基于5G网络的基站电源系统创新研究

2020-11-26贾林杰

通信电源技术 2020年15期

贾林杰

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州 310012）

0 引言

因为5G移动系统标准得到了进一步发展，所以越来越多的运营商开始在全球范围内将5G商业化。目前，我国三大运营商也均以各种方式进行了网络部署和应用。本文从5G技术支持的角度讨论了5G无线网络中创新电源技术的创建，主要包括5G关键技术、5G建设面临的挑战以及创新的5G电源技术。

1 5G创新电源系统方案

1.1 市电削峰技术

通信设备能耗的典型代表为市电削峰，能耗随企业规模而变化。在峰值功率消耗期间，电池用于补充城市电源的电源。快速翻新和现代化改造，降低仓库现代化所需的投资和供应压力峰值切换，限流、可充电电池等使用技术方法，可用于减少通信设备和电池充电所需的能量[1]。

1.1.1 方案1：错峰充电站的措施

方案1的原理是满载时激活电池充电电流减小功能，优先分配通信设备的电源，实现峰值电池充电。它的最大峰值削波功率为16%（通信设备，1.1 kW/5G系统中的平均峰值差）。具体的行动方案是升级开关电源的限流/限流功能，约1 200元。结果显示，充电时间从10 h增加到10～12 h，适用于城市中电力缺口较小的发电厂，总计12 h（3 h或更短）。

1.1.2 方案2：备用电池错峰+电流限制充电方式

方案2是根据方案1进一步压缩电池组的电源，最大峰值容量29%（通信设备的峰值平均差异+备用电池充电站的50%=1.9 kW/5G系统）。具体的实施方案是实现开关电源的功率限制功能，约1 200元。影响：充电时间从10 h延长到20～24 h。适用范围：电站容量差距小的电站，24 h的累计执行时间不超过3 h，并且保护水平低。

根据充电电路，备用电池具有峰值+电流。基于方案1，电池充电电流被进一步压缩。最大峰值切割功率29%（通信设备中的平均峰值差异+50%备用电池充电功率=1.9 kW/5G系统）。具体的行动计划是更改电源升级限流功能，约1 200元。影响：充电时间从10小时增加到20～24 h。范围：城市用电差距小，24 h停电的总时长不超过3 h，且电站的安全性较低。

1.1.3 方案3：最大备用电池电量+最高节能电池方案

应用方案3时，当通信设备或空调的电量较低时，电池就会被充电。节能电池用于在最高负载下充电，并在负载底部充电，以抑制通信负载的变化。它的最大截止功率42%（通信设备的最大范围+100%电池功率，2.7 kW/5G系统）。具体的实施方案是顶部+蓄能器控制单元。针对该方案，需根据城市的电源和空调运行频率，计算每站备用电池的充电时间。它适用于城市电容量少、没有连续的停电记录且可保证低级别的站点。

1.1.4 方案4：储能电池削峰

应用方案4时，最大负载下节能电池充电，低负载下节省电池电量。最大峰值功率为16%（通信设备的最大范围，1.1 kW/5G系统）。具体的实施方案是顶部+蓄能器控制单元。结果显示，备用电池对充电时间没有影响，仅当对备用电池充电且最大通信负载过大时，才会激活节能电池。在此期间，激活次数有限，投资回报率很低。该方案适用于停电频繁的小镇上的主要电站，应根据网络空间的大小、电流的历史频率和主站的保修级别等因素，选择城市中最高级别的电线的技术方案。对于具有较高重建成本、长期和低功率空缺的发电厂，该城市的电力被削减到最高水平，以确保提升施工效率。建议先实施外部网络修改方法，根据网络容量的扩展进行更改，以输入原始网络的有限容量，并等待存在共享5G的多个站点，向长期发展的方向进行市电增容改造。

1.2 蓄电池共用管理技术

蓄电池共用管理技术处理不同时期、不同品种和不同制造商平行的电池问题，以实现模块扩展。对于充电模式（预设模式），每个通道的电池接口和外部电池导入充电一次。对于单个充电站，通道中的所有电池接口和一个外部铅酸电池导入充电一次。。收费模式（网络容量不足时使用）、放电模式以及总输出模式处于充电状态（预设模式）时，每个分支均根据指定的极限值或电池容量充电，并同时达到充电状态。对于优先流模式，它可以确定2级流。对于削峰和山谷填充等应用场景，铅酸主要用于提升水平，电池主要用于削峰。铅酸主要用于提供备用能量，级联电压扩展。电池部件管理器连接到通信接口，以提供对单个机箱中所有模块的集成控制，并实现级联功率扩展。将电池组的不同部分与不同的制造商一起使用管理电池部分，降低了项目实施难度，改善了项目设计，降低了项目的总体成本，同时提高了资源利用率。

1.3 新型集中供电技术

集中式电源系统由长端、本地端和电缆3部分组成。-48 V电源放大到DC 250～DC 410 V，并通过电缆发送到末端。远程设备为DC 48 V和AC 220 V电压提供24 h供电。通过向周围的发电站提供能源服务，可减少扩展和重建电源的成本，并为在该地区提供充足的电力。选择一个中央发电站进行主基站建设，可缩短建设周期，提高电源可靠性。

2 创新改造研究

2.1 微站电源

如果无法从远程计算机导入AAU而可以从中央计算机房导入电源以消耗5G AAU的能量，则可以采用直接供电方式+开放式直流电源，即微电源DC 220 V AC满足需求直流电源，如图1所示。可以根据5G设备的消耗量，调整电源和微站电源的数量。根据现场的重要性，微型发电厂设备可以在保证供电和发电厂主电源的情况下，对主发电厂使用集成机柜设计。此外，电线杆、壁挂、落地和环抱等支持各种安装方法。

图1 微站电源设备

2.2 插框电源

直流电源系统、多种型号以及现有的主要电站制造商、乡镇支局、接入点和各种通信运营商的模块化办公室等，均配备了开关电源。原始设计面临功耗低、需扩展空间、故障率增加以及设备能耗增加等问题。原始开关架的使用存储了主系统输入主开关、电池保护、并联、触点和直流输出电缆，并创建了通用且兼容的整流器部分（如插入式电源），可更换原来的整流器，以满足原始系统的各种要求，包括动态环控制系统的控制、电池管理等。使用二次电源可以减少施工问题和改造项目的数量，减少因一般停电而引起的潜在安全风险，并增加投资回报[2]。

2.3 直流远供

直流远程控制器将通过远程站点设备将主站点的-48 V直流电源增加到240～400 V，然后通过电缆将其发送到远程站点的远程站点设备。直流远程控制设备包括中心局设备、传输线和远程设备。其中，中央办公设备是远程电源系统的核心。它是将绝缘从-48 V直流增加到240～400 V（DC/DC升压）的主要设备。具有发电条件和远程设备的主站室是高压DC变压器。该高压DC变压器从本地端转移到DC 48 V/AC 220 V。传输线是带铠装铝芯电缆或带铠装铜芯电缆或组合光缆，可在远程直流电源和远程电源之间进行长距离连接高低压直流。通信设备的发送能量最长距离可以达到3 000 m。对远程主站、高铁站、地面站和不稳定的蜂窝式微型工厂进行供电，采用直流远程控制技术确保直流电源的主电源得到保证，并从主电源的电源线发送到远程基站[3]。

2.4 蓄电池创新改造方案

通信站通常将城市的能源用作主要电力来源。在城市停电的情况下，柴油发电机和汽油发电机不会投入运行，而由阀门操作的铅酸电池将用作备用电源。当前，每个通信运营商和唯一的塔式基站通常使用容量为300 Ah、500 Ah或800 Ah的两个阀门供电的铅酸电池。由于每个站点的电源不同，每个站点的机房环境和负载能力也不同。这些因素会影响存储和操作的持续时间，因此机房中放电时间、充电电压和电池寿命都有不同的参数。现实生活中，一组或单节电池经常出现延迟或耗尽的问题，导致整个电池组出现使用问题。此外，由于电池的内部质量、特殊差异和工作环境的影响（基站温度、电源参数的变化，城市用电条件和日常维护），电池的健康状况每年都会降低，且缩短电池寿命。同时，随着多年的运行，铅酸电池体积大、能量密度低、持续时间短等缺点日益凸显，使其在负载下的使用寿命多在6～8年[4-5]。