湯江暉，蘇子云，王迎秋，趙猛，劉傳飛，徐杰彥

（1.國網(wǎng)（北京）綜合能源規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 102699；2.國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300090）

0 引言

2018年12月召開的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議明確提出了“新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”這一概念，由此，在“新基建”這一概念中位列第一的5G基站建設(shè)得到飛速發(fā)展。截至2021年年底，我國已建成開通142萬多個(gè)5G基站［1］，由于5G基站使用了64/32通道大規(guī)模天線設(shè)備，該設(shè)備的復(fù)雜度相較于4G基站通信設(shè)備高出許多，這也使得5G基站的功耗大大提升，隨著通信基站數(shù)目不斷增多，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注通信基站的能耗問題。

在傳統(tǒng)基站能耗模型方面，大多數(shù)研究聚焦于基站通信設(shè)備的模型建立。文獻(xiàn)［2］研究了基站業(yè)務(wù)與其功率的關(guān)系，在對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后提出了宏基站靜態(tài)功耗與動(dòng)態(tài)功耗的模型；文獻(xiàn)［3］對基站能耗設(shè)備進(jìn)行了分類整理，得出了基站各能耗設(shè)備的能耗占比，但未分析用戶接入數(shù)量對通信設(shè)備能耗的影響；文獻(xiàn)［4］對基站能耗設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)分類，提出了基站通信設(shè)備的能耗模型，該模型較為精細(xì)但該研究未提出包括空調(diào)設(shè)備在內(nèi)的基站其余負(fù)荷的計(jì)算方法；文獻(xiàn)［5］通過實(shí)測數(shù)據(jù)提出了5G基站AAU設(shè)備的能耗模型，但未提出5G基站通信設(shè)備整體的能耗模型；文獻(xiàn)［6］通過大量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)接入用戶數(shù)量曲線明顯受到其所在區(qū)域影響，如在周末，居民區(qū)的接入用戶數(shù)量明顯高于工作日，在工作區(qū)這種情況正好相反。

因基站內(nèi)設(shè)備全年不間斷運(yùn)行，所以即使在冬天，部分基站的空調(diào)仍然一直在提供制冷服務(wù)，空調(diào)長時(shí)間運(yùn)行、能耗大，參與需求響應(yīng)的調(diào)控潛力巨大。文獻(xiàn)［7］利用能耗模擬軟件對建筑中的人用能行為及全年能耗進(jìn)行潛力分析，結(jié)果表明空調(diào)有較高的可調(diào)節(jié)負(fù)荷；在空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)方式方面，文獻(xiàn)［8］針對單臺變頻空調(diào)在綜合溫控和頻率控制方式的基礎(chǔ)上，提出了一種考慮時(shí)間約束的頻率控制方法，設(shè)計(jì)了一種空調(diào)削峰控制算法，通過算例證明了該方法削峰的有效性；文獻(xiàn)［9］為平衡負(fù)荷控制準(zhǔn)確性和用戶用電自主性，依托區(qū)塊鏈技術(shù)，提出了一種基于用電權(quán)的需求響應(yīng)機(jī)制，算例仿真表明該機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的負(fù)荷削減目標(biāo)；文獻(xiàn)［10］針對公共樓宇用電負(fù)荷提出了樓宇可控負(fù)荷的全局控制策略，并通過實(shí)例驗(yàn)證分析表明樓宇空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)具有巨大的調(diào)節(jié)潛力。

隨著5G的大規(guī)模商用，移動(dòng)通信已經(jīng)進(jìn)入了新的發(fā)展賽道，基于國家“雙碳”目標(biāo)，業(yè)界也出現(xiàn)了“基站智能關(guān)斷”、“地埋降溫”等一些主動(dòng)式低碳方式。然而，針對基站空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)的潛力評估有待進(jìn)一步研究。故本文首先對基站主要用電設(shè)備建模，分析其能耗計(jì)算方法，得出基站用電設(shè)備參與需求響應(yīng)后的負(fù)荷求解模型；其次，考慮5G宏基站以通信設(shè)備通道關(guān)斷方式助力空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)，并以典型日負(fù)荷曲線為例，對通道關(guān)斷方式下基站空調(diào)負(fù)荷的需求響應(yīng)潛力進(jìn)行評估。

1 基站負(fù)荷模型

1.1 基站總體架構(gòu)

5G基站設(shè)備主要包括供電設(shè)備和通信設(shè)備兩類，此外還包括照明、空調(diào)設(shè)備等。通信設(shè)備主要包括有源天線單元（active antenna unit，AAU）、基帶單元（base band unit，BBU）和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備。5G基站的典型組成如圖1所示。

圖1 5G基站的組成Fig.1 Components of 5G base station

基站設(shè)備一般放置在機(jī)房或機(jī)柜中，主要采用空調(diào)進(jìn)行降溫，基站空調(diào)常年設(shè)定為25℃且連續(xù)開啟以將基站室內(nèi)溫度控制在基站設(shè)備正常工作溫度范圍內(nèi)，作為基站第二大用電設(shè)備的空調(diào)系統(tǒng)，其負(fù)荷具有一定的調(diào)節(jié)靈活性，因此可挖掘其參與需求響應(yīng)的潛力。

通信設(shè)備負(fù)責(zé)收發(fā)無線信號，對于信號進(jìn)行處理，并接入5G核心網(wǎng)，是移動(dòng)終端與5G網(wǎng)絡(luò)間的接口［11］。BBU的作用是對接入基站的用戶移動(dòng)通信的基帶信號進(jìn)行處理，用以完成各類數(shù)據(jù)的編碼、校驗(yàn)、糾錯(cuò)等任務(wù)；AAU的作用是實(shí)現(xiàn)射頻的調(diào)制與解調(diào)制、發(fā)射與接收等。因此，5G宏基站通信設(shè)備負(fù)荷需求主要來自基帶BBU與射頻AAU［12］。

1.2 基站空調(diào)負(fù)荷模型

空調(diào)所在房屋屋內(nèi)與外界環(huán)境的冷熱交互過程如圖2所示。影響室內(nèi)溫度的因素主要包括外界太陽輻射、通過建筑表面（如墻壁、地板以及房頂?shù)龋┡c外界的熱交換、室內(nèi)用電設(shè)備散熱、空調(diào)啟停等。

圖2 空調(diào)房屋內(nèi)外熱交換示意圖Fig.2 Heat exchange inside and outside of an airconditioned house

等效熱參數(shù)（equivalent thermal parameters，ETP）建模法在研究中常用來對空調(diào)負(fù)荷建模。若忽略墻壁內(nèi)外溫度差、屋內(nèi)氣體與固體溫度差等影響較小的參數(shù)，則可將該模型簡化為空調(diào)系統(tǒng)的一階ETP模型，如圖3所示。

圖3空調(diào)負(fù)荷一階ETP模型Fig.3 First-order ETP model of air conditioning load

圖3：C為等效熱阻，℃/W；R為等效熱容，J/℃；Q為空調(diào)機(jī)組制冷/制熱功率，W；To為室外溫度，℃；Tr為室內(nèi)氣體溫度，℃。

由該一階ETP模型推得的函數(shù)表示如下［13—14］

式中：Tr、To分別為室內(nèi)、室外溫度；H為等效熱導(dǎo)；C為等效熱容，為仿真系統(tǒng)的時(shí)間步長；Q為溫控負(fù)荷提供的熱能。

基站空調(diào)設(shè)備的總熱負(fù)荷Qt的計(jì)算公式為

式中：k1為基站所在地區(qū)的制冷系數(shù)，一般取值為［0.9，1.1］；k2為開關(guān)電源工作熱效率補(bǔ)償系數(shù)；Q1為通信設(shè)備熱負(fù)荷，kW，為通信設(shè)備功率Pt的0.8倍；Q2為建筑結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷，kW；Qs為單位面積熱負(fù)荷，kW/m2；Sj為機(jī)房面積，m2。

基站空調(diào)設(shè)備的實(shí)時(shí)功率Pc由其總熱負(fù)荷Qt及其能效比η決定，由式（2）可知，Pc的計(jì)算公式為

1.3 基站通信設(shè)備負(fù)荷模型

一般情況下，5G宏基站通信設(shè)備主要由1個(gè)基帶處理單元及與之配套的3個(gè)有源天線單元構(gòu)成［15］。由式（2）可知，基站總熱負(fù)荷受到通信設(shè)備功率影響，且二者基本呈線性相關(guān)，而基站通信設(shè)備的實(shí)時(shí)功率又與基站的無線利用率（即當(dāng)前用戶接入數(shù)量/總可接入用戶數(shù)量）相關(guān)。某廠家基站設(shè)備在獨(dú)立5G場景下單個(gè)AAU與BBU功耗的測試數(shù)據(jù)［16］如表1所示，基帶BBU功耗在不同無線利用率情況下只在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，為方便計(jì)算可近似看作定值，取表1中數(shù)據(jù)的平均值323.2 W為基帶BBU的功耗。

表1 某廠家基站設(shè)備單個(gè)AAU與BBU功耗測試數(shù)據(jù)Table 1 Power consumption test data of single AAU and BBU of a manufacturer’s base station equipment

由表1中數(shù)據(jù)及5G宏基站通信設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成可知，5G宏基站的無線利用率與其通信設(shè)備的能耗之間的關(guān)系可由圖4表示。

圖4 基站通信設(shè)備能耗與無線利用率關(guān)系Fig.4 Relationship between energy consumption and wireless utilization rate of base station communication devices

設(shè)x為自變量，y為因變量，且y與x呈線性相關(guān)，則對于數(shù)組(xi,yi)(i∈[1,n])，有

將圖4中各點(diǎn)數(shù)據(jù)代入式（4）中，可求出k、b分別為1.506 3與2.390 1，故5G宏基站通信設(shè)備的負(fù)荷模型可表示為

式中：Pt為t時(shí)刻5G宏基站通信設(shè)備的功率，kW；xt為t時(shí)刻通信設(shè)備的無線利用率。

確定系數(shù)R2作為度量擬合優(yōu)度的統(tǒng)計(jì)量，其計(jì)算公式為

式中：Q為y的回歸平方和；Syy為y的總平方和；yi為計(jì)算值；yˉ為平均值。

上述線性回歸模型的確定系數(shù)R2為0.991 6，若R2與1的差值越小，則表明所求模型的擬合程度越為理想。故說明5G宏基站通信設(shè)備功率與無線利用率的線性度較好。

2 基站負(fù)荷參與需求響應(yīng)的潛力

2.1 基站空調(diào)負(fù)荷需求響應(yīng)方法

基站空調(diào)設(shè)備可以通過負(fù)荷中斷、負(fù)荷轉(zhuǎn)移等方式作為一種可調(diào)節(jié)的負(fù)荷參與需求響應(yīng)。若給通信基站安裝終端控制器，在電網(wǎng)需要通過需求響應(yīng)來削峰填谷時(shí)，由控制中心向通信基站的終端控制器發(fā)送需求響應(yīng)開啟與截止時(shí)間等信息，通信基站在接收到上述信息后，通過調(diào)高溫度設(shè)定或進(jìn)行啟停控制實(shí)現(xiàn)空調(diào)負(fù)荷的削減來參與需求響應(yīng)［17］。下文采用啟停控制的方法使基站空調(diào)參與需求響應(yīng)以實(shí)現(xiàn)自身負(fù)荷的削減。

若將基站室內(nèi)溫度設(shè)定在［Tmin，Tmax］之間，則可通過控制空調(diào)系統(tǒng)的啟停來實(shí)現(xiàn)空調(diào)負(fù)荷需求響應(yīng)，如圖5所示。

圖5 設(shè)定溫度區(qū)間的空調(diào)啟停示意圖Fig.5 Air conditioning start and stop in the set temperature range

空調(diào)負(fù)荷的溫度控制策略可以表示為

式中：Tmax、Tmin分別為設(shè)定的上下限工作溫度。當(dāng)S(t)取1時(shí)，表示當(dāng)前空調(diào)設(shè)備開啟，當(dāng)S(t)取0時(shí)，表示當(dāng)前空調(diào)設(shè)備關(guān)閉。

由此，空調(diào)負(fù)荷的實(shí)時(shí)功率可表示為

若在一次啟停控制周期τc之內(nèi)室外溫度To不變，則由式（4）可以推出，空調(diào)關(guān)閉后，室溫由Tmin升至Tmax時(shí)所需提供的熱能Qx為

空調(diào)開啟后，室溫由Tmax降至Tmin時(shí)所需減少的熱能Qn為

由式（10）與式（2）可知，在一次啟停周期內(nèi)，空調(diào)設(shè)備最大啟時(shí)長τon和最大停時(shí)長τoff分別為

式中：Qt為基站熱負(fù)荷，Qc基站空調(diào)最大冷負(fù)荷。

在一次總時(shí)長為t的啟?？刂泼钪?，假設(shè)單次啟?？刂苾?nèi)室外溫度不變，則在時(shí)段t內(nèi)空調(diào)設(shè)備的需求響應(yīng)潛力Qa為

式中：n為t時(shí)段內(nèi)總關(guān)停次數(shù)；Pc為基站空調(diào)實(shí)時(shí)功率。

2.2 基站通信設(shè)備功耗管理

多基站設(shè)備的功耗管理也是基站參與需求響應(yīng)的前提之一，其可提供一定的基站功耗調(diào)節(jié)空間，減少電費(fèi)支出，針對5G基站通信設(shè)備能耗過高這一問題提出的節(jié)能方法大致可分為設(shè)備級、站點(diǎn)級與網(wǎng)絡(luò)級3層［18］。本文采用站點(diǎn)層通道關(guān)斷的方式實(shí)現(xiàn)基站通信設(shè)備的功耗管理并對其負(fù)荷進(jìn)行測算。通道關(guān)閉及能耗計(jì)算流程圖如圖6所示。

圖6 AAU通道關(guān)斷模式及負(fù)荷計(jì)算流程Fig.6 Flow of AAU channel shutdown mode and load calculation

圖6中，R1、R2分別表示所設(shè)定的關(guān)斷1個(gè)AAU通道和2個(gè)AAU通道時(shí)的無線利用率，本文取R1為60%，R2為30%，Y為通信設(shè)備負(fù)荷，Ptas為采取通道關(guān)斷方式后的負(fù)荷。由式（5）可知，當(dāng)開啟通道關(guān)斷模式后，5G宏基站通信設(shè)備在不同無線利用率下的負(fù)荷模型為

3 算例分析

由于用戶通信需求的變化，移動(dòng)用戶的通信需求在時(shí)間維度上呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，同時(shí)，因5G宏基站通信負(fù)載的變化，基站覆蓋區(qū)域的設(shè)備功耗在工作日和休息日有所區(qū)別，本文選取天津某覆蓋區(qū)域主要由居民區(qū)組成的5G宏基站2021年典型工作日及休息日的負(fù)荷曲線如圖7所示。

圖7 基站典型日負(fù)荷曲線Fig.7 Load curve of base station in a typical day

在開啟智能通道關(guān)斷操作后，該基站在工作日與休息日的射頻AAU開啟情況如圖8所示。

圖8 開啟智能通道關(guān)斷模式前后射頻AAU開啟數(shù)量Fig.8 Turn-on number of RF AAUs before and after the intelligent channel shutdown mode

由于通道關(guān)斷前的典型工作日無線利用率在任意時(shí)刻均低于60%，故執(zhí)行智能通道關(guān)斷操作后，工作日中有一個(gè)射頻AAU設(shè)備始終處于關(guān)斷狀態(tài)；而由于通道關(guān)斷前的典型休息日無線利用率在10:00、19:00、20:00的無線利用率大于60%，故在這3個(gè)時(shí)刻3個(gè)射頻AAU設(shè)備同時(shí)處于開啟狀態(tài)。結(jié)合式（14）可知，執(zhí)行智能通道關(guān)斷操作，該基站在工作日單日節(jié)省的電量為21.879 kWh，在休息日單日節(jié)省的電量為19.227 kWh，用電量的減少能夠使空調(diào)負(fù)荷更加靈活地參與需求響應(yīng)。

現(xiàn)行的《通信中心機(jī)房環(huán)境條件要求》規(guī)定普通基站機(jī)房溫度范圍為10～30℃［19］，由于無人值守，站內(nèi)空調(diào)24 h以25℃的設(shè)定溫度持續(xù)運(yùn)行，基站機(jī)房等效熱導(dǎo)H為50.52 W/℃，等效熱容C為288 J/℃。

假設(shè)該基站以空調(diào)設(shè)備啟停控制的方式在9：00—12：00、16：00—21：00這兩個(gè)高峰時(shí)段內(nèi)各參與一次直接負(fù)荷控制這一基于激勵(lì)的需求響應(yīng)，每次響應(yīng)持續(xù)時(shí)間為30 min，在9：00—12：00這一時(shí)間段內(nèi)，工作日選擇在11:00參與需求響應(yīng)，此時(shí)室外溫度為35℃，休息日選擇在10：00參與需求響應(yīng)，此時(shí)室外溫度為34℃；在16：00—21：00這一時(shí)段內(nèi)，工作日與休息日均選擇在20：00參與需求響應(yīng)，此時(shí)室外溫度為32℃，參與需求響應(yīng)前空調(diào)設(shè)備均為開啟狀態(tài)，機(jī)房室內(nèi)溫度均為25℃，將Tmax、Tmin分別設(shè)置為30℃、25℃，由式（9）—式（12）可求出兩個(gè)時(shí)段內(nèi)的總關(guān)停時(shí)長。

（1）不開啟智能通道關(guān)斷。

基站通信設(shè)備不開啟智能通道關(guān)斷時(shí)，空調(diào)設(shè)備的關(guān)停時(shí)長如表2所示。

表2 不開啟智能通道關(guān)斷，基于激勵(lì)的空調(diào)設(shè)備關(guān)停時(shí)長Table 2 Turn-off intelligent channel shutdown mode,on/off time period of air conditioning in demand respond based on incentive

（2）開啟智能通道關(guān)斷。

基站通信設(shè)備開啟智能通道關(guān)斷時(shí)，空調(diào)設(shè)備的關(guān)停時(shí)長如表3所示。

表3 開啟智能通道關(guān)斷，基于激勵(lì)的空調(diào)設(shè)備關(guān)停時(shí)長Table 3 Turn-on intelligent channel shutdown mode,on/off time period of air conditioning in demand respond based on incentive

從2次結(jié)果對比可以看出，通信設(shè)備開啟智能通道關(guān)斷后，射頻AAU開啟數(shù)量減少，通信設(shè)備散熱有所下降，因此，空調(diào)關(guān)停時(shí)長有所延長，有助于空調(diào)設(shè)備進(jìn)行啟?？刂茀⑴c需求響應(yīng)，提升了空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)的潛力。

考慮到頻繁啟停對基站空調(diào)設(shè)備的損害以及溫度升高對基站通信設(shè)備與備用電源的影響問題，本文對基站空調(diào)設(shè)備采用基于激勵(lì)的直接負(fù)荷控制模式，該基站在對空調(diào)設(shè)備進(jìn)行啟?？刂茀⑴c需求響應(yīng)的同時(shí)，站內(nèi)通信設(shè)備全天候采用智能通道關(guān)斷運(yùn)行模式，則考慮通道關(guān)斷的空調(diào)負(fù)荷需求響應(yīng)前后的基站典型日負(fù)荷對比曲線如圖9所示。

圖9 基站典型日負(fù)荷對比曲線Fig.9 Load curves of comparison the base station in a typical day

由于通道關(guān)斷模式設(shè)置的關(guān)閉一個(gè)射頻AAU時(shí)的R1為60%，而在典型休息日的10:00、19:00與20:00的無線利用率均高于60%，這3個(gè)時(shí)段內(nèi)沒有射頻AAU關(guān)閉，而這兩個(gè)時(shí)段的前后時(shí)段的無線利用率均低于60%，關(guān)閉了一個(gè)射頻AAU，故休息日負(fù)荷曲線在這兩個(gè)時(shí)段出現(xiàn)了“尖峰”特性，且在19:00空調(diào)系統(tǒng)并未進(jìn)行啟?？刂疲试摃r(shí)刻的負(fù)荷值相較于之前未發(fā)生變化。

該基站采用的天津市一般工商業(yè)分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分及電價(jià)如圖10所示。

圖10 天津市分時(shí)電價(jià)Fig.10 Time-of-use power price in Tianjin

其中，高峰電價(jià)時(shí)段內(nèi)用電價(jià)格為1.107 6元/kWh；平電價(jià)時(shí)段內(nèi)用電價(jià)格為0.761 5元/kWh；低谷電價(jià)時(shí)段內(nèi)用電價(jià)格為0.387 8元/kWh。故該5G宏基站在考慮通道關(guān)斷的空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)前后的每日用電量及電量電費(fèi)節(jié)省如表4所示，工作日單日電量節(jié)省了17.56%，休息日單日電量節(jié)省了15.16%。

表4 基站日用電量及電費(fèi)對比Table 4 Comparison of daily electricity consumption and electricity cost of the base station

綜上，在用電高峰時(shí)段，開展如通道關(guān)斷、空調(diào)負(fù)荷需求響應(yīng)等方式，適當(dāng)減少用電高峰負(fù)荷，以減少發(fā)電容量的需求，同時(shí)，5G基站參與需求響應(yīng)也是降低用電成本的潛在途徑，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的成本節(jié)約。

4 結(jié)論

在“雙碳”背景下，5G基站的大規(guī)模部署及5G基站設(shè)備能耗的驟增導(dǎo)致的基站用電量過高問題已不容忽視。本文主要研究了圍繞基站主要能耗設(shè)備的建模與優(yōu)化運(yùn)行，具體結(jié)論如下：

（1）分析基站通信設(shè)備的能耗和智能通道關(guān)斷原理，建立其能耗模型，通過對無線利用率的分析發(fā)現(xiàn)基站通信設(shè)備能耗和無線利用率是線性相關(guān)的；

（2）建立了空調(diào)設(shè)備的一階等效ETP模型，分析了基站空調(diào)的冷/熱負(fù)荷，研究了基站空調(diào)負(fù)荷根據(jù)設(shè)定溫度的范圍，通過啟?？刂频姆绞絽⑴c需求響應(yīng)，算例分析結(jié)果得到單臺空調(diào)在需求響應(yīng)時(shí)段參與需求響應(yīng)的潛力約為0.3 kW；

（3）5G宏基站的負(fù)荷具有典型的時(shí)間特性，天津某基站典型日負(fù)荷的算例結(jié)果表明，通信設(shè)備實(shí)施智能通道關(guān)斷及空調(diào)設(shè)備實(shí)施啟?？刂凭哂休^好的減少用電高峰的效果，同時(shí)，基站通信設(shè)備實(shí)施智能通道關(guān)斷提升了空調(diào)設(shè)備參與需求響應(yīng)的潛力，單臺空調(diào)的需求響應(yīng)潛力提升了3%。D