电源运维在5G电源配套建设中的应用研究

周晓辉

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

尽管5G相关标准尚处于不断完善的阶段，但得益于技术层面的优势，使其获得了行业内外的一致好评与期待。3G技术满足了人与人即时通信的需求，4G实现了各项数据、语音以及应用的交互发展。5G技术的到来，使人们的生活、社交、学习等也获得了更多元的可能，它是推动现代社会朝着数字化经济发展的最强动力。而随着5G技术的推广与发展，其相关配套的基站设备功率、能耗等技术指标也需要得到相应提升。因此，加强对5G电源配套技术与设备的研究，有助于5G技术的快速普及，具备重要的现实意义与社会价值。

1 5G网络优势及特征

（1）更高的速度。5G网络的基站峰值要求不低于20 Gb/s，其数据传输速度最高可达10 Gb/s，是既往4G网速的百倍，5G技术所具备的宽带传输能力可以完美满足用户观看4K高分辨率（High Definition，HD）视频、体验虚拟现实游戏的需求。网络设备升级后，其电源配套技术也亟需升级。

（2）更低的延迟。5G技术的优势不仅仅体现在用户精神体验上的升级，该技术同时也是无人驾驶、工业生产自动化等领域变革、创新的最佳载体。既往4G通信技术的延迟约为140 ms，尽管已经能够满足绝大部分用户日常生活中观看视频、听音乐的需求，但却绝对无法满足无人驾驶、虚拟交互等新需求，反观5G技术最低1 ms的延迟，绝对是时代发展的最佳助力。

（3）万物互联。物联网是5G技术发展的源动力，基于设计需求出发，物联网首先针对的便是对物品识别与信息阅读的需求，其次是利用互联网传输、共享相关信息数据，实现对互联网物体的统一调配、管理与数据分析，最后优化人们工作、生活与学习的模式，实现万物互联。

（4）泛在网络。泛在网络指互联网技术的广泛覆盖与纵深覆盖。一方面，将网络传递至既往接触不到的高山、河谷之中，通过部署大量的传感器便能够对各个地方的地形地貌、地下河流、大气环境等进行监测，从而对地貌变化、地震、极端天气等进行精准预测。另一方面，其能够将网络信号传递至地下室、洗手间、车库等4G网络信号更差的区域，实现全域的网络覆盖[1]。

2 5G网络对电源系统的需求

基于5G技术优势与特征，能够明确的是5G时代的到来必然需要更稳定、高效率的配套电源设施建设[2]。现阶段，5G宏站单系统的典型功耗在3～5 kW，从长远发展来看，预计后续阶段5G相关设施设备的功耗能够下降至2.5 kW，达到既有4G蜂窝网络的2倍以上。以此为基础，每新增一套相对完善的5G电源系统，平均便要额外消耗7～10 kVA的外市电，而这也需要对既有范围内的市政供电系统、后备电池容量等进行扩容升级改造，方能满足使用需求[3]。图1是4G基站与5G基站形态对比。

图1 4G基站与5G基站形态对比

为了满足5G基站供电需求，有两条技术途径。

（1）基于外市电出发。现阶段既有基站的外市电更多的是10～20 kVA，约占整体比重的87%，而小于10 kVA的约占6%，大于20 kVA约占7%。而4G基站大多为6%～8%，注定其无法为3家或者以上运营商提供5G网络共享服务。

（2）基于蓄电池出发。现阶段既有的基站蓄电池容量并不统一，通常以1 000 Ah最为常见，为满足5G系统的需求，需要在既有的基础上以200 kg的单机架出发，进行1～1.5个机架的扩容[4]。

3 5G发展背景下电源系统的新挑战

（1）在5G功耗持续上升影响下对基站配电容量的挑战。支撑5G的3D多入多出（Multi Input Multi Output，MIMO）技术相较于既往的通信等级而言往往具有更高的功耗，与4G相比较，其功耗便要远超4G功耗的2～4倍，这意味着传统的供电模式、规模、电流量等完全无法满足其使用需求，因而建设难度较大。

（2）5G对电源稳定性、可靠性的要求极高，提升了基站后备电的建设难度。5G网络可以广泛地应用于虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）、自动生产、虚拟交互等业务之中，基站的稳定性是一切任务的开展与运行基础。以工信部的数据出发，对我国近年来5G基站的增长规模以及其在未来的发展规模进行预测，预测结果如图2所示。可见在未来，5G基站的数量会成倍增加，但基于基础不成熟、使用人数暴增等现实挑战，都直接或者间接地提升了后备电源的建设与扩容难度，因而对后备电源而言提出了较新、较艰巨的挑战[5]。

图2 2019-2035年中国5G基站数量预测（数据来源：工信部）

4 新型运维技术在5G电源配套建设中的应用

4.1 市政供电削峰技术

所谓的市电削峰是以某一区域为主，依照该区域内通信设备功耗随话务量来回波动的特性，在用电高峰期利用蓄电池对市政供电进行补偿供电，在用电量较小的时间段对蓄电池进行充电，可以理解为一种错峰的供电机制。该方法综合了错峰、限流、储能电池等多元化的技术手段，全面约束电池的蓄电量、用电量等，以满足不同阶段的用电需求。从根源上避免了基站的大规模改造，甚至可达成高速改造或是免改造，在减少财政支出的基础上提升建设质量[6]。

4.1.1 备电电池错峰充电技术

该技术主要应用于用电负荷高峰时期，通过适当降低电池充电电流的方式，重点为通信设备供电，以备电池错峰充电的方式，最大程度地满足区域内用户的通信有序性。结合实际的数据进行计算后可知，该技术可以达到的削峰比例约为16%，仅需要保障市电容量缺口在固定范围内，同时24 h内停电时间在6 h之内的基站基础环境，就能够满足绝大部分的供电需求。该技术并不是全然没有缺陷，相较于其他技术而言，备电电池错峰充电的技术手段往往需要更高的充电时长[7]。基于此，可以充分保留其优势，联通限流充电的方式，为广大用户提供更稳定的通信感受。除去对备用电池进行错峰充电处理之外，还可通过约束电池充电电流流量的方式，能够将削峰比例提升至30%。其更适应运用在保障级别相对较低、供电缺口不大且每24 h停电时间不超过3 h的5G基站。

4.1.2 储能电池削峰技术

该技术手段主要通过在用电负荷较小的时间段引导储能电池进行自动充电，并在有需要的高峰用电期进行放电，从而达成15%以上的削峰比。该技术手段最显著的优势在于，其不会拉长备用电池的充电、放电时长，从而有效保障5G基站运行的稳定性与质量。但该技术中的储能电池仅仅可以在备用电池充电过程中或是在用电高峰期与备用电池进行叠加使用。具体的应用中，更适宜供电缺口较小、停电频繁且具有规律性的5G基站。

4.1.3 错峰充电结合储能电池削峰技术

该方法的原理是在用电荷载高峰时间段停止对储能电池充电，同时必须在用电负荷较小的低谷阶段才能够恢复充电。而对于高峰期、低谷期的判断，应结合不同区域市政供电的经验以及基站所连接设备的实际荷载情况、性能、特征等进行综合判断。该技术手段具有更高的灵活性与实用性，其能够加强对通信设备负载波动情况的控制力度，进而其削峰比例最高可达到40%左右。该技术手段主要适用于具有较大缺口的市电容量，且不具备连续性停电特征的、等级较低的基站[8]。

结合实际运行过程中市电容量缺口的规模、每日停电频率、基站其余保障等因素方面的差异，应选择更合理、高效的市电削峰技术方案，以维持5G高功耗用电需求下，市电容量的调整稳定性。综合上述几种方式，设计了3种市电削峰技术方案，如表1所示。

表1 市政供电削峰技术方案阐述表

4.2 蓄电池共用管理技术

当不同类型蓄电池联动既有电池过程中出现不兼容、排异等反应时，应用该技术在有需要的情况下适当调整蓄电池的组合类型，实现模块化、标准化的扩容。使用过程中，首先需要对电池进行主动控制，率先引导锂电池进行放电，为市电削峰以及削峰填谷等技术夯实基础。其运行示意如图3所示。

图3 蓄电池共用管理示意图

该技术的充电模式可以细分为基于各个电池接口与外置铅酸电池并联充电的共同充电模式以及基于电池接口与外置铅酸电池依照一定顺序依次充电的单体充电两种，通常运用于市电容量存在较大缺口的情况下。

放电模式同样可以细分为共同放电与优先放电两种模式。一是在各条电路系统中依照设计方案，以预设的限流值为标准进行放电；二是在预设两级放电次序的情况下结合实际需求进行优先放电。选用梯级电池可以满足削峰的放电需求，选择铅酸电池可以满足备电的放电需求。

该技术能够使得不同厂家、型号、种类的电池联同作业，这不仅能够有效降低工程建设的难度与周期，同时可以缩减建设、检修过程中的支出成本，达成降本增效的目标。

4.3 集中供电方案

以现阶段较为主流的48 V供电电源为例，首先，需要将供电电压从48 V提升至直流250～400 V，并结合专用电缆将其输送到远端机区域；其次，需要借助远端机将既定电流电压进行变压处理，使其转变为直流48 V以及交流220 V电流，从而为相关5G设备进行持续供电，并且其供电不会发生中断情况。该技术不仅能够有效降低周边基站市电扩容压力以及蓄电池运行压力，同时具有较强的灵活性与较快的反应能力，因而可以在相对更短的时间内投入使用且保持运行的稳定性。

5 结 论

总而言之，5G技术的规模化、快速化发展需要多元技术的支持，这增加了基站配套电源建设工作的挑战性。而在5G电源配套建设中加强新型技术的应用能够有效应对其挑战，在全方位提升5G网络建设速度、扩大推广范围的同时，也能够为相关企业、机构及5G网络使用者提供更高的经济效益和社会效益，促进我国通信事业蓬勃发展。