陳昀昊，張 凈，張 瑜

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

1 5G建設前期調(diào)研與分析

在5G網(wǎng)絡建設中，基站的規(guī)劃與建設是重點，基站能源供給是基礎。5G網(wǎng)絡建設對電源配套改造要求較高，在5G工程查勘設計過程中，部分現(xiàn)有基站電源不能滿足5G設備需求，需要進行改造、擴容、更換[1]。傳統(tǒng)電源配套改造方案包括市電引入擴容、更換開關電源、更換蓄電池、增加蓄電池等手段，投資大、改造周期長。而部分站點還因市電引入條件受限、空間承重條件不滿足等，無法采用傳統(tǒng)方案進行電源配套改造?；趯W(wǎng)絡演進中運營商面臨能源痛點的深刻理解，利用信息能源節(jié)能技術解決各站點在能源方面的實際應用問題是5G網(wǎng)絡建設的重點。

為了更好地推動5G網(wǎng)絡建設，做好5G基站建設的前期調(diào)研與分析是必不可少的環(huán)節(jié)。目前，全國加快推動站點極簡化，通過改造實現(xiàn)站點極簡、機房極簡[2]。對部分自有機房的電源配套需求進行分析，結(jié)合機房本身空間及承重情況，現(xiàn)網(wǎng)遇到的電源配套問題主要分為以下4類。一是電池后備時長不滿足5G建設需求，有更換或增加電池的需求，但機房空間或承重不滿足更換或增加電池條件；二是5G設備功耗較大，增加5G設備后市電容量不足，需進行市電容量擴容，但市電擴容一般周期較長；三是存在需要同時提供多種電流輸出的情況，且部分場景中交流配電箱與開關電源無空余端子；四是自有基站僅需更換開關電源，需考慮投入成本問題[3]。

目前，基站耗電占比為總耗電量的60%～70%，基站中空調(diào)耗電占比為基站總耗電量的40%～50%。存在的主要問題為：空調(diào)冷量利用率低、冷量分配不均；冷熱氣流摻混，出風溫度低，制冷能耗高；氣流組織缺乏合理規(guī)劃，極易產(chǎn)生局部熱點；設備不斷更換或增加，制冷量與發(fā)熱量不匹配；自然冷源利用率不高；市電中斷可能會造成供冷中斷等?；诖?，如何提高空調(diào)的制冷效率并實現(xiàn)空調(diào)智能調(diào)控關系到基站設備的運行狀態(tài)和基站的整體能耗。

基于傳統(tǒng)建設規(guī)范，無線室內(nèi)基站以2 V/500 Ah電池和 2 V/300 Ah 電池為主，室外站以 12 V/200 Ah電池為主，無線基站蓄電池超配嚴重。傳統(tǒng)電池投資方式是在建設初期一次性投入，投資壓力大，見效慢。傳統(tǒng)的通信局站后備蓄電池組一般是同型號、同規(guī)格、同出廠日期的產(chǎn)品成對使用，按照通信電源系統(tǒng)建設規(guī)范，新舊程度不同、容量不同、規(guī)格不同的蓄電池組不能直接并聯(lián)，這就造成在網(wǎng)使用的蓄電池由于年限不一，在擴容或更新時必須對在網(wǎng)舊電池組全部報廢淘汰后更換，造成大量浪費[4]。此外，對在網(wǎng)運行的蓄電池缺乏精細化的監(jiān)控和管理手段，對蓄電池荷電狀態(tài)（State Of Charge，SOC）、電池健康度（State Of Health，SOH）等參數(shù)缺乏實施監(jiān)測的手段。綜上所述，5G基站的規(guī)?；ㄔO對電源基礎設施的更新升級和低成本應用提出了新的要求。

2 節(jié)能方案與案例分析

2.1 基站一體化能源柜解決方案

基于上述現(xiàn)網(wǎng)問題，結(jié)合福建站點的勘察數(shù)據(jù)，針對配套問題可以采用基站一體化能源柜作為解決方案?；疽惑w化能源柜主要由多輸入多輸出電源、智能磷酸鐵鋰電池以及機柜組成，為5G基站通信設備提供安裝空間和不間斷供電。產(chǎn)品具有“三免”（免市電改造、免電源改造、免電池更換）、“三省”（省時、省成本、省電費）等應用特點，同時能夠滿足按需投資、智能運維、盤活資源的建設運營需求。為了適應現(xiàn)網(wǎng)市內(nèi)站點、室外站點、海島站點、疊光站點以及儲能站點等不同場景的需求，基站一體化能源柜擁有多種配件，靈活適應各類場景建設。

2.1.1 多輸入多輸出電源

多輸入多輸出電源主要由6U高集成機框、高效整流模塊、智能配電單元以及管控模塊構成，在接入市電、油機的同時還可接入風能、太陽能、存量電源等其他能源進行動態(tài)整合，并根據(jù)不同負載的供電需求進行調(diào)壓輸出[5]。電源系統(tǒng)采用模塊化架構設計，可方便、快速、不停電地更換換流模塊、管控模塊、直流輸出配電模塊等。各類模塊支持混插，能夠隨意組合并機輸出。由于其具備-57 V/-48 V輸出電壓可調(diào)節(jié)功能，因此可以解決5G設備有源天線處理單元（Active Antenna Unit，AAU）供電距離問題。

2.1.2 智能磷酸鐵鋰電池

智能磷酸鐵鋰電池采用模塊化設計，能夠按需靈活配置新舊電池，智能動態(tài)調(diào)節(jié)備電容量，降低建設投資成本。結(jié)合智慧能源網(wǎng)管平臺的使用可實現(xiàn)遠程電池測試、儲能SOH管理、儲能智能鎖等智能功能，保障站點安全，減少人工上站。

2.1.3 多業(yè)務一體化節(jié)能柜

多業(yè)務一體化節(jié)能柜將電源、電池、主設備進行集中部署，使用機柜級空調(diào)設備進行制冷。通過多類型設備整站收容，解決空間不足、供電能力不足等問題。構建柜內(nèi)冷熱通道，形成高熱密度機柜氣流組織，供冷溫度均勻，解決機房局部過熱問題。按需制冷，降低機房電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）。根據(jù)站內(nèi)實際情況，選用側(cè)式空調(diào)單元、門式模塊化空調(diào)單元以及節(jié)能柜門進行機房新建及改造，滿足各種場景的供冷需求。

2.1.4 智能維護

基站一體化能源柜輸出配電采用模塊化設計，可以根據(jù)負載功耗和數(shù)量按需配置輸出開關。結(jié)合使用智慧能源網(wǎng)管平臺，可以遠程對智能鋰電等進行實時監(jiān)控并實現(xiàn)多種管控功能，以減少人工維護工作量，達到智慧運維的目的。采集計量每個輸出分路的電壓、電流、電能等參數(shù)，實現(xiàn)用電精細化管理。對每個輸出分路進行遠程上下電控制，與業(yè)務聯(lián)動，實現(xiàn)按需供電。利用峰谷電價錯峰用電，節(jié)省電費，釋放電池儲能沉默價值。智能削峰，市電輸入免改造，減少改造投資成本、時間成本、人工成本。此外，該平臺擁有風險預測管理功能，風險早預測、早處理。制定風險分級管理機制，管理資源精準調(diào)配，確保業(yè)務高效可靠。

2.2 案例分析

電源配套改造的主要內(nèi)容包括電池更換或擴容、開關電源更換或新增、市電引入擴容。如果需要同時改造2項或以上的站點，采用基站一體化能源柜方案即可滿足所有需求，并且可以節(jié)省投資和建設周期，避免市電改造、多次塔頂作業(yè)，大大降低了施工的難度，同時易于后期維護。對于需要同時提供多種電流輸出的場景，基站一體化能源柜可以同時提供不同電壓的交流與直流輸出。對于部分場景中交流配電箱與開關電源已無空余端子的情況，空調(diào)照明等交流設備和基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）等直流設備直接由能源柜進行供電，以節(jié)省端子使用情況，避免機房改造。對于機房內(nèi)存在局部過熱問題嚴重、冷熱分布不均、PUE較高以及電費較多等問題的站點，可以通過室外柜并柜和多業(yè)務一體化節(jié)能柜改造方式進行建設，由機房級制冷轉(zhuǎn)化為柜級精確制冷，按需制冷，降低空調(diào)能耗。與傳統(tǒng)改造方案相比，基站一體化能源柜建設期投資少、建設周期短，具備智能關斷、削峰填谷、恒壓輸出等功能，是有效的節(jié)能減排手段，可以在網(wǎng)絡運行期內(nèi)節(jié)約大量電費。

2.2.1 案例1（自有機房空間不足，無法進行電源增容改造）

福建省福州市某地下車庫機房需要進行電池和開關電源更換，但機房空間不足。根據(jù)查勘情況，該機房面積為21 m2，現(xiàn)有直流負載145 A，蓄電池容量為2 000 Ah。本期工程計劃新增負載90 A，現(xiàn)有開關電源容量不能滿足新增負荷需求，蓄電池后備時間也不足。此外，機房空間也不足，不能滿足蓄電池擴容需求。

傳統(tǒng)方案為更換站點，需要重新選址，建設周期長且重新選址影響網(wǎng)絡結(jié)構，新站點內(nèi)增加開關電源及蓄電池，投資較高。能源柜方案為更換原開關電源為基站一體化能源柜，根據(jù)直流負載情況逐步擴容磷酸鐵鋰電池組，共建設3個機柜即可滿足工程擴容需求。新能源機柜內(nèi)置電池可整合原有電池，滿足新增5G設備后放電時長要求。傳統(tǒng)方案與一體化能源柜方案對比如表1所示。

表1 案例1方案對比

通過方案比對發(fā)現(xiàn)，如果不另選站點進行建設，基站一體化能源柜解決方案為唯一高效的方案。

2.2.2 案例2（多種問題混合站點）

對于多種問題混合站點，如果應用場景為更換電池+更換開關電源+市電引入等，推薦使用基站一體化能源柜解決方案。結(jié)合反饋情況，福建省某站點本期預計新增負載75 A，按市區(qū)備電時長為3 h進行計算，將出現(xiàn)市電容量不足、開關電源不足、備電時長不足等問題。

傳統(tǒng)方案為敷設市電引入電纜、更換開關電源以及更換增加鐵鋰電池，初期建設投資約為36 100元。能源柜方案為增加1臺機柜，內(nèi)置2臺75 A/48 V整流模塊和2組100 Ah/48 V智能鋰電池，電源系統(tǒng)不變。兩種方案對比如表2所示。

表2 案例2方案對比

通過方案對比，建議使用基站一體化能源柜方案解決現(xiàn)有問題，避免了大規(guī)模改造，在減少成本的同時降低施工難度。

2.2.3 案例3（室內(nèi)新建機房）

以福建省福州市某基于云計算的無線接入網(wǎng)購架（Cloud-Radio Access Network，C-RAW）機房站點為例，使用多業(yè)務一體化能源柜大大節(jié)省了機房的使用面積，確保每臺設備可以得到穩(wěn)定供電、精確制冷以及遠程監(jiān)控。站點采用側(cè)式空調(diào)單元進行建設，配置3臺節(jié)能柜解決全站電源配套建設、主設備安裝空間、設備制冷等問題。與傳統(tǒng)方案開關電源、蓄電池、設備柜及空調(diào)需占用近一半機房空間相比，使用多業(yè)務一體化節(jié)能柜大幅減少了機房占用，為遠期機房擴容留下更充足的空間。

2.2.4 案例4（室內(nèi)機房局部過熱）

福建省泉州市某站點原有的3個機柜內(nèi)共裝有25個5G BBU，單機柜發(fā)熱量較大，局部熱點問題突出。電量表測試顯示，機房空調(diào)每日耗電量為46 kW·h，空調(diào)耗電量大。經(jīng)過多方共同研究，采用節(jié)能柜門對于現(xiàn)有綜合柜進行改造。

經(jīng)過改造后，設備溫度、機房耗電量及機房PUE得到大幅改善。BBU最高出風溫度由59.2 ℃降低至46 ℃以下，機房空調(diào)用電量由46 kW·h減少為20 kW·h，PUE由1.22降低為1.09。改造后站點如圖1所示。

圖1 改造后站點

2.2.5 案例5（機房退租）

福建省三明市某站點使用室外型基站一體化能源柜進行改造，以柜替房，無需進行機房建設，將傳統(tǒng)機房進行退租，降低選址難度。采用智能鐵鋰電池進行備電，占地空間更小。機柜使用模塊化直流變頻空調(diào)進行制冷，設備集中制冷，解決局部過熱問題，降低PUE。全柜收納電源、電池及主設備，達到“三柜合一”的效果。此外，BBU池可采用3～4個室外型基站一體化能源柜并柜建設。經(jīng)過改造后，站點租金及空調(diào)電費等均實現(xiàn)了大幅減少。

2.2.6 案例6（智能疊光）

福建省泉州市某站點采用太陽能光伏板+基站一體化能源柜進行組網(wǎng)建設，實現(xiàn)低碳建站、智能運維。站點所安裝太陽能光伏板將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能傳送到基站一體化能源柜中，與市電共同為站點設備進行供電。該站點將新增疊光設備接入智慧能源網(wǎng)管平臺，通過監(jiān)控子目實現(xiàn)對市電、直流電源、鋰電池、太陽能模塊以及直流輸出等的監(jiān)控，同時提供了歷史數(shù)據(jù)的自定義導出。疊光站點如圖2所示。

圖2 疊光站點

3 結(jié) 論

綜上所述，基站一體化能源柜已在全國大規(guī)模使用，在解決現(xiàn)網(wǎng)電源配套問題的同時，還可以滿足未來基站的需求。隨著5G網(wǎng)絡的大規(guī)模發(fā)展，新型信息能源節(jié)能方案和產(chǎn)品在基站建設中將發(fā)揮更大的作用，滿足精準配電、存量能源利用、精確制冷等多種要求，同時結(jié)合智能削峰、錯峰等措施全方位降低投資及維護成本，減少資源浪費。