。整流器是一種將交流電壓變換為直流電壓的裝置，一般由整流模塊并聯(lián)組成。一體化系統(tǒng)可以依據(jù)不同品牌整流模塊設(shè)計倉格，使過去只能在廠家開關(guān)電源上專用的整流模塊變?yōu)榭梢栽谝惑w化能源系統(tǒng)上通用的整流模塊。整流模塊共用可以使大量庫存模塊以及從退役開關(guān)電源上拆卸下來的整流模塊得到充分利舊，經(jīng)濟效益非常可觀。

2.3 直流配電智能化

將傳統(tǒng)開關(guān)電源的直流配電系統(tǒng)分解為多個智能化子系統(tǒng)，基站運營商可以依據(jù)與通信運營商簽訂的保障協(xié)議供差異化供電服務(wù)。例如，售電起租服務(wù)只有在用戶完成售電流程后，對應(yīng)子系統(tǒng)才會有電流輸出。如果在免責時段發(fā)生停電，智能配電子系統(tǒng)還可以按照具體協(xié)議條件向運營商設(shè)備提供差異化的電池備電服務(wù)。直流配電智能化系統(tǒng)還可以準確統(tǒng)計各家通信運營商設(shè)備的直流耗電量，作為基站電費分攤的基礎(chǔ)依據(jù)。

2.4 電池并聯(lián)自由化

由于電池在使用過程中性能會有所下降，不同電池性能下降程度不一樣，因此即使電池組性能開始完全一致，但是最終都等同于差異電池組并聯(lián)。性能不一致的電池長期并聯(lián)便會相互充放電，最終導(dǎo)致電池損壞。由于傳統(tǒng)開關(guān)電源一直禁止不同品牌、不同時期、不同容量以及不同類型的電池組并聯(lián)使用，造成了大量的有用電池浪費，因此一體化能源系統(tǒng)應(yīng)具備電池共用管理功能，在符合應(yīng)用規(guī)范與安全性要求的基礎(chǔ)上允許差異電池自由接入。

2.5 直流變換最小化

目前，通信行業(yè)中存在用雙向直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）變換器解決一切電池電壓差異問題的趨勢，例如將雙向DC/DC變換器植入鋰電池使之成為智能鋰電池、將雙向DC/DC變換器植入電池共用管理器使之成為萬能電池合路器等，但雙向DC/DC變換器成本較高，很難實現(xiàn)大規(guī)模推廣。如果充分利用整流模塊，只需要一次DC/DC變換就可以解決常見電池電壓差異問題[3]。一體化能源系統(tǒng)可以通過整流模塊與電池共用管理模塊的互動，在不額外增加雙向DC/DC變換的情況下實現(xiàn)不同品牌、不同時期、不同容量以及不同類型的電池組共用，降低基站運營成本。

2.6 市電儲能混動化

基站能源共享意味著能源調(diào)度變得簡單易行，當需要利用電價差異降低基站運行電費時，可以采用“削峰填谷”模式。利用鋰電池循環(huán)充電性能較強的優(yōu)點，在電價高峰時段讓鋰電池放電，在電價谷值時段讓鋰電池充電。即使是在電價平值時段，也可以根據(jù)鋰電池容量富余情況讓鋰電池與市電混合供電，進一步降低市電成本。

2.7 交流配電智能化

當基站需要發(fā)電時，傳統(tǒng)發(fā)電方式需要人員進入基站倒換市電與油機轉(zhuǎn)換開關(guān)。但很多情況下，人員無法及時進入基站，需要對交流配電進行智能化改造。當市電恢復(fù)以后，系統(tǒng)可以從油機自動倒換回市電。智能交流配電單元應(yīng)具備市電和油機發(fā)電自動識別能力，避免瞞報、虛報發(fā)電量。由于5G負荷較大，因此傳統(tǒng)單臺油機不再適用，智能交流配電應(yīng)允許多臺油機同時發(fā)電，發(fā)電時還可以不對空調(diào)供電、不對電池充電。

2.8 結(jié)構(gòu)布局實用化

傳統(tǒng)模塊化開關(guān)電源的設(shè)計特點是模塊規(guī)格全部一致，排列整整齊齊，看似美觀但不實用。一體化建設(shè)應(yīng)關(guān)注整機結(jié)構(gòu)的合理性和使用的方便性，從而有效提高工作效率。

3 云南鐵塔能源設(shè)施一體化實例

3.1 多功能集成式電源

云南鐵塔基站能源一體化研究成果為一種多功能集成式電源，如圖1所示。設(shè)備集成了交流智能配電分機、整流單元、直流智能配電單元、電池共用管理單元、電壓采集單元以及其他可以自由擴展的單元（太陽能控制單元、300～750 V高壓直流遠供單元以及57 V恒壓輸出單元等），這些單元可以替代現(xiàn)在的基站開關(guān)電源、蓄電池共用管理器、直流智能配電設(shè)備、太陽能控制設(shè)備、直流遠供局端、升壓模塊、斷電傳感器以及分路計量設(shè)施等[4]。

圖1 多功能集成式電源設(shè)備

3.2 多功能集成式電源應(yīng)用場景

多功能集成式電源的完整應(yīng)用場景如圖2所示。除了具有常規(guī)開關(guān)電源的功能外，用戶設(shè)備還擁有各自獨立的直流配電空開。鉛酸電池可定義為后備電池，鋰電池可定義為儲能電池，儲能電池與市電混動。使用太陽能時，可以將部分電池共用模塊調(diào)整為太陽能控制模塊，實現(xiàn)太陽能與市電互動。如果需要拉遠供電，那么可以將部分電池模塊調(diào)整為升壓模塊。隨著5G負載增加，原來的小容量油機發(fā)電已不適用，可以采取3臺小容量油機同時發(fā)電，解決大容量油機無法搬運的問題[5]。

圖2 多功能集成式電源應(yīng)用場景

3.3 試點效果分析

多功能集成式電源樣機于2021年9月上線試點，2022年4月通過了中國鐵塔云南分公司相關(guān)部門組織的驗收。基站能源設(shè)施一體化對于解決老舊機柜內(nèi)部空間設(shè)備擁擠、電纜排列錯綜復(fù)雜、功能設(shè)施擠占機柜空間并占用FSU通信線路、蓄電池浪費大以及油機發(fā)電管理困難等問題均能起到良好的作用，不會再出現(xiàn)圍繞傳統(tǒng)開關(guān)電源功能不足而不斷補充新設(shè)備的情況。基站運維管理的工作重心會從過去的不停上站施工、設(shè)備巡檢，逐漸調(diào)整到專注于技術(shù)研究和系統(tǒng)運行指標管理。此外，通過基站能源設(shè)施一體化建設(shè)，設(shè)備投資下降30%，蓄電池浪費減少30%，綜合施工費用減少50%，電纜消耗量減少60%，經(jīng)濟效益十分可觀。通過精準利用免責時段服務(wù)協(xié)議實施差異化供電服務(wù)，還能大幅降低基站運維成本。

4 結(jié) 論

隨著新的運營商設(shè)備入場和先期設(shè)備擴容，傳統(tǒng)開關(guān)電源功能已經(jīng)無法滿足新的發(fā)展需求。通過鐵塔基站能源設(shè)施一體化建設(shè)，可以保障開關(guān)電源等設(shè)施安全高效運行，同時避免一些不必要的重復(fù)投資，為行業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。