面向5G现网电源配套系统改造方案研究

梁 晖，姚利民

（1.广州杰赛科技股份有限公司通信规划设计院，广东 广州，510310；2.中国联合网络通信有限公司江西省分公司，江西 南昌 330096）

0 引 言

2018年12月，工信部正式向三大运营商颁发全国范围5G中低频段试验频率使用许可，标志着5G在国内已经进入实质性建设阶段。根据三大运营商2018年年报公布数据显示，2019年三家运营商预计约投资340亿元用于5G网络建设，2019年将会在部分城市开展5G试商用，2020年将全面开展5G商用。

对于运营商，5G具有树立品牌及获得竞争先机的作用，然而对于网络建设者尤其是通信基础设施建设者，5G的大规模部署将带来更大的站址密度、更大的功耗容量及更大的建设成本。因此，如何挖掘现网资源潜力，实现规模化快速完成网络建设，降本增效，是网络建设者需要考虑的重要问题。

1 5G基站电源配套需求

5G的关键技术和网络能力决定了设备功耗比原有无线基站主设备有较大增幅，对基站配套提出了更高要求。5G部署初期，主要是CU/DU合设（BBU）+AAU部署。根据设备厂家调研，5G设备功耗平均约是4G基站的3倍左右，如表1所示。功耗的增加，带来供电及备电相关改造，其散热也影响机房空调部署。

表1 各厂家5G设备尺寸及功耗

2 通信基站电源配套核算及面向5G改造建议

通信基站电源配套系统是指对通信设备直接供电的电源，是整体通信设备的重要组成部分，主要由交流市电引入线路、油机发电机组、交直流配电设备、整流设备、蓄电池组、空调等设备及设施组成，如图1所示。

图1 通信基站电源配套结构示意图

5G建设过程中，由于5G站点设备功耗大幅度增加，导致现网基站电源配套需要大规模改造。根据某省5G试验网站点统计显示，在仅考虑一家新增5G的前提下，外市电需改造站点占比26%，交流配电箱需改造占比18%，空调需改造占比25%，电池需改造占比6%，开关电源需改造占比72%。

2.1 外市电配置原则及改造建议

外市电主要为基站提供220 V/380 V交流电源，是整个通信基站所有动力的根本。根据电压等级，外市电一般分为3类。其中，用户电是220 V、380 V；配电是6 kV、10 kV；输电是35 kV、110 kV、220 kV、330 kV及500 kV；用户电220 V、380 V是通信基站用电。其配置计算为：

通信基站用电中，外市电还包括直供电和转供电。其中，直供电是由供电局直接向铁塔公司供电，并与其结算电费；转供电是由电力部门向业主供电，由业主向铁塔公司供电，与业主结算电费。

外市电低压引入电缆需同时满足载流量、压降及机械强度要求。通信局（站）电源系统技术要求（YD/T 1051-2000）中规定通信电源设备用交流供电时，设备的电源输入端子处测量的电源允许变动范围为额定电压值的+10%～-15%。

其中，ΔU为压降，I为电流，P为功率，L为导线回路长度，A为导线横截面积，cosθ为功率因数，一般取0.8，r为导线材料的电导率（铜线为0.017 5、铝线为0.028 3）。

根据上述算法，可得到表2。

5G电源配套改造中，外市电是工作量最大的改造内容。5G大规模建设时期，城区基站多是三家共享，其中外市电改造将是5G建设的一大难题。

表2 不同规格的电缆最大引电距离

外市电改造中，根据现网站点功耗及预计新增设备功耗，通过上述配置原则核算，外市电改造建议如表3所示。

新引入一路市电原则上应优于三类（平均月市电故障≤4.5次，平均每次故障持续时间≤8 h）市电电源，优选从公共电网引入一路380 V的交流电源。

如果无法引入，则在满足供电质量前提下，建议按以下三种方案处理。

（1）若外市电容量满足，但交流配电箱或下火点断路器空开容量不足时，应采用大容量交流配电箱或大容量断路器进行替换对外电扩容。

（2）从基站附近的建筑物就近引入一路380 V的交流电源。

表3 外市电改造建议

（3）取电费用高、拉电难度大的场景，可选用直流远供设备进行供电。

2.2 交流配电箱配置原则及改造建议

交流配电箱主要作用是分配交流电能，集成市电油机转换开关、电涌保护器，常见规格380 V/100 A，380 V/63 A，对应最大市电引入容量分别为23.5 kW和37.3 kW，其配置算法为：

交流配电箱面向5G改造应遵循现网影响最小、安全可靠、造价最省的原则。当容量满足输出空开容量不足时，仅需更换空开，若经核算配电箱容量不足，更换大容量交流配电箱。

2.3 空调配置原则及改造建议

基站空调按电源制式区分为单相、三相两类，一般为单冷制式。空调选型应根据机房设备负荷、机房结构及区域（温度带）等因素确定空调冷量，根据基站冷量需求选择最适合的空调规格，负荷计算原则为：

其中，系数0.16为单位面积热负荷基准，0.15 kW=150 W/ m2×制冷系数/1 000，不同区域制冷系数有所不同。

面向5G改造时，空调选配或替换建议如下。

（1）制冷量需求确定后，根据制冷量总需求和各类型空调制冷量选择空调类型和数量。

（2）已有空调的基础上，应考虑安装空间的限制，然后考虑是在原有基础上新增空调，还是替换原有规格的空调。

2.4 电池配置原则及改造建议

基站蓄电池主要功能是储存电能，为基站提供后备供电，现阶段一般常用的蓄电池有梯次电池和铅酸电池两类，其电池容量计算分别如下。

梯次电池电池容量计算为：

其中，Q为蓄电池容量；K为安全系数，取1.25；P1为一次下电侧通信设备工作实际功率；P2为二次下电侧通信设备工作实际功率；T1为一次下电侧通信设备备电总时长；T2为二次下电侧通信设备备电总时长；α为电池温度系数。

铅酸蓄电池容量计算为：

其中，Q，K同上；T为放电小时数；I为负荷电流；η为放电容量系数，根据设计规范，3 h系数值为0.75；α为电池温度系数；t为实际电池所在地的最低环境温度数值（所在地有采暖设备时，按15 ℃考虑，无采暖设备时，按5 ℃考虑）。

现网基站蓄电池使用年限、厂家、容量及类型不同，蓄电池改造方式应根据实际情况进行改造，根据上述蓄电池核算原则，改造方案选择的优先级别如表4所示。

2.5 开关电源配置原则及改造建议

开关电源有三大功能：配电（合理分配交流与直流电能）、整流（交流整直流）和电池管理（电池充电和放电的管理）。其模块配置原则为N+1配置（n≤10，备1；n＞10，每10备1）。

表4 蓄电池改造建议

其中，R为开关电源容量；P为通信设备工作实际功率；Q为蓄电池组总容量；η为容量系数。

现网改造中，开关电源不满足要求主要受限于开关电源总容量、电源模块不足和空开端子不够等，可通过新增或替换开电源、扩整流模块，增加空开分路或新增直流配电屏等方式解决。

3 面向5G现网基站外市电改造创新建议

3.1 梯次电池削峰填谷解决外市电不足

通常通信设备功耗随通信业务量变化呈周期性波动，通过充分挖掘存量站市电资源，利用备电电池限流错峰充电和通信负荷削峰填谷技术，把用电“负荷”从用电高峰“卸载”到用电低谷，如图2所示。设备用电高峰时段，备电蓄电池限流错峰充电或利用储能电池放电，用电低谷时段对蓄电池充电，可以实现市电削峰，降低基站市电容量需求。实现部分基站市电免改造，缩短建设周期，降低外市电改造成本压力。

图2 削峰填谷电源系统图

3.2 光电结合解决外市电

分布式光伏发电系统特指在通信基站附近建设，太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电后接入公共电网，运行方式是用户侧自发自用、多余电量上网，如图3所示。

4 结 论

未来网络建设尤其是5G网络建设，从低频到高频，站点逐步加密，网络架构从“宏”到“宏微”立体分层覆盖转变，超密集组网驱动微基站爆发，近一步缩小了通信基站的站间距。网络的演进对电源配套的要求越来越高，本文通过对电源配套各组成单元的配置原则进行分析，给出了合理化建议，尤其是面向5G现网基站改造的创新型建议，利于网络快速、低成本部署。

图3 光伏供电电源系统图