5G基站配套基础设施节能降耗技术研究

2020-12-22罗金花中国铁塔股份有限公司江西分公司南昌市330000

江西通信科技 2020年4期

罗金花中国铁塔股份有限公司江西分公司南昌市 330000

0 引言

经过两年建设，我国5G网络已经初具规模，建成超过60万基站，基本覆盖市区及部分发达县城，已经开始5G用户及业务商用。然而，5G基站因为频率带宽更大、天线收发通道更多、发射功率更大等技术因素导致基站电费居高不下，据实测5G基站耗电量是4G的3-4倍，5G基站年电费达到2万多元，让运营商成本压力倍增；如何降低5G电费、提高5G投资效益已经成为运营商绕不开又亟待解决的难题。当前运营商和设备厂家正从设备级、站点级、网络级节能三大技术领域开展降本增效方案研究，更多聚焦在5G基站设备芯片、工艺、集成度及符号/通道/帧/载波关断、功率控制、微站关断、多网协同等主设备层面；而实际网络中，5G机房空调及电源能耗占比也较高，因此本文将从移动通信基础设施角度，探讨5G配套设施节能降耗方法措施，以全面提升5G整体能效比，实现更加绿色、高效5G网络，服务于5G业务及应用高质量、可持续发展。

1 机房空调节能措施

基站空调主要作用是为了各类通信设备和配套设备的稳定运行提供合适的温湿度环境。据数据统计，在夏热冬冷地区4G基站空调设置在26℃时，空调能耗约占基站总能耗的40%，因此空调是电信基础设施运营商最大的能耗控制点。空调节能涌现了许多新技术，可以分为直接节能和间接节能两种方式：直接节能是通过直接提升空调效率来降低空调能耗，间接节能则通过创新制冷方式、建筑节能等技术手段来减少空调工作负荷、降低空调能耗。

机房本身并不直接消耗能源，但是建筑设计同空调能耗密切相关，建筑维护结构负荷是影响空调能耗的主要因素。基站机房空调的制冷量除了为通信设备散热外，还会被机房内外热交换消耗掉。据统计，建筑维护结构负荷带来的空调能耗约占空调总能耗的40%，则建筑维护结构带来的能耗约占基站总能耗的16%，可见建筑节能可以有效降低空调能耗，因此应重视机房建筑节能。机房建筑节能主要有保湿、隔热、平改坡等措施。

1.1 智能新风节能系统

新风节能系统属于间接节能方法。因地制宜利用机房室外的自然风作为冷源，在机房内安装下进风和上出风装置，采用温、湿度传感器动态监测室外空气，若室外温度低于设定值时启动下进风装置的风机和风口，把机房室外的冷空气吸入机房。在机房内冷、热空气将进行热交换来降低室内温度。同时需保持机房有正压风压，用来启动上排风装置把室内热空气排出以进行室内散热。因而在降低基站机房室内温度同时并减少空调开启运行时间，从而节约电能。

新风系统的应用场景广，但为了确保达到较好节能效果，一般需要确保机房室、内外有不小于5℃的温差，以使得新风系统能运行一定时长来进行降温。

1.2 带水帘新风系统

带水帘新风系统也属于间接节能方法。在新风系统的基础上，基于水蒸发吸热的原理，在新风装置的下进风装置前安装一个水帘设施；被吸入室外空气通过湿的水帘表面后，水帘里的水分子大量蒸发，在焓值不变的情况下吸收空气的显热，从而使空气温度可降低4～10℃；并且空气中的灰尘也将大部分被水帘吸附达到除尘的效果。供水方案可采用自来水、简易压水机供水、雨水收集系统。

图2 带水帘新风系统的组网示意图

带水帘新风系统除具有常规新风系统的节能效果外，还可以对空气进行过滤，以保障重要的通信机房内的空气洁净度，也可以用于BBU集中机房和核心机房。

1.3 机房隔热措施

隔热是一种防太阳辐射技术，机房受到太阳直射会导致外墙外表面温度升高，从而增加建筑维护结构热负荷，增加空调能耗。隔热技术可以通过有效降低太阳辐射而减少传导进机房的外部热量，减少建筑维护结构热负荷、节约空调能耗。比较常见的隔热措施有屋顶隔热、外墙隔热和门窗隔热。门窗隔热可采用具有良好隔热性能的双层玻璃、遮阳板或直接封堵等措施；外墙隔热与屋顶隔热则可以涂隔热涂料，也可以采用藤蔓植物覆盖、隔热网。

平改坡措施：夏季平顶结构的机房屋顶直接受太阳辐射会导致屋顶温度迅速升高，将平顶机房改造为坡顶机房并保持坡顶良好通风，将有效降低屋面带来的建筑维护结构负荷，从而节约空调耗电。

隔热技术投资小、改造简单，机房和室外机柜都可用。适用于常年气温较高，且日照时间较长的地区。

1.4 蓄电池地埋机房

随着5G基站设备对机房环境温度要求的降低，蓄电池成为对机房环境要求最苛刻的设备，在不优化机房空调配置条件下，可采用蓄电池地埋、耐高温蓄电池、铁锂电池等技术达到蓄电池所需工作环境。利用地下室的冬暖夏凉来改善环境，提高蓄电池的放电量和使用寿命；通过地埋的电池柜安装的导气管和排水管可解决换气及潮湿问题。地埋建议采用12V单体的蓄电池，并对地埋后的每个单体电池引出测试线，并对地埋蓄电池基坑进行温度监测，简化后期维护难度。该方案可应用在有条件开挖基坑的乡镇农村区域基站。

图3 蓄电池地埋机房实例图

2 通信电源节能措施

通信电源作为通信系统的“心脏”，是关键的通信基础设施。通信电源将直接影响到移动网络运行的稳定和安全。根据不同供电方式，基站电源的耗电主要包括开关电源、不间断电源（UPS）两类设备。因为它们的主要功能是进行交/直流转换并对干扰电波、高频污染等进行过滤，提供通信设备所需的稳定工作电压，从原理上来说通信电源的能源消耗应接近零消耗。但在工作过程中通信电源设备会产生滤波能量、电磁转换的损耗，因此也会伴随着电能消耗，据有关资料统计基站通信电源的平均耗电占整体机房耗电的5%～10%。主要的电源节能措施有：

2.1 开关电源休眠

在工程设计时基站开关电源在配置整流模块的容量时除考虑设备负载电流外，还会考虑蓄电池组的C10充电电流，并采用N+1模块冗余配置。在实际基站运营中，由于基站话务量忙闲不均、实际负载电流很少达到设计值，且市电稳定、断电次数及时长很少，蓄电池组大多时间处于“睡眠”不工作状态，因而蓄电池发生充电的次数少、时长短，据统计开关电源整流模块大多工作在≤50%负载率区间，业务流量较低时负载率将更低。开关电源智能休眠的思路是根据设备负载电流变化来动态控制开启整流模块数量，选择性地同步休眠一些整流模块，使开关电源处于最佳效率区间工作以达到节能目的。

以某运营商5G基站为例，开关电源配置6个50A整流模块（容量300A），蓄电池为1组500Ah，假设通信设备的常态负载电流为100A，开关电源的整流效率在负载率50%时为92%，负载率30%时为85%。如果不采用休眠技术，整流模块负载率约33%，每天的用电量为（53.5V×100A×24h）÷85%=151.1kW；采用休眠技术在保障N+1模块配置时可关闭2个模块，整流模块负载率约50%，考虑到整流模块休眠时的功率（每个模块的休眠功率为5W），此时每天的用电量为（53.5V×100A×24h）÷92%＋5W×2×24h=139.8kW，因此每站点每天可节约电量约为11.3kW，节能比例为7.5%。因此，在工程采购时要求采用具有智能休眠功能的大容量的开关电源整流器，以提高整流效率、降低能耗。

2.2 直流远供系统

随着5G规模发展，更多小站将用于网络的补盲吸热，将形成宏微结合的超密集组网。如果仍采用传统方式每个小站引入市电及备电，工程投入大且整体节能效果不佳；可采用直流远供技术，选取供电容量条件好的宏站作为集中式远程供电主节点，以星型或链型结构给周边众多小站、微站、灯杆站供电，实现市电、整流及备电共享。该方案可采用网管远程关断技术，根据各个小站的业务负荷和不同忙闲时段实现动态智能的小站关断，以节约电量。该方案应用范围广，可适用于工业园区、大学城、大型住宅小区、聚类市场、沿街灯杆等基站群密集场景，也适用于城市市电引入困难、农村市电引入费用较高且远端和局端距离较近的站点。

图4 直流远供系统的组网示意图

2.3 风光互补新能源供电

利用太阳能、风能等可再生能源作为基站电源，可从源头上降低电费成本。但由于江西省全天候风能及常年日照时长不足，可根据当地风、光资源条件采用风光互补发电系统来进行相互补充，达到连续、稳定供电。

图5 风光互补新能源供电示意图

对于太阳能、风能存在季节性互补欠佳的或太阳能和风能资源总量欠缺的地区，可采用带有备用柴油发电机或市电的“风力+光伏+柴油机/市电”的三互补供电系统。在有供电线路时在系统中引入一路市电备用，在没有市电引入条件时在系统中配置一组备用柴油发电机组。当天气不好或风力不够而导致新能源发电不够用时，可通过启动市电或柴没发电机组保障基站的连续供电。

该方案适用于风能、太阳能资源较为丰富地区或市电缺乏的偏远山区、湖泊岛屿等特殊场景，由于初期投资较大，推广应用时要慎重。

2.4 蓄电池市电削峰技术

5G基站对市电引入容量需求大，给存量站点市电增容带来压力，也增加了阶梯电价在峰值时段的电费成本。市电总容量需求由通信设备负荷、蓄电池充电、空调三部分组成。而工程中各类通信设备用电需求在设计时通常是按设备的额定功率考虑,据统计实际使用电量一般只有设计容量的40%～50%左右,造成存量基站的蓄电池组容量有一定富余；从铁塔公司最近一年运维统计数量来看约有20%基站全年零停电，可见会有大量蓄电池长期工作在“沉睡”状态。而市电削峰技术基于激活存量蓄电池的储能放电能力，将利用5G设备实际功耗随数据流量动态波动特性，在用电高峰期采用蓄电池组储能对市电进行补偿，同步给基站设备供电；在用电低谷期则由市电再对蓄电池进行充电储能，从而平抑通信设备负载波动和实现错峰供电，进一步降低峰值时段的市电需求，减少市电电费成本。