共址5G 基站电源配套改造方案分析

2023-08-19高福

广东通信技术 2023年7期

［高福］

1 引言

随着5G 基站建设的快速推进，5G 基站数量大幅增加，根据厂商提供的技术标准，单5G 系统（1 个BBU+3个AAU）的功耗在3 500～4 500 W 间，由于设备功耗较大，对现有的基站电源配套提出了更高要求。5G 基站电源配套改造工作难度大，它涉及到5G 网络规划、建设施工及维护管理等多个方面，对整个通信系统的运行安全产生直接影响。同时，对现网设备改造还要考虑到后期工程持续的问题，改造要符合经济性的原则。

2 共址电源配套改造面临的问题

2.1 5G 基站系统组成

目前，各个厂商推出的5G 设备采用 “CU 和DU 合设+AAU”形态的Massive MIMO 基站，支持3.5 GHz（3 400～3 600 MHz）频段，在5G 部署初期,5G 设备形态优先采用CU/DU 合设方式，未来随着5G 垂直行业等新业务需求，可基于MEC 边缘云，后续采用CU-DU 分离方式。目前均采用CU/DU 合设下沉的部署方式，但是基于机房条件、光纤资源等情况，有的运营商已经在考虑CU/DU 合设集中部署的方式，5G 基站架构演变方式如图1 所示。

图1 5G 基站部署方式示意图

5G 基站的部署方式不同，对基站电源配套影响不同，现阶段，对电源配套系统有重大影响是BBU、AAU 功率参数，由于AAU 集成了4G 组网下RRU 及天线的功能，其重量和功耗明显有重大的改变。据厂家提供的5G 功耗结果看，BBU 功耗与所插板件相关，受业务负荷影响不大，BBU 的功耗随着业务负荷增加，其平均功耗基本不变。AAU 功耗明显受负荷影响，各个厂家设备的典型功耗和峰值功耗[1]如表1 所示。

表1 5G 主流设备厂家功耗

从表1 中可以看出，一个三扇区基站，当BBU 在S111配置下，典型功耗在3 300 W以下，最大功耗在5 000 W 以下。AAU 功耗的增加是5G 功耗增加的主要原因，5G单站功耗约是4G 单站的2.5～3.5 倍之间，因此在基站电源配套改造中，需重点考虑AAU 功耗的影响。

2.2 5G 基站电源系统的组成

基站电源系统分为交流系统和直流系统两部分组成，外电通过交流配电箱给开关电源供交流电，开关电源将交流电转变为通信设备使用的-48V 直流电，电池组通过开关电源在有市电的时候给电池充电，无市电时候电池组放电给通信设备供电，基站电源系统供电路由如图2 所示。

图2 基站电源系统供电示意图

2.3 5G 基站功耗大，对外市电容量的挑战

相对于4G 而言，5G 设备功耗成倍的增加，尤其对于一个需要同时上两套5G 系统现网站点，不考虑其它外的负荷，需要新增近10 kW 容量，这对基站外电系统是一个严峻的挑战。

2.4 5G 基站要求可靠性高，对基站备电系统的考验

5G 网络具有高速率、低时延、广连接等特性，可以在超高清视频、虚拟现实、车联网、智能制造等领域提供更优质的服务。5G 技术应用领域十分广泛，在用在智能制造领域，包括远程操控机器人和制造过程监控；在智能驾驶领域，通过5G 网络将车与车之间、车与基础设施之间进行信息交换和共享，使得无人驾驶变得更安全、更可靠[2]。但这一切的根基是5G 基站的正常可靠的运行，因此，高可靠性要求的背后是对5G 基站备电系统提出了更加苛刻的要求。

3 外市电改造解决方案

根据共址站的需求，提出解决方案。

3.1 外电改造原则

外电改造应遵循对现网影响最小、运行安全稳定、造价最优的原则。根据现网负荷情况、新增5G 需求负荷及对远期需求的预判，对基站外市电容量及电缆规格型号要求进行核算。

3.2 外市电容量线径分析核算及改造方案

外市电引入部分包括从低压市电开关或者变压器引出至基站交流配电箱内的部分，如图3 所示。

图3 外电引入示意图

外电容量的判断应依据外电容量计算公式，外市电容量计算公式为：

其中，功率因数一般取0.85～0.9，基站总功率计算如表2 所示。

表2 基站总功率计算表

表3 外市电引入解决方案

4 备电系统改造方案

4.1 备电系统改造原则

基站的备电系统以蓄电池作为后备电源，承担着市电断电或者市电故障时应急供电的作用。备电系统的改造就是对蓄电池系统的改造。蓄电池的改造方案，需要根据现网设备功耗、机房空间及承重、新增5G 网络设备功耗情况和运营商提出的后备时长等因素综合确定改造方案。考虑现场实际条件，应确保1 小时电池配置，有条件的站可适度冗余，具体容量配置应同时考虑相关站址历史停电情况、维护人员能够到达基站的路途时间以及发电准备时间等，确保基站的供电安全和保障，同时实现资源的最优配置。

4.2 备电系统容量计算

目前，基站上采用的电池有两种：一种是传统使用的铅酸电池（如图4 所示），另外一种是退役电池重新利用的梯次电池（如图5 所示），由于梯次电池在能量密度上高、循环寿命长、耐高温等性能上远超过铅酸电池，梯次电池正在逐渐地取代铅酸电池。

图4 铅酸电池

图5 梯次电池

梯次电池它通常是指车用磷酸铁锂动力锂电池在容量衰减到80%以下后，用于通信基站备电、储能等场景的降级使用。梯次电池是针对电池组来讲的，也就是说新的电池组在使用一段时间后出现了衰减，衰减后不足以满足当下设备（如电动汽车）的供电需求，但是电池并不是已经损坏，在对其做一定的修复调整后，可以在用电要求降一级的设备上使用[5]。比如原来的设备用电是200 Ah，60 V 的，但是梯级电池经过修复调整后只有120 Ah，56 V，这样就只能适用于别的用电设备（如基站储能备电等）。

从电池性能上来讲，磷酸铁锂电池在锂电系列中，在梯次利用方面的表现要更具稳定性。磷酸铁锂电池能量密度高，产品质量比能量最大可超过130 Wh/kg，体积比能量210 Wh/L，因而梯次电池具有占地面积小、轻量化的优点；磷酸铁锂电池使用寿命长、在电动汽车上退役后重新梯次利用后，仍能够使用5～6 年的实际寿命和约 400～2 000 次的实际循环次数循环次[6]；磷酸铁锂电池耐温性较好，正常来讲在-20～55℃之间都能正常使用；更重要的一点是磷酸铁锂电池绿色环保，它不含任何重金属与稀有金属，相对比较环保[7]。梯次电池在通信基站中最常见容量有100 Ah 和150 Ah，其容量计算方法为：

公式中各个符号代表的内容如表4 所示。

表4 梯次电池计算公式符号表

铅酸电池为最早应用于通信基站的备电系统，容量有150 Ah、200 Ah、300 Ah、500 Ah 和用于局房的1 000 Ah及以上，是一种比较成熟的备电方案，其容量的计算方法依据中华人民共和国通信行业标准《通信电源设备安装工程设计规范》（GB 51194-2016）的相关要求，计算公式为：

公式中各个符号代表的内容如表5 所示。

表5 铅酸电池计算公式符号表

根据电池容量计算公式计算通信机房在规定的后备时长内所需电池的总容量，电池的总容量包括原有设备的所需容量和新增设备的所需容量，用总容量和现网已经配置的容量进行比较，看现网已经配置的电池是否能够满足设备的后备时长要求。

4.3 备电系改造方案

根据相关得要求，蓄电池的后备时长，需根据设备功耗情况，按照5G 设备1 小时，其余3 小时后备时长配置电池容量进行配置。假定基站的所需的总功率为总，电池的计算总容量为计，若，则说明电池备电充足，且维护人员及发电设备能在3 小时之内到达基站，则无需改造；若，说明电池备电在要求范围内，若维护人员及发电设备也能在3 小时之内到达，则按需改造；若，说明备电时长不足，需要进行改造，改造后的备电时长应能满足维护人员及发电设备到达的时长。改造需要根据计算的结果及机房的整体情况综合考虑，详细的改造方案如表6 所示。