基于鉛碳電池的通信基站儲備一體化智能運營研究與實踐

摘要：隨著“雙碳”戰略的深入推進，在保障安全穩定供電的前提下，最大化實現通信站點的節能減碳、降本增效具有重要意義。本研究聚焦于大規模通信基站應用場景，以鉛碳動力電池先并后串為能量基礎拓撲架構，提出了一種新型的儲備一體化方案。通過數智化運營的方式，探討如何利用儲備一體化數智化技術實現更高效的能源管理和資源配置。研究結果表明，該創新模式不僅有效降低了企業的能耗成本，還優化了能源使用效率，為“雙碳”目標下儲能系統的規?；瘧锰峁┝饲袑嵖尚械慕鉀Q方案。

關鍵詞：通信基站；鉛碳儲能；儲備一體化；數智化技術；能源管理；備電安全

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）06-0120-03開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

0 引言

在全球能源轉型的背景下，清潔能源比例逐步提高，為實現環保、可持續的能源未來提供了重要支撐[1-3]。隨著通信技術的快速發展，基站作為信息傳輸的重要節點，其穩定性和可靠性在保障市電供電穩定的前提下顯得尤為重要[4]。為保障基站在市電發生故障時的不間斷供電需求，基站在建設時通常配套安裝備用電池作為后備電源[5]。然而，傳統備用電池存在局限性，鉛碳電池已成為后備電源的優選方案。

鉛碳儲能系統在放電截止時仍保有30%的容量，可保障基站在市電中斷情況下運行3小時，特殊情況下最長可提供13小時的備電時長。這種特性為基站在市電故障時的快速響應和持續供電提供了可靠保障。此外，搭載鉛碳儲能數智化管理技術，不僅能夠確保通信供電穩定和備電安全有效運作，還能夠優化負荷響應，提升資源配置效率，從而實現收益最大化。

在此背景下，本文提出的儲能數智化技術方案通過整合儲備一體架構、儲備一體計算模型與數智化運營平臺，構建了一個高效且可靠的能源儲備與管理系統。這一創新性方案不僅增強了能源管理的系統性和靈活性，而且為應對日益復雜的能源需求提供了有效解決方案。通過系統協同優化，該方案顯著提升了能源利用效率與投資收益。2024年上半年，該方案共節省電費794.85萬元，整體項目效益達到7 721.4萬元，為基站在應對電力波動時的應急供電能力和經濟效益提供了雙重保障。通過對該技術的深入分析，我們希望為基站的能源可持續發展提供新的思路和方向。

1 傳統電力系統的挑戰與機遇

傳統基站運營面臨以下4大挑戰。

1）蓄電池報廢更新無法滿足其性能劣化的進度且故障不可預知，存在斷電隱患風險。

2）隨著全國各地電網企業代理購電價格陸續公布，據北極星儲能網統計，全國電價差0.7元以上的省市有13個，電價差0.4元至0.7元的省市有10個。其中，廣東省峰谷、尖谷度電價差分別高達1.028 8元和1.347 0元。峰谷價差較大，具備良好的儲能削峰填谷效益挖潛空間。

3）電力調峰調頻與能源調優無法協同響應，存在響應速度慢、調峰能力有限的問題。利用儲能設備在電力需求低谷時儲存電能，在高峰時釋放電能，可實現調峰調頻。

4）大量開關電源與蓄電池的投資沉沒成本難以轉化為公司效益。

因此，開展鉛碳儲能儲備一體數智化運營不僅降低了用能成本，同時為通信站點的削峰填谷效益精準挖潛和備電安全提供了典型應用示范。

2 儲能數智化技術方案

本文提出的儲能數智化技術方案結合了儲備一體架構、儲備一體計算模型和數智化運營平臺，從而實現高效、可靠的能源儲備與管理。首先，儲備一體架構是該方案的基礎，主要由鉛碳電池、智能電池管理系統（Battery Management System， BMS）和開關電源三部分組成。鉛碳電池因其優異的安全性能和長時間儲能能力，成為儲能系統的核心組件。同時，智能BMS發揮著至關重要的作用，通過實時監測電池的狀態（包括充放電電壓、電流、溫度等參數），優化電池的充放電策略及使用效率，延長電池的使用壽命。此外，開關電源不僅提高了能量轉換效率，還能夠根據實際需求調節輸出，為整個系統的穩定運行提供保障。

儲備一體計算模型通過建立站點內儲能電池的放電深度（DoD）、循環次數以及電池成本之間的關系模型，為系統優化提供數據支持。這一模型能夠幫助用戶在不同運行條件下精確評估電池的性能和經濟性，從而做出科學合理的決策。數智化運營平臺則通過結合前端能源服務項目與后端能源服務管理，實現一站式運營，有效提高工作效率。

2.1 儲備一體架構方案

2.1.1鉛碳儲能優化

通信站點的新型儲備一體鉛碳儲能以SMC輕型材料為結構骨架，以鉛碳電池先并后串為能量基礎拓撲架構，以BMS為核心控制系統，通過隨機脈沖、動態均衡、背板液體熱傳導等技術進行優化，并通過對接通信站點48V直流母線完成系統接入。

相比發電側儲能或交流接入方案，本方案減少了輸配電環節和交直流轉換環節的能量損耗，提高了用能效率。通過對鉛碳電池進行多路并聯后統一串聯的方式，減少了單個電芯性能變化對電池系統整體均衡性的影響；結合隨機脈沖與動態均衡技術，大幅提升了儲能系統整體的循環壽命，降低了儲能系統的使用成本；通過背板液體熱傳導熱管理技術，大幅提升了儲能系統熱管理能力和效率，為儲能電池提供了最適合的溫度工作區間，進一步延長了電池的循環壽命。

通過對接通信站點直流母線和開關電源完成能量流接入，通過對接動環監控完成信息流和指令流的接入，實現削峰填谷與備電保護的儲備一體核心功能。綜合考慮經濟效益和循環壽命，鉛碳電池需控制在60%～75%的放電深度[6-7]，并將儲能系統放電截止時的剩余電量作為通信站點的備電儲備，可同時滿足儲能循環壽命與備電需求。

2.1.2開關電源

開關電源對儲能系統在充電、放電和靜止狀態下的控制，是確保設備穩定運行和提高能效的關鍵。

充電時，開關電源接收儲能EMS的恒壓電壓值（56.9V）和充電限流比（10%）后，若開關電源監控母排的電壓遠低于恒壓電壓設定值，整流模塊在保證負載輸出的同時，將按照電池的實際充電電流（10%×電池容量）對電池進行充電。直至電池電壓達到恒壓設定值56.9V后，整流模塊穩定在56.9V電壓輸出，此時對電池的充電電流將持續減小。一般情況下，充電過程分為浮充和均充兩個狀態。浮充電壓一般設定為53.5V，均充電壓一般設定為56.5V-57.6V。均充狀態下有均充時長（10小時）和均充轉浮充的電流（2%限流比）作為判斷依據。當開關電源從浮充狀態進入均充狀態后，均充時長開始倒計時，直至10小時結束，開關電源自動從均充狀態轉為浮充狀態。當均充狀態下電池充電電流小于均充轉浮充的電流（2%×電池容量）時，也會從均充狀態轉為浮充狀態。

靜止時，開關電源接收儲能EMS的靜止指令后，開關電源監控通過步進式調節整流模塊的輸出電壓，直至與電池電壓趨同，從而調節整流模塊的輸出電流，使電池的放電電流或充電電流逐漸減小。當整流模塊與電池的電勢接近后，電池處于相對靜止狀態。

放電時，開關電源接收儲能EMS（Energy Management System）的放電目標電壓（如46.5V）后，若開關電源監控母排電壓高于放電目標電壓，整流模塊將進入待機休眠狀態，轉由電池對負載供電。直至電池電壓下降至放電目標電壓后，整流模塊進入浮充輸出狀態，保證母排電壓穩定在放電目標電壓，并對負載進行供電。由于整流模塊輸出的電壓與電池電壓趨同，電池側的電流輸入輸出將接近0，整流模塊輸出的電流將完全隨負載的變化而變化。

2.2 儲備一體計算模型

儲備一體計算模型是結合電池SOC（電池荷電狀態）和充放電優化的智能管理方案。在該模型中，SOC模型作為核心部分，通過實時監測電池的充電狀態，精確計算電池的剩余電量，從而為充放電管理提供基礎數據。在充放電優化方面，該模型通過引入優化算法，精準控制充放電功率和電流，減少能量浪費，并盡可能延長電池的使用壽命。通過實時分析負載變化和電價波動，模型能夠智能調節放電策略，在峰谷電價差異較大的情況下，利用低谷電價時段進行充電，在高峰時段進行放電，從而實現最大程度的成本節約。

2.2.1 SOC模型

SOC是衡量電池剩余能量的關鍵指標，準確檢測和調節SOC能夠確保電池在最優工作范圍內運行，避免過充與過放，從而延長電池壽命并提高系統的整體效率。

安時積分法在短時間內具有較高的精度，但在進行長時間積分時容易出現漂移現象。而電壓法在短時間測量中會受到電壓采樣誤差和電流擾動誤差的影響。為了解決以上問題，本模型采用互補濾波技術，去除安時積分法中的低頻噪聲以及電壓法中的高頻噪聲，其目標函數為：

式中：i 為電流，soc_vol是由標定放電電壓得到的soc 數值，soc_ah（S）=i（S）/S 是通過安時積分得到的soc數值，Tau 是一階慣性環節的時間常數。

在充放電過程中，通過充放電截止SOC可以確定充放電量是否達到目標要求，同時避免欠充、過充、過放現象的發生，確保電池安全運行，避免系統過早失效。此外，準確的SOC是動態充放電策略規劃的前提。

2.2.2 充放電優化

充電階段主要以減少充電時長和減小充電溫升為主要目標，具體方法如下所示。

1） 根據充放電策略確定充電時長，并根據開關電源總負載及電池容量確定充電電流范圍。

2） 遍歷各個充電電流，得到恒流階段充電量和恒壓階段充電量，總充電量為兩者之和；并根據電池內阻計算充電階段的熱損耗及充電效率。

3） 取滿足充電效率目標要求且充電量滿足目標要求的最大電流作為充電電流。

放電階段主要以控制放電時間和放電條件以達成收益最大化為目標，具體實現步驟如下所示。

1） 獲得儲能站點對應時間的電價和電量數據。

2） 將一天分成多個時間長度相等的時間分段。

當第i 個時間分段的電價Pi等于最低電價P_min時，對其進行充電；當P_i大于P_min時，對其進行放電。

3） 確定可優化放電區間D_P，即所有時間分段中無充電操作且含有至少兩種不同的電價。

4） 確定每個可優化放電區間D_P中每個時間分段的具體充放電操作，使用遍歷算法對所有時間分段進行充電或靜置的排列組合，得到每組排列組合的動作集合及其對應的放電總收益，選擇放電總收益最大的排列組合的動作集合作為放電優化調節的最優解。

2.3能源數智化運營平臺

能源數智化運營平臺圍繞儲能運營、運維等核心業務，設計并實現了儲能狀態監測、電池健康診斷、充放電策略優化、儲能安全告警等核心功能。

通過在儲能系統中安裝電池管理系統 BMS（Bat? tery Management System），實現對電壓、電流和溫度等數據的毫秒級采樣。該系統能夠在本地進行基礎的電池健康評估和儲能系統容量（SoC）計算，同時生成不同類型的分鐘級數據切片，并將其上傳至云端的能源數智化運營平臺。

電池電壓極值、電池組間壓差、電池組間溫差、電流變化等二次計算信息是評估電池性能與健康狀態的關鍵指標。通過綜合考慮以上因素，可以進行更為精準的電池健康評估與故障診斷，進而動態優化電池的儲能與備電策略，并延長電池壽命。

平臺使用站點內儲能電池的DoD、循環次數及電池成本三者的關系模型，結合尖、峰、谷等不同電價，動態獲取各電價場景下的最優DoD 及放電策略。結合最優DoD 和安全備電最小SoC，通過短期DoD與收益和長期循環壽命之間的對抗博弈，尋找最優放電深度平衡點，實現電池系統的最優儲備一體策略。

通過多種異常捕獲模型，平臺能夠實時監控各種異常行為，并對超過安全邊界的異常站點及其相關設備發出三級報警。對于所捕獲的異常告警，運維機器人將依照異常處理表執行相應指令，實施停用儲能或調整相關設備的運行狀態（例如，在高溫異常告警情況下增加液冷功率）。這一系列措施將持續進行，直至異常狀態恢復，以確保儲能系統的安全、穩定運行。

3效益分析

2023年，浙江移動共完成2271個站點的鉛碳儲能改造，并于2023年2月開始陸續投入使用。目前，鉛碳儲能項目已規模推廣至浙江鐵塔、浙江電信，而浙江聯通和廣東聯通則進行了試點。由于浙江省電價每月波動，以下以浙江移動2024 年上半年的儲能運營情況為例進行效益評估。

2024年上半年，共投入鉛碳儲能儲備一體化運營基站2 271 個，實際節省電費794.85 萬元，推算整體項目10 年期共節省電費15 897 萬元。相較于傳統備電系統的投資，雖然10 年期新增投資10 446.6 萬元，但節省電費達15 897 萬元。同時，考慮到后續預計每年增加維護費227.1 萬元，測算本項目的回收周期為7.67 年。此外，估算電池殘值回收金額為4 542 萬元，項目整體效益達7 721.4 萬元。

4 結束語

本研究通過構建新型儲備一體解決方案，結合鉛碳儲能背板液流熱管理、充放電動態管理及智慧運營平臺等先進技術，成功開發出一代新型儲能系統。通過對動力鉛碳電池進行多路并聯后統一串聯的方式，減少了單個電芯性能變化對電池系統整體均衡性的影響；結合模型優化算法，大幅提升了儲能系統整體的循環壽命，降低了儲能系統的使用成本。通過背板液體熱傳導熱管理技術，大幅提升了儲能系統熱管理的能力和效率，為儲能電池提供了最適合的溫度工作區間，進一步延長了電池的循環壽命。

儲能系統通過與基站的直流母線、開關電源、動環監控分別對接，實現能量通道、控制通道及數據通道的全面連通，從而實現削峰填谷、儲備一體、需求側響應等功能。這些關鍵技術的綜合應用不僅提升了儲能系統的整體性能，也為未來能源管理提供了重要參考，具有廣闊的應用前景和實際意義。