基于物联网的智能全并联直流基站叠光系统设计与实现

沈国平 付锐 吴响容 黄卓越 吕明

（1.浙江经济职业技术学院，杭州;2.杭州大光明通信系统股份有限公司，杭州）

1 引言

为了加快实现绿色和可持续发展的“双碳”目标，节能减排、提升系统能效、采用绿色能源是通信基站持续发展的必经之路[1]。践行低碳新理念，降低成本损耗已成为通信运营商的战略目标。随着光伏发电的广泛应用，开发光伏新能源实现基站供电的绿色优化方案越来越引起各大运营商的重视。各大运营商纷纷引入“站点叠光”概念，对通信基站部署光伏，实现太阳能、电网、储能电池多路供电[2]。为了更好地保障通信基站正常运行，提高基站绿色电能使用水平，在现有基站供电基础上引入光伏发电系统。太阳能光伏供电，作为基站新能源建设方式，对缓解当地电网的用电负荷，促进通信基站的绿色发展具有积极的作用。

2 基站太阳能光伏

2.1 运营商基站

在移动通信系统中，目前运营商的基站分类一般分为宏基站、微基站和室分站三种。

2.1.1 宏基站

宏基站是移动通信系统中最基本的基站，其覆盖面积大，可以满足用户对移动通信信号的要求。宏基站由于功率较大，需要一定的供电能力和建设成本，因此在建设中一般采用专用电源，通常部署于大型城市、交通枢纽等区域。

2.1.2 微基站

微基站是一种小型的基站设备[3]。它主要以机柜形式存在，是在室外人流相对集中的环境中部署的小型蜂窝网络，具有覆盖面积小、覆盖距离短、覆盖效率高等特点。

2.1.3 室分站

室分站是指在建筑物内部建立通信网络，以实现无线信号覆盖的一种基站。通常情况下，室内分布系统包括有源和无源两种类型。

本文研究的基站光伏智能叠光绿色能源系统主要是宏基站，宏基站相对都具有固定的建筑物，具有安装光伏组件的条件。

2.2 太阳能光伏

太阳能作为一种清洁能源，其能量巨大、无污染、非地域受限性等优势，成为近些年来发展最快、最具活力的研究领域之一，其能量输出随着光照强度、温度等环境条件的改变而改变。

光伏发电通过将太阳的光能转化成电能实现对负载供电[4]。将太阳能光伏系统引入通信基站，通过光伏适配器将太阳光的光能转换为电能，最大程度利用太阳能给基站供电，保证通信基站正常运行，节能环保的同时也缓解了用电高峰时期的市电压力，为市民的生活和工作提供保障。

3 基站光伏系统传统方案存在的问题

3.1 高压直流，安全性隐患大

传统基站光伏系统一般是光伏组件通过串联，直流电压达到500V～1000V（12kW 基站负载以下的一般光伏组件串联达到此电压），通过逆变器输出380V 交流电压供基站负载用，或通过并网柜并入国网电力系统。光伏系统直流侧电压达到500V～1000V，其拉弧往往是各类光伏电站火灾事故的重要原因，安全风险较大。

3.2 能量转换损耗大

传统基站光伏系统需要经过二次能量转换，一次是直流500V～1000V 通过逆变器输出380V 或220V 交流电，第二次能量转换是通过基站开关电源将380V 交流电转换48V 低压直流电，供基站设备用电[5]。经过两次能量转换，将损耗光伏发电电能。

3.3 投资大

在我国，基站设备用电是-48V 直流系统[6]，传统基站光伏系统需要逆变器将直流电转换为交流电，需要通过并网柜将电能上传国家电网。这就大大增加了设备投资。

3.4 管理工作量大

传统基站光伏系统因增加了逆变器和并网柜，增加了设备的故障点，并网柜的维护保养一般都需要电力局负责实施，因此会增加协调管理的工作量。

4 基站光伏智能叠光系统设计

DC-48V 叠光控制器系统采用模块化设计思想，由太阳能光伏组件、光伏组件数字化适配器、低压型智能汇流箱三部分组成，汇流箱输出的直流电直接并入原基站开关电源和蓄电池能源系统。

4.1 太阳能光伏组件

太阳能光伏组件是光伏发电系统的核心，其主要职责是将太阳光能转化为电能。由于太阳光能辐射分散，单位面积上的能量有限，因此，通常需要将N 个（N ≥2）太阳能电池板串联或者并联，组成光伏电池方阵，以此获得稳定、持久的太阳能资源，最终为负载供电。

本系统使用的光伏板是通过全并联的方式组网，根据屋顶面积及实际场景进行组件装机配置，可单组件扩容，保障投资收益最大化。

4.2 光伏组件数字化适配器

光伏适配器，即通用光伏DC/DC 模块，安装在每块光伏组件背面，实现单个组件DC/DC 电源升压[7]。光伏适配器将太阳能光伏组件电压升压转换为48V 直流系统电压，以并联方式接入低压型智能汇流箱，经汇流箱汇流后接入基站/机房开关电源直流母排，最终将太阳能产生的电能转化成通信基站需要的电能，完成直流侧叠光应用。

运营商基站的电源通常使用380V，而基站内部设备工作时需要使用-48V 直流电源。通常，每个基站会配置两组蓄电池。当基站停电时，蓄电池会为基站提供电力，这时电流最高可能会达到上百安培，具体数值取决于不同的基站和其耗电情况。一般基站在正常市电供电时，对电池浮充状态，在负载供电母排上是-52V 到-54V 之间，在对电池均充状态，在负载供电母排上是-55V 到-56V之间。

4.2.1 基站光伏组件选择

光伏组件一般直接直流输出是12VDC、24VDC、48VDC，移动基站一般均是-48V 直流系统，故基站光伏智能叠光系统可选择550W 输出开路电压在48V～49.1伏的光伏组件。

4.2.2 基站光伏电池板串联、并联选择

光伏组件单板输出电压不能满足基站设备供电要求，要满足基站设备供电要求，则可以通过光伏电池串联后再降压来实现，或通过单块光伏电池通过适配器将输出电压升压到满足基站负载供电要求。本方案选择所有光伏电池板电源输出通过并联，每个光伏电池板配置适配器，通过适配器将输出电压升压到满足基站负载供电要求的方案。

光伏电池板适配器实现单个组件DC/DC 升压，对每块光伏板通过MPPT 跟踪调节，提升发电效率，安装光伏组件背面。针对系统安全性，专门针对通信基站设计输出电压范围，输出高限阈值可调。设计输出启动无波动，不会对负载设备及蓄电池产生冲击。单个光伏组件参数的采集，通过RS485 上传到汇流箱。

4.2.3 基站光伏电池板数量设计原则

基站光伏电池板数量设计原则是基站总光伏电池板发电功率小于等于基站实际负载最大值功率。假设基站最大直流负载是5.3kW(不含电池均充时的功率)，一般基站正常工作时负载电压是-53.6V，则基站负载电流最大98.88A。如选择的光伏组件是550W 每块，则选择8块光伏电池板。通过8 块光伏电池板并联，电池板最大输出功率4.4kW，最大输出电流82A，低于基站负载电流最大98.88A。8 块光伏电池板适配器并联接入智能汇流箱，并且每个适配器通过RS485 与汇流箱控制板通信。

4.3 智能汇流箱

将光伏电池板适配器输出并联接入汇流箱，汇流箱控制板通过RS485 采集光伏适配器工作状态信息，形成物联网组件级监控。同时，汇流箱配置独立直流电表对叠光系统发电量进行精准计量，实现精细化管理；在光伏板正常发电时，汇流箱控制板通过RS485 调整适配器输出电压高于开关电源母排电压的1.5V～2V，保证优先使用光伏电池板电能。

汇流箱内直流计能电表通过RS485 接入汇流箱控制板，汇流箱控制板自带4G 无线模块和以太网网口，可以通过4G 无线上传到能耗平台，同时可以通过以太网接入基站动环监控系统，实现物联网有线/无线双通道数据监控。

智能汇流箱通过4G 模块，将现场运行数据及系统发电数据上传至能耗运营管理平台，实时监测每个组件工作状态、任何组件损坏可以快速定位，实现远程运营管理，极大降低运维成本。此外，智能汇流箱具有输入熔丝保护、直流防雷、输出空开保护等完善的保护机制，能够保证通信系统可靠运行。

基站智能叠光系统通过汇流箱的电源输出端口连接至原有基站-48V 高频开关电源直流母排，可实现优先光伏发电为基站供电。开关电源接入点必须选择在开关电源的一、二次下电接触器与电池电流检测分流器(或霍尔)之间母排上，接入点不能接在电池分流器下端或直流负载端，否则将影响电源系统对电池电流及负载电流检测，造成电源系统控制逻辑异常。基站光伏叠加供电系统要求汇流箱、光伏组件支架单独进行接地，接地排原则上利用基站已有接地排。

5 甘肃某运营商张掖火车站基站光伏智能叠光绿色能源系统应用案例设计

5.1 张掖火车站基站适合安装光伏发电系统

甘肃省的张掖市是太阳能资源较丰富的区域之一，其火车站基站楼顶有400 平方米，周围没有建筑物遮挡，环境适合安装光伏发电系统。

5.2 张掖火车站基站光伏组件的选择

张掖火车站基站直流负载功率5.6kW(不含蓄电池均充功率)，基站正常工作时直流电压是-53.3V，基站负载电流在105A。选择的光伏组件550W 每块，通过8 块光伏电池板并联，电池板最大输出功率可达4.4kW，最大输出电流可达82A。

5.3 张掖火车站基站光伏智能叠光能源系统安装后数据分析

从该站点运行数据可以看到：在2023年9月22日至9月28日这段时间内，张掖火车站基站光伏智能叠光能源系统的总发电量达到了121.29KWh，平均每天发电17.3KWh。据统计张掖地区一般光伏年有效利用小时数是1611.88 小时，折算一年可正常光伏发电天数为200 天左右，则张掖地区一个基站一年可光伏发电3460KWh，该系统的应用可以直接减少市电用电量。

6 总结

本文针对基站光伏系统传统方案存在的问题，在校企合作的基础上设计的一款智能全并联直流基站叠光系统，经过实际安装应用，检验出可以减少市电用电量，缓解当地电网的用电负荷，延长基站标配的蓄电池寿命，降低基站的掉站率，缩减系统维护成本等优势，有益于构建资源节约型和环境友好型社会。同时，该系统安装具有简单可靠、发电效率高、运维智能、安全可靠及可行度高的特点，便于大范围推广。