4G时代末梢网元供电解决方案之探讨

王 烨，何 俊

（1.中国电信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州310001；2.杭州信控科技有限公司，浙江 杭州310030）

0 引 言

随着运营商4G牌照的发放，带来了新一轮的网络建设高峰，通信网络规模日益扩大，网络格局正发生着巨变。末梢网元是指处于通信网络末梢，安装于通信机房以外：如楼道、商务用房、楼顶、路边、杆上、野外等场景的各类通信网元设备，包括无线类的室外基站、射频拉远、室内分布、直放站，数据类的一体化DSLAM、楼道交换机，以及交换接入类的EPON／GPON、室外AG等。分布式基站的建设模式及EPON／GPON技术的广泛应用使得末梢网元数量迅速增加，造成网络设备的分散。尤其是4G基站的密集分布，基站间隔缩短至500 m左右，如何有效解决通信网络的供电保障和维护问题，是确保网络设备安全可靠、稳定运行的一个重要课题。

本文从传统供电模式存在的缺点出发，提出了集中式直流远供电源、基于高温电池和铁锂电池的室外UPS一体化电源等供电模式，为构建4G时代末梢网元设备提供可靠的供电模式。

1 几种传统供电模式和特点

1.1 供电方式一：市电直接供电

现在最常见的方式是直接从市电网取电，这种供电方式也是最简便的一种，其直接投资成本低。但缺点也较多：

（1）电源质量差，容易造成故障；

（2）拉闸停电以及电力维修、电网故障会造成服务中断；

（3）电网电压波动大、畸变严重，容易引入浪涌和雷击，影响设备功效，甚至损坏设备；

（4）若采用专线供电，专用电表、商用电价等造成高额的运营成本；

（5）安装维护需供电局、外单位或市民协助，管理成本高。

1.2 供电方式二：市电＋UPS

针对供电方式一存在的问题，最直接的改进是考虑采用一种市电＋UPS的供电方式，即在各终端设备旁配备小型UPS不间断电源或直流通信电源。

本地加装UPS或通信电源解决方案的优点是：技术成熟、价格相对合理、已有大规模应用。但由于引入电池设备并安装于弱电井、室外等环境，因此也存在许多不足：

（1）可部分缓解停电影响，但后备时间受所配电池容量影响，难以同宏站的工作时间同步；

（2）无电力供应处难于实现供电；

（3）UPS主机因环境因素容易损坏（弱电井或室外安装，环境非常差，灰尘多，高低温：－40～50℃）；

（4）需找地方安装体积庞大的且笨重的UPS电源；

（5）公共电网引入的雷击损坏依然存在；

（6）需要协调安装地单位或市民等，接受取电单位的协调电价；

（7）体积大，沉重，占用安装面积大，安装地选址麻烦；

（8）核心部件——蓄电池受环境温度影响，寿命非常短。一般1～2年需要整体更换，维护工作量大，费用高，需要不断投入电池更新费用；

（9）UPS设备和蓄电池易被盗。

根据上述供电方式一、二存在的问题，提出以下几种适合末梢网元设备的供电解决方案。

2 集中式直流远供电源供电模式

2.1 系统简介

集中式直流远供电源系统利用机房稳定、可靠的供电保障系统，在机房内放置局端升压设备，将－48 V直流电升压至DC280 V～400 V，通过铜、铝介质经分路分配单元，传送至远处的末梢网元处，通过远端设备将电压转换成末梢网元所需电压，进行供电及提供后备电源保障。将原有分散供电进行集中供电，集中管理。

集中式直流远供电源系统主要由局端设备、远端设备、分配（防雷）单元及传输介质组成：

（1）局端设备：将－48 V直流电隔离升压到连续可调的280～400 Vdc，具备完整的监控、保护均流及冗余功能。

（2）远端设备：将输入的高压直流变换成符合通信设备的适用电压－48 V dc。

（3）分配（防雷）单元：分路配电及保护，隔离故障支路，分简易型及智能型两种，智能型具有更多的保护功能和相应的监控设置功能及支路故障隔离功能。

（4）输电线缆：实现直流电压的传输。集中式直流远供电源系统如图1所示。

图1 直流远供电源系统

2.2 系统组网注意事项

集中式直流远供电源系统组网时需注意如下几点：

（1）系统安全分级保护

在室内分布或其他容易被非电气专业人员碰触的场合，采用直流140 V及以下远供电压；在高于140V以上等级电压馈电时，所采用线缆和施工、维护措施，要求按照有关电力电缆施工维护规程要求，做好人身安全防护工作。

（2）对电缆的安全保护

在日常传输中，存在电缆破损或被盗剪的可能，为此，采用供电浮地传输——碰触一极不会触电，系统应设置漏电、开路、短路、强电入侵、过载、过压等完整的系统保护功能。

（3）针对一对多星型组网系统的安全保护

针对一对多的星型结构供电系统，宜采有电子型分配器，对每个分路完成开路、短路、过载等监测保护，保护速度在50 ms以内，能确保传输线路被人为破坏，引起传输链路二极短路或开路时，及时关闭供电。

2.3 直流远程供电的优点

（1）降低管理成本

采用远程供电的整个流程，在运营商安装部门内部就能完成，无需“供电局、外单位或市民”的协助，大大降低了管理成本。

（2）降低新装网点的工程成本

采用远程供电系统，供电部分可以同通信终端设备一起安装，不需向供电局申请专用线路，或向外单位接用市电，更不需找地方安装体积庞大且笨重的UPS电源，大大地节省工程成本，加快了工程进度。

（3）降低运维成本

当供电设备点多面广时，市电加UPS的供电方式涉及大量的运行维护成本；远供电源是一种免维护产品，大大地降低维护成本，解决了因市电的波动、雷电干扰、停电时间长所带来的种种问题，节省了大量的维护工作量，同时也避免了需要外单位人员协助才能维护的局面。

远程供电模式在电力引入费用、停电影响、施工周期方面具有较大的优势，而在特种光缆或电缆材料费需要额外负担一部分费用，在施工方面需要铺设线缆，但一般也大大低于电力引入的投资。而4G的网络密集分布，线缆费用大大降低，和光缆同步铺设或者直接采用光电复合缆，可以使得施工便利，从而使网络的建设具有更大的灵活性，节省整体投资运行费用。

2.4 环保和节能减排效果

此外，远程直流系统供电由于采用的是在宏站等具有机房空调等环境要求较好的机房内蓄电池组集中供电形式，一方面，降低了维护的人工工时，有效地提高供电的可靠性，从而提高通信质量；另一方面，由于采用集中直流供电形式，可以省却末梢网元所需的大量UPS或通信电源。由于户外环境温度影响，蓄电池使用寿命普遍只有1－2年，而远供系统使用的是通信电源组电池，使用寿命普遍达10年左右，从而可大幅度降低蓄电池的更新，减少铅污染。

另外，由于采用远程供电，远端设备可以省却小机房或带空调的户外机柜，可以大大降低运行电能，节能率可达40%以上。

3 以高温电池为基础的适合室外使用的一体化集成后备电源供电模式

户外基站等通信设备的应用环境相当恶劣，对后备用的铅酸蓄电池组提出了更高的要求，而且普通商用型UPS或逆变器针对户内环境设计，存在系统效率低、高温特性差、防护等级低等缺点，无法满足户外使用要求。

采用以高温电池为基础，结合脉冲充电模块、室外高效UPS的一体化集成型后备电源作为此类网元设备的电源保障系统，是提供稳定、可靠电源保障，提升网络品质、降低维护工作量和运行、维护费用的另一种解决方案。

3.1 系统组成

该系统由室外高效UPS／逆变器、高温电池、脉冲充电模块、防雷配电单元及机箱组成，系统组成如图2所示。

图2 系统组成示意

3.2 系统主要组件介绍和性能简介

3.2.1 高能聚合物高温蓄电池

高能聚合物高温蓄电池具有如下优势：

（1）采用高能聚合物新材料作为电解质，解决了传统技术的失水问题。

（2）采用创新型高锡铅钙含银耐腐蚀合金板栅，有效提高蓄电池的耐高温特性。

采用特殊的活性物质及加工工艺，有效提高耐温特性及深循环放电寿命，耐温范围可达－20℃～＋60℃。户外使用寿命可达4～5年以上。

3.2.2 脉冲充电模块

采用特有的专利脉冲充电技术，有很好的修复激活作用，可以消除“极板硫化”，能有效地防止电池组间的不均衡现象发生。可以减少析气量，最终减少失水。可以防止蓄电池早期衰减，大大延长电池的循环使用寿命。

图3为该脉冲充电模块给4节12 V电池组充电运行3年后的放电曲线，可以看出4节电池的放电特性基本趋于一致；而图4为同期对比试验组，采用传统通信电源均浮充限流充电模式的电池组放电曲线，4节电池的放电特性一致性较差。

图3 脉冲充电模式电池组的放电曲线

图4 传统充电模式电池组的放电曲线

3.2.3 智能化高效室外UPS

采用智能化高效室外UPS的优点：

采用智能化微电脑DSP控制技术，先进的控制理论和成熟稳定的高频UPS模式，能快速响应外部环境的变化，实时提供不间断的完全高品质的交流输出。

采用先进的PWM＋SPWM脉宽调制技术，输出为稳频稳压、滤除杂讯、失真度低的纯净正弦波，逆变效率＞90%。

采用独特的专利风道处理技术并结合全数字化DSP控制技术，具备出色的隔热、防尘、防潮功能，并保障系统能在－40℃ ～60℃的恶劣环境中稳定运行。

4 以铁锂电池为基础的一体化集成后备电源供电模式

本系统采用铁锂电池组，并结合充电模块、UPS（或逆变器）结合组成，此系统的优点在于体积小，重量轻，使用寿命长，但铁锂电池价格相对比较高昂，同时，对铁锂电池的BMS保护技术方面有待进一步完善和优化，使得铁锂电池的长寿命特点能发挥出来，并提高系统可靠性。

5 结束语

由以上讨论可以看出，4G时代末梢网元设备的供电方式多种多样，每种方式均有自己的优点和适用范围。本文提供了直流远供电源及基于高温电池和铁锂电池的室外UPS一体化电源作为主要供电参考方式，旨在全方位保障网元设备的稳定、安全运行，进而提高通信网络品质。在实际的工程中，建设单位应以实际的市电情况及环境条件，采用最合适的供电方式。