5G基站一体化能源柜建设研究

陈昀昊，张 净，张 瑜

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 5G建设前期调研与分析

在5G网络建设中，基站的规划与建设是重点，基站能源供给是基础。5G网络建设对电源配套改造要求较高，在5G工程查勘设计过程中，部分现有基站电源不能满足5G设备需求，需要进行改造、扩容、更换[1]。传统电源配套改造方案包括市电引入扩容、更换开关电源、更换蓄电池、增加蓄电池等手段，投资大、改造周期长。而部分站点还因市电引入条件受限、空间承重条件不满足等，无法采用传统方案进行电源配套改造。基于对网络演进中运营商面临能源痛点的深刻理解，利用信息能源节能技术解决各站点在能源方面的实际应用问题是5G网络建设的重点。

为了更好地推动5G网络建设，做好5G基站建设的前期调研与分析是必不可少的环节。目前，全国加快推动站点极简化，通过改造实现站点极简、机房极简[2]。对部分自有机房的电源配套需求进行分析，结合机房本身空间及承重情况，现网遇到的电源配套问题主要分为以下4类。一是电池后备时长不满足5G建设需求，有更换或增加电池的需求，但机房空间或承重不满足更换或增加电池条件；二是5G设备功耗较大，增加5G设备后市电容量不足，需进行市电容量扩容，但市电扩容一般周期较长；三是存在需要同时提供多种电流输出的情况，且部分场景中交流配电箱与开关电源无空余端子；四是自有基站仅需更换开关电源，需考虑投入成本问题[3]。

目前，基站耗电占比为总耗电量的60%～70%，基站中空调耗电占比为基站总耗电量的40%～50%。存在的主要问题为：空调冷量利用率低、冷量分配不均；冷热气流掺混，出风温度低，制冷能耗高；气流组织缺乏合理规划，极易产生局部热点；设备不断更换或增加，制冷量与发热量不匹配；自然冷源利用率不高；市电中断可能会造成供冷中断等。基于此，如何提高空调的制冷效率并实现空调智能调控关系到基站设备的运行状态和基站的整体能耗。

基于传统建设规范，无线室内基站以2 V/500 Ah电池和 2 V/300 Ah 电池为主，室外站以 12 V/200 Ah电池为主，无线基站蓄电池超配严重。传统电池投资方式是在建设初期一次性投入，投资压力大，见效慢。传统的通信局站后备蓄电池组一般是同型号、同规格、同出厂日期的产品成对使用，按照通信电源系统建设规范，新旧程度不同、容量不同、规格不同的蓄电池组不能直接并联，这就造成在网使用的蓄电池由于年限不一，在扩容或更新时必须对在网旧电池组全部报废淘汰后更换，造成大量浪费[4]。此外，对在网运行的蓄电池缺乏精细化的监控和管理手段，对蓄电池荷电状态（State Of Charge，SOC）、电池健康度（State Of Health，SOH）等参数缺乏实施监测的手段。综上所述，5G基站的规模化建设对电源基础设施的更新升级和低成本应用提出了新的要求。

2 节能方案与案例分析

2.1 基站一体化能源柜解决方案

基于上述现网问题，结合福建站点的勘察数据，针对配套问题可以采用基站一体化能源柜作为解决方案。基站一体化能源柜主要由多输入多输出电源、智能磷酸铁锂电池以及机柜组成，为5G基站通信设备提供安装空间和不间断供电。产品具有“三免”（免市电改造、免电源改造、免电池更换）、“三省”（省时、省成本、省电费）等应用特点，同时能够满足按需投资、智能运维、盘活资源的建设运营需求。为了适应现网市内站点、室外站点、海岛站点、叠光站点以及储能站点等不同场景的需求，基站一体化能源柜拥有多种配件，灵活适应各类场景建设。

2.1.1 多输入多输出电源

多输入多输出电源主要由6U高集成机框、高效整流模块、智能配电单元以及管控模块构成，在接入市电、油机的同时还可接入风能、太阳能、存量电源等其他能源进行动态整合，并根据不同负载的供电需求进行调压输出[5]。电源系统采用模块化架构设计，可方便、快速、不停电地更换换流模块、管控模块、直流输出配电模块等。各类模块支持混插，能够随意组合并机输出。由于其具备-57 V/-48 V输出电压可调节功能，因此可以解决5G设备有源天线处理单元（Active Antenna Unit，AAU）供电距离问题。

2.1.2 智能磷酸铁锂电池

智能磷酸铁锂电池采用模块化设计，能够按需灵活配置新旧电池，智能动态调节备电容量，降低建设投资成本。结合智慧能源网管平台的使用可实现远程电池测试、储能SOH管理、储能智能锁等智能功能，保障站点安全，减少人工上站。

2.1.3 多业务一体化节能柜

多业务一体化节能柜将电源、电池、主设备进行集中部署，使用机柜级空调设备进行制冷。通过多类型设备整站收容，解决空间不足、供电能力不足等问题。构建柜内冷热通道，形成高热密度机柜气流组织，供冷温度均匀，解决机房局部过热问题。按需制冷，降低机房电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）。根据站内实际情况，选用侧式空调单元、门式模块化空调单元以及节能柜门进行机房新建及改造，满足各种场景的供冷需求。

2.1.4 智能维护

基站一体化能源柜输出配电采用模块化设计，可以根据负载功耗和数量按需配置输出开关。结合使用智慧能源网管平台，可以远程对智能锂电等进行实时监控并实现多种管控功能，以减少人工维护工作量，达到智慧运维的目的。采集计量每个输出分路的电压、电流、电能等参数，实现用电精细化管理。对每个输出分路进行远程上下电控制，与业务联动，实现按需供电。利用峰谷电价错峰用电，节省电费，释放电池储能沉默价值。智能削峰，市电输入免改造，减少改造投资成本、时间成本、人工成本。此外，该平台拥有风险预测管理功能，风险早预测、早处理。制定风险分级管理机制，管理资源精准调配，确保业务高效可靠。

2.2 案例分析

电源配套改造的主要内容包括电池更换或扩容、开关电源更换或新增、市电引入扩容。如果需要同时改造2项或以上的站点，采用基站一体化能源柜方案即可满足所有需求，并且可以节省投资和建设周期，避免市电改造、多次塔顶作业，大大降低了施工的难度，同时易于后期维护。对于需要同时提供多种电流输出的场景，基站一体化能源柜可以同时提供不同电压的交流与直流输出。对于部分场景中交流配电箱与开关电源已无空余端子的情况，空调照明等交流设备和基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）等直流设备直接由能源柜进行供电，以节省端子使用情况，避免机房改造。对于机房内存在局部过热问题严重、冷热分布不均、PUE较高以及电费较多等问题的站点，可以通过室外柜并柜和多业务一体化节能柜改造方式进行建设，由机房级制冷转化为柜级精确制冷，按需制冷，降低空调能耗。与传统改造方案相比，基站一体化能源柜建设期投资少、建设周期短，具备智能关断、削峰填谷、恒压输出等功能，是有效的节能减排手段，可以在网络运行期内节约大量电费。

2.2.1 案例1（自有机房空间不足，无法进行电源增容改造）

福建省福州市某地下车库机房需要进行电池和开关电源更换，但机房空间不足。根据查勘情况，该机房面积为21 m2，现有直流负载145 A，蓄电池容量为2 000 Ah。本期工程计划新增负载90 A，现有开关电源容量不能满足新增负荷需求，蓄电池后备时间也不足。此外，机房空间也不足，不能满足蓄电池扩容需求。

传统方案为更换站点，需要重新选址，建设周期长且重新选址影响网络结构，新站点内增加开关电源及蓄电池，投资较高。能源柜方案为更换原开关电源为基站一体化能源柜，根据直流负载情况逐步扩容磷酸铁锂电池组，共建设3个机柜即可满足工程扩容需求。新能源机柜内置电池可整合原有电池，满足新增5G设备后放电时长要求。传统方案与一体化能源柜方案对比如表1所示。

表1 案例1方案对比

通过方案比对发现，如果不另选站点进行建设，基站一体化能源柜解决方案为唯一高效的方案。

2.2.2 案例2（多种问题混合站点）

对于多种问题混合站点，如果应用场景为更换电池+更换开关电源+市电引入等，推荐使用基站一体化能源柜解决方案。结合反馈情况，福建省某站点本期预计新增负载75 A，按市区备电时长为3 h进行计算，将出现市电容量不足、开关电源不足、备电时长不足等问题。

传统方案为敷设市电引入电缆、更换开关电源以及更换增加铁锂电池，初期建设投资约为36 100元。能源柜方案为增加1台机柜，内置2台75 A/48 V整流模块和2组100 Ah/48 V智能锂电池，电源系统不变。两种方案对比如表2所示。

表2 案例2方案对比

通过方案对比，建议使用基站一体化能源柜方案解决现有问题，避免了大规模改造，在减少成本的同时降低施工难度。

2.2.3 案例3（室内新建机房）

以福建省福州市某基于云计算的无线接入网购架（Cloud-Radio Access Network，C-RAW）机房站点为例，使用多业务一体化能源柜大大节省了机房的使用面积，确保每台设备可以得到稳定供电、精确制冷以及远程监控。站点采用侧式空调单元进行建设，配置3台节能柜解决全站电源配套建设、主设备安装空间、设备制冷等问题。与传统方案开关电源、蓄电池、设备柜及空调需占用近一半机房空间相比，使用多业务一体化节能柜大幅减少了机房占用，为远期机房扩容留下更充足的空间。

2.2.4 案例4（室内机房局部过热）

福建省泉州市某站点原有的3个机柜内共装有25个5G BBU，单机柜发热量较大，局部热点问题突出。电量表测试显示，机房空调每日耗电量为46 kW·h，空调耗电量大。经过多方共同研究，采用节能柜门对于现有综合柜进行改造。

经过改造后，设备温度、机房耗电量及机房PUE得到大幅改善。BBU最高出风温度由59.2 ℃降低至46 ℃以下，机房空调用电量由46 kW·h减少为20 kW·h，PUE由1.22降低为1.09。改造后站点如图1所示。

图1 改造后站点

2.2.5 案例5（机房退租）

福建省三明市某站点使用室外型基站一体化能源柜进行改造，以柜替房，无需进行机房建设，将传统机房进行退租，降低选址难度。采用智能铁锂电池进行备电，占地空间更小。机柜使用模块化直流变频空调进行制冷，设备集中制冷，解决局部过热问题，降低PUE。全柜收纳电源、电池及主设备，达到“三柜合一”的效果。此外，BBU池可采用3～4个室外型基站一体化能源柜并柜建设。经过改造后，站点租金及空调电费等均实现了大幅减少。

2.2.6 案例6（智能叠光）

福建省泉州市某站点采用太阳能光伏板+基站一体化能源柜进行组网建设，实现低碳建站、智能运维。站点所安装太阳能光伏板将太阳光能转化为电能传送到基站一体化能源柜中，与市电共同为站点设备进行供电。该站点将新增叠光设备接入智慧能源网管平台，通过监控子目实现对市电、直流电源、锂电池、太阳能模块以及直流输出等的监控，同时提供了历史数据的自定义导出。叠光站点如图2所示。

图2 叠光站点

3 结 论

综上所述，基站一体化能源柜已在全国大规模使用，在解决现网电源配套问题的同时，还可以满足未来基站的需求。随着5G网络的大规模发展，新型信息能源节能方案和产品在基站建设中将发挥更大的作用，满足精准配电、存量能源利用、精确制冷等多种要求，同时结合智能削峰、错峰等措施全方位降低投资及维护成本，减少资源浪费。