［高福］

1 引言

隨著5G 基站建設(shè)的快速推進，5G 基站數(shù)量大幅增加，根據(jù)廠商提供的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，單5G 系統(tǒng)（1 個BBU+3個AAU）的功耗在3 500～4 500 W 間，由于設(shè)備功耗較大，對現(xiàn)有的基站電源配套提出了更高要求。5G 基站電源配套改造工作難度大，它涉及到5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)施工及維護管理等多個方面，對整個通信系統(tǒng)的運行安全產(chǎn)生直接影響。同時，對現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備改造還要考慮到后期工程持續(xù)的問題，改造要符合經(jīng)濟性的原則。

2 共址電源配套改造面臨的問題

2.1 5G 基站系統(tǒng)組成

目前，各個廠商推出的5G 設(shè)備采用 “CU 和DU 合設(shè)+AAU”形態(tài)的Massive MIMO 基站，支持3.5 GHz（3 400～3 600 MHz）頻段，在5G 部署初期,5G 設(shè)備形態(tài)優(yōu)先采用CU/DU 合設(shè)方式，未來隨著5G 垂直行業(yè)等新業(yè)務(wù)需求，可基于MEC 邊緣云，后續(xù)采用CU-DU 分離方式。目前均采用CU/DU 合設(shè)下沉的部署方式，但是基于機房條件、光纖資源等情況，有的運營商已經(jīng)在考慮CU/DU 合設(shè)集中部署的方式，5G 基站架構(gòu)演變方式如圖1 所示。

圖1 5G 基站部署方式示意圖

5G 基站的部署方式不同，對基站電源配套影響不同，現(xiàn)階段，對電源配套系統(tǒng)有重大影響是BBU、AAU 功率參數(shù)，由于AAU 集成了4G 組網(wǎng)下RRU 及天線的功能，其重量和功耗明顯有重大的改變。據(jù)廠家提供的5G 功耗結(jié)果看，BBU 功耗與所插板件相關(guān)，受業(yè)務(wù)負(fù)荷影響不大，BBU 的功耗隨著業(yè)務(wù)負(fù)荷增加，其平均功耗基本不變。AAU 功耗明顯受負(fù)荷影響，各個廠家設(shè)備的典型功耗和峰值功耗[1]如表1 所示。

表1 5G 主流設(shè)備廠家功耗

從表1 中可以看出，一個三扇區(qū)基站，當(dāng)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單站功耗約是4G 單站的2.5～3.5 倍之間，因此在基站電源配套改造中，需重點考慮AAU 功耗的影響。

2.2 5G 基站電源系統(tǒng)的組成

基站電源系統(tǒng)分為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)兩部分組成，外電通過交流配電箱給開關(guān)電源供交流電，開關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄐ旁O(shè)備使用的-48V 直流電，電池組通過開關(guān)電源在有市電的時候給電池充電，無市電時候電池組放電給通信設(shè)備供電，基站電源系統(tǒng)供電路由如圖2 所示。

圖2 基站電源系統(tǒng)供電示意圖

2.3 5G 基站功耗大，對外市電容量的挑戰(zhàn)

相對于4G 而言，5G 設(shè)備功耗成倍的增加，尤其對于一個需要同時上兩套5G 系統(tǒng)現(xiàn)網(wǎng)站點，不考慮其它外的負(fù)荷，需要新增近10 kW 容量，這對基站外電系統(tǒng)是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2.4 5G 基站要求可靠性高，對基站備電系統(tǒng)的考驗

5G 網(wǎng)絡(luò)具有高速率、低時延、廣連接等特性，可以在超高清視頻、虛擬現(xiàn)實、車聯(lián)網(wǎng)、智能制造等領(lǐng)域提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。5G 技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，在用在智能制造領(lǐng)域，包括遠程操控機器人和制造過程監(jiān)控；在智能駕駛領(lǐng)域，通過5G 網(wǎng)絡(luò)將車與車之間、車與基礎(chǔ)設(shè)施之間進行信息交換和共享，使得無人駕駛變得更安全、更可靠[2]。但這一切的根基是5G 基站的正?？煽康倪\行，因此，高可靠性要求的背后是對5G 基站備電系統(tǒng)提出了更加苛刻的要求。

3 外市電改造解決方案

根據(jù)共址站的需求，提出解決方案。

3.1 外電改造原則

外電改造應(yīng)遵循對現(xiàn)網(wǎng)影響最小、運行安全穩(wěn)定、造價最優(yōu)的原則。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)負(fù)荷情況、新增5G 需求負(fù)荷及對遠期需求的預(yù)判，對基站外市電容量及電纜規(guī)格型號要求進行核算。

3.2 外市電容量線徑分析核算及改造方案

外市電引入部分包括從低壓市電開關(guān)或者變壓器引出至基站交流配電箱內(nèi)的部分，如圖3 所示。

圖3 外電引入示意圖

外電容量的判斷應(yīng)依據(jù)外電容量計算公式，外市電容量計算公式為：

其中，功率因數(shù)一般取0.85～0.9，基站總功率計算如表2 所示。

表2 基站總功率計算表

表3 外市電引入解決方案

4 備電系統(tǒng)改造方案

4.1 備電系統(tǒng)改造原則

基站的備電系統(tǒng)以蓄電池作為后備電源，承擔(dān)著市電斷電或者市電故障時應(yīng)急供電的作用。備電系統(tǒng)的改造就是對蓄電池系統(tǒng)的改造。蓄電池的改造方案，需要根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備功耗、機房空間及承重、新增5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗情況和運營商提出的后備時長等因素綜合確定改造方案?？紤]現(xiàn)場實際條件，應(yīng)確保1 小時電池配置，有條件的站可適度冗余，具體容量配置應(yīng)同時考慮相關(guān)站址歷史停電情況、維護人員能夠到達基站的路途時間以及發(fā)電準(zhǔn)備時間等，確保基站的供電安全和保障，同時實現(xiàn)資源的最優(yōu)配置。

4.2 備電系統(tǒng)容量計算

目前，基站上采用的電池有兩種：一種是傳統(tǒng)使用的鉛酸電池（如圖4 所示），另外一種是退役電池重新利用的梯次電池（如圖5 所示），由于梯次電池在能量密度上高、循環(huán)壽命長、耐高溫等性能上遠超過鉛酸電池，梯次電池正在逐漸地取代鉛酸電池。

圖4 鉛酸電池

圖5 梯次電池

梯次電池它通常是指車用磷酸鐵鋰動力鋰電池在容量衰減到80%以下后，用于通信基站備電、儲能等場景的降級使用。梯次電池是針對電池組來講的，也就是說新的電池組在使用一段時間后出現(xiàn)了衰減，衰減后不足以滿足當(dāng)下設(shè)備（如電動汽車）的供電需求，但是電池并不是已經(jīng)損壞，在對其做一定的修復(fù)調(diào)整后，可以在用電要求降一級的設(shè)備上使用[5]。比如原來的設(shè)備用電是200 Ah，60 V 的，但是梯級電池經(jīng)過修復(fù)調(diào)整后只有120 Ah，56 V，這樣就只能適用于別的用電設(shè)備（如基站儲能備電等）。

從電池性能上來講，磷酸鐵鋰電池在鋰電系列中，在梯次利用方面的表現(xiàn)要更具穩(wěn)定性。磷酸鐵鋰電池能量密度高，產(chǎn)品質(zhì)量比能量最大可超過130 Wh/kg，體積比能量210 Wh/L，因而梯次電池具有占地面積小、輕量化的優(yōu)點；磷酸鐵鋰電池使用壽命長、在電動汽車上退役后重新梯次利用后，仍能夠使用5～6 年的實際壽命和約 400～2 000 次的實際循環(huán)次數(shù)循環(huán)次[6]；磷酸鐵鋰電池耐溫性較好，正常來講在-20～55℃之間都能正常使用；更重要的一點是磷酸鐵鋰電池綠色環(huán)保，它不含任何重金屬與稀有金屬，相對比較環(huán)保[7]。梯次電池在通信基站中最常見容量有100 Ah 和150 Ah，其容量計算方法為：

公式中各個符號代表的內(nèi)容如表4 所示。

表4 梯次電池計算公式符號表

鉛酸電池為最早應(yīng)用于通信基站的備電系統(tǒng)，容量有150 Ah、200 Ah、300 Ah、500 Ah 和用于局房的1 000 Ah及以上，是一種比較成熟的備電方案，其容量的計算方法依據(jù)中華人民共和國通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計規(guī)范》（GB 51194-2016）的相關(guān)要求，計算公式為：

公式中各個符號代表的內(nèi)容如表5 所示。

表5 鉛酸電池計算公式符號表

根據(jù)電池容量計算公式計算通信機房在規(guī)定的后備時長內(nèi)所需電池的總?cè)萘?，電池的總?cè)萘堪ㄔ性O(shè)備的所需容量和新增設(shè)備的所需容量，用總?cè)萘亢同F(xiàn)網(wǎng)已經(jīng)配置的容量進行比較，看現(xiàn)網(wǎng)已經(jīng)配置的電池是否能夠滿足設(shè)備的后備時長要求。

4.3 備電系改造方案

根據(jù)相關(guān)得要求，蓄電池的后備時長，需根據(jù)設(shè)備功耗情況，按照5G 設(shè)備1 小時，其余3 小時后備時長配置電池容量進行配置。假定基站的所需的總功率為總，電池的計算總?cè)萘繛橛嫞?，則說明電池備電充足，且維護人員及發(fā)電設(shè)備能在3 小時之內(nèi)到達基站，則無需改造；若，說明電池備電在要求范圍內(nèi)，若維護人員及發(fā)電設(shè)備也能在3 小時之內(nèi)到達，則按需改造；若，說明備電時長不足，需要進行改造，改造后的備電時長應(yīng)能滿足維護人員及發(fā)電設(shè)備到達的時長。改造需要根據(jù)計算的結(jié)果及機房的整體情況綜合考慮，詳細的改造方案如表6 所示。

表6 蓄電池改造方案

5 結(jié)束語

本文在分析現(xiàn)有5G 通信基站電源系統(tǒng)資源的基礎(chǔ)上，深入探討了5G 基站電源配套改造的技術(shù)難點，并針對目前存在的問題提出相應(yīng)建議和措施，為共址5G 基站電源配套改造工作提供參考。