恶劣环境下基站建设的解决方案分析

2014-05-15江苏省邮电规划设计院有限责任公司孔繁俊

江苏通信 2014年2期

关键词：太阳电池风力机房

江苏省邮电规划设计院有限责任公司周辉成曦孔繁俊蔡浩张亮

1 恶劣环境给基站建设带来的影响

1.1 基站组成部分

宏蜂窝基站是最主要的基站类型，构成移动通信网的基础，普遍应用于市区、郊区和农村等各类地区，基站覆盖范围从几百米到十余千米，天线的安装位置高于建筑物的平均高度。

一般宏蜂窝基站有5个部分组成：BTS（基站）主设备、天馈系统、电源系统、传输系统、机房和铁塔。

1.2 恶劣环境对基站建设的影响

新疆许多农村区域存在移动通信需求，如边防哨所、行政村、矿区、油田、高速公路等，这些区域有的位于沙漠、戈壁，有的地处高山，环境恶劣，地形复杂，夏季气温高，冬季严寒，给基站的建设、维护带来了极大的困难，主要体现在以下几方面。

1）地处偏远，无法引入市电。

为满足偏远矿区、高铁等场景的移动通信需求，新建基站的电力引入问题需要充分考虑，若引入市电，需要长距离铺设电力线路，工程投资巨大，而矿区、高速的用户无法产生较高的收益，因此，对于地处偏远的区域，需要考虑其他方式进行供电。

2）夏季高温，影响设备稳定性。

根据全国各主要城市的气候分区归属分析，新疆部分区域9～10月温度在45～50℃，而对于无法引入市电的基站，一般不配置空调。在这种情况下，室内45℃以上的高温，给基站主设备、传输设备运行的稳定性和蓄电池的使用寿命造成了很大的影响。

3）山坡陡峭，建站空间狭小。

对于高速公路、铁路旁基站的建设，时常会遇到复杂的地理环境，如公路一边是河，一边是山，给基站的设计、施工带来极大的考验。

2 恶劣环境下基站建设方案分析

2.1 BTS主设备解决方案

分布式基站是应对恶劣环境、解决建站困难的一种很好的方式。分布式基站技术是把基站分为基带单元（BBU）和射频拉远单元（RRU）两部分，相对于传统的机架方式，有很多优点，尤其在恶劣建站环境下。

1）更小的损耗：用光纤代替传统的馈线将射频部分拉远，RRU靠天线安装，可以减少传统基站因馈线导致的约3 dB损耗，使基站消耗的功率大幅降低，从而增加覆盖面积，减少所需基站数量。

2）更小占地空间：BBU和RRU间的光纤级联可大3级，两者最远间距可达40km，RRU侧可以采用自然散热技术，不仅能够节省温控能耗，而且无需机房占地面积小，安装快捷。

3）更少的能耗：S111（3扇区，每扇区1载波）配置为例，与传统的基站功耗相比，分布式基站功耗仅为340W，节能高达43%。

2.2 电源解决方案

由于新疆边远地区基站所处位置自然条件恶劣，在市电无法保证的情况，利用部分区域丰富的太阳能和风能资源提供电力保障是非常有必要的。

2.2.1 太阳能发电系统

一般太阳能发电系统由太阳能电池板、汇流盒、太阳能控制器、蓄电池、太阳能板支架、传感器及连接辅件等部分组成。太阳能电池产生的是直流电，可以满足直流负载的供电要求，对于交流负载而言，需要增加逆变器系统。

1）太阳能电池板容量配置。

太阳能电池板容量计算参考通信行业标准YD/T5040—2005《通信电源设备安装工程设计规范》中式(C.0.1)进行计算。

其中，P为太阳电池方阵总容量；VP为一个太阳电池组件在标准测试条件下取得的工作点电压，取值48 V；I为系统输出电流，按保障负荷容量考虑；8 760为平年每年小时数；ηb为蓄电池充电安时效率，铅蓄电池取0.84；T为当地年日照小时数；Vo为每只蓄电池浮充电压，取值2.235 V；Nb为每组蓄电池只数；Vl为串入太阳电池至蓄电池供电回路中的元器件和导线在浮充供电时引起的压降；Fc为影响太阳电池发电量的综合修正系数，取值1.2～1.5；η为根据当地平均每天日照时数折合成标准测试条件下光照时数所取的光强校正系数，一般取0.6～2.3；α为个太阳电池组件中单体太阳电池的电压温度系数，取值－0.002～－0.002 2 V/℃；t2为太阳电池组件工作温度；t1为太阳电池标准测试温度；Nm为一个太阳电池组件中单体太阳电池串联只数。

扩容太阳能电池组件应能与现有太阳能电池组件兼容。

2）蓄电池容量配置。

其中，Q为蓄电池容量；K为安全系数，取1.25；I为负荷电流；T为放电小时数；ηc为放电容量系数，见表1；t为最低环境温度数值，有采暖设备按15℃考虑，无采暖设备按5℃考虑；α为电池温度系数，取0.006/℃。

2.2.2 风力发电系统

2.2.2.1风力发电系统组成

一个典型的现代水平轴式风力发电机包括叶片、轮毂（与叶片合称叶轮）、机舱罩、齿轮箱、发电机、塔架、基座、控制系统、制动系统、偏航系统、液压装置等。

2.2.2.2风力发电机组供电能力的测算方法

风力发电机组年平均发电量或日平均发电量的计算比较复杂，而且仅是平均值概念的计算值。如果要较为准确地测算出风力发电系统日平均或年平均发电量，必须有发电机的功率特性曲线和风速频率分布（如图1所示）才能进行计算。

利用风力发电机组输出功率特性曲线和风轮毂高处不同风速频率分布，可以估算出1台风力发电机在计算期间（年、月、日）的发电总量。

具有风频图的风机输出功率计算公式为：

其中，Q是风力发电机组期间发电总量；PV是在风速V时风力发电机的输出功率；TV是场地风速V的期间累计小时数；V是场地风速V在期间内风速的取值。

如果不能得到风速频率分布图，则可用当地的年平均风速代替进行估算，估算方法如下。

用年平均风速值时的发电机输出功率值乘以年度总的小时值 8760 h，即 Q1＝K×8760×PV，Q1是年发电量；PV是年平均风速值时发电机组输出功率；K是修正系数，取1.2～1.5。

根据经验，按平均风速计算的发电量小于实际按风速频率分布图计算的年发电量，因此可按一定的比例进行适度修正（修正系数取1.2～1.5）。

2.3 机房配套解决方案

2.3.1 机房刷太阳能反射涂料

太阳能反射隔热涂料对太阳光具有全波段高性能的反射隔热作用，其特点在于，以很高的太阳热反射率，将阳光所携带的热能瞬间反射到物体界面之外，剩余极少量的热能在物体界面会逐渐蓄积热能并最终高于周边温度，此时该产品又以很好的半球发射率，将蓄积的热能绝大部分发射出去，最终只有不足2%的热能被传递到物体内部，从而实现极好的隔热作用。

以西北某运营商某基站为例，该站采取在屋面的保温防水材料上和机房外墙面上涂贴反光材料，并且在机房屋面上采用架空板隔离太阳热辐射，取得了良好的节能效果。

测试结果：其他条件相同的情况下，涂刷前后基站空调用电量数据对比分析见表2。

涂刷防晒隔热涂料后发射基站节能率：15%以上，且外界天气温度越高，板房涂刷与未涂刷的隔热效果对比越明显

2.3.2 半地下室机房

对于降水量稀少的区域，在机房的建设当中，考虑降低机房地坪高度，能够起到冬暖夏凉的作用，同时对于使用太阳能供电的基站，降低的机房可以作为太阳能电池板的基础，一方面节省了机房征地面积，减少了工程投资；另一方面也减少太阳直射的面积，有效地降低了机房室内温度，在一定程度上起到了保障设备运行的稳定性。

3 一种恶劣环境下基站建设案例

以吐鲁番某基站为例进行分析，新建基站位于偏远区域，主要解决周围矿区的移动通信需求，且该区域无法引入市电。

1）主设备配置。考虑到该矿区规模较小，基站配置为S333即可，主设备采用分布式基站BBU加RRU的方式，有效降低了功耗，BBU额定功率仅为40W，RRU额定功率为300W/个。同时RRU采用上塔安装的方式，能够减少机房室内的散热量，同时，RRU工作温度为－30～50℃，室外能够满足RRU的正常运转。

2）传输、监控配置。该基站线路铺设采用杆路，且造价相对较低，传输设备采用PTN（分组传送网），额定功率为150W，动力环境监控设备额定功率为50W。

3）电源配置。通过查找相关资料，新建基站区域年均日照时数为3049.5h，年平均风功率密度在200W/m2以上，有效风速小时数在5 500 h以上，属于太阳能、风能资源丰富区域，因此该区域可以通过新建风光互补设备为基站供电。

太阳能电池方阵容量计算。按照机房设备额定功耗的计算得出，负载设备功率共1140W，每天耗电为27 360Wh。吐鲁番年平均日照时间约3 049.5 h，每天日照约8 h，连续阴天时间按3天考虑。根据太阳能电池方阵公式计算得出，需配置太阳能电池方阵总容量为8161W，本次工程需要配置44块190W/块的太阳能电池组件。

风力发电机容量计算。参考类似工程经验，风力发电机组容量可取太阳能电池方阵容量的30%，为2 448.3W，需配置3台1 kW风力发电机组。

蓄电池容量计算。按放电时间72h计算，根据蓄电池容量计算公式可得，蓄电池容量为2545Ah，需配2组48V/1500Ah蓄电池。

4）机房配套。该基站采用风光互补的方式供电，考虑到空调功率较大，该基站不进行配置。同时，该区域干旱少雨，年平均降水量仅为16.4mm，故机房采用半地下室方式，内部净高3m，太阳能基础墩子建筑高度要求与机房同高，机房可作为太阳能基础的一部分，一方面节省占地面积，减少工程造价；另一方面，避免阳光直射，起到了降低室内温度的作用。南面和东西面围墙不宜过高，一般落地太阳能基础为300mm，围墙高度为1.8m左右，太阳能墩子与围墙距离5m左右。经过一段时间的监控发现，该基站主设备、传输、风光互补和监控设备运行正常，各项机房环境指标均在要求范围内，到达了信号覆盖矿区的目的。