通信基站水氢发电机供电方案研究

薛俊伟，刘雨濛

（1.中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019；2.暨南大学，广东 广州 510632）

0 引 言

第5代移动通信新空口技术（5G New Radio，5G NR）为应用于更多应用场景提供了支撑，其服务范围将延展至国民经济和社会生活的方方面面，改善人们的生产生活方式，促进社会的信息化和工业化。5G NR因具有低时延、高速率、大容量和强稳定等优势，是下一阶段移动网络的发展趋势。5G网络深入发展，将弥补目前在长期演进（Long Term Evolution，LTE）技术中移动网络受到网络性能限制而无法完整实现应用场景需求的不足。同时，丰富的应用也要求运营商加大对网络基础设施建设的投资。

5G高频网络的建设，需要更多的基站提供信号连续覆盖。基站配套设施的完善和运维能力的增强，将直接影响网络效果和通信质量，以及基站建成后的社会效益和经济效益。通信基站的站址应该选择在交通便利、环境适合和供电可靠的地方。偏远郊区、高山密林和广阔农田等场景存在信号盲弱问题，严重影响远程抄表、无人驾驶以及智慧农业的实现。针对外电无法进入或者进入成本高的站点，设计使用水氢发电机供电的创新方案。通过对实际工程案例中成本、工期以及稳定性等因素的分析，验证了方案能够以较低的安装和运维成本及较短的工期解决疑难站点的外电引入问题[1]。

1 基站配套电源的要求

当前我国积极发展5G，并取得了领先优势。与4G LTE网络不同，5G NR涵盖的频率范围包括FR1/Sub-6GHz（0.45～ 6.0 GHz）和FR2/Above-6GHz（24.25～52.60 GHz）。高频率下网络传输损耗加大，要提供高质量的连续覆盖和容量保证，必须建设更密集的基站，设计更具科学性的分层叠加型网络。配套电源对站点的投资和工期有较大影响，特别是外电疑难站点问题的解决一直是工程建设中需要管控的重点。5G基站能耗提高，承载的应用更多且重要，对配套电源的性能参数和保障能力也有更高的要求。

对于5G非独立组网（Non-Standalone，NSA）阶段的新建基站，交流负荷要满足16～20 kW配置，市电引入要采用不小于4 mm×25 mm的铜芯电缆或4 mm×35 mm的铝芯电缆。环境恶劣的郊外和山野站，电缆应采用水泥包封直埋方式进行布放，敷设基本要求如下：

（1）室外直埋电缆敷设的深度：人行道最小70 cm，车行道最小80 cm；

（2）电缆上下应该均匀敷设10 cm厚的细沙或者软土层作为基层，再铺设混凝土、石板或砖等作为保护层。

另外，外电三相交流电的单相输入电压允许在187～243 V波动，如果市电不稳，需要使用交流稳压器。基站应配置1套交直流供电系统，并做好后期扩容的冗余配置规划。对于没有固定油机的站点，一般要求安装2组阀控式铅酸蓄电池组或铁锂电池组，以满足交流断电后电池放电时间的要求：市区基站≥3 h，城郊及乡镇基站≥5 h，农村及山区基站≥7 h。

2 水氢发电机供电方案

2.1 供电设备介绍

水氢发电机供电主要的动力源是水氢动力模块，如图1所示。这种新能源发电机的运行原理是将甲醇水燃料转化为氢气，并通过燃料电池将化学能转化为电能[2]。反应过程解决了质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）中燃料供给的问题，使用甲醇水燃料制取高纯氢更加经济，且模块提供了可观的转化率。

图1 水氢动力模块

水氢动力模块是把化学能直接转化为电能的发电装置，具有模块化、无污染、性能高、价格低、体积小、便捷安装、方便加料、供电稳定以及放电时间久等特点。对于配套环境不允许或者接入外电成本过高的通信基站，使用水氢发电机供电是一个可以尝试的解决方案。

设备具有如下性能特点。第一，发供电高效稳定。PEMFC的能量转换效率高达60%，而一般内燃机发电机转换效率只有30%左右，同时甲醇水燃料的价格低廉，只有化石燃料价格的40%。第二，运行平稳无污染。PEMFC在发电过程中不涉及燃烧，安全可靠无污染。水氢发电机除了燃料输送泵和风扇送风外没有其他机械运转部件，工作时整机震动轻微，声音强度可以控制在55 dB以内。发电过程中燃料消耗后排放物只含有水和少量二氧化碳，不产生硫化物、氮化物和粉尘颗粒物等有害物质，环境友好。第三，模块组合成本低。模块化产品体积小重量轻，可以按需定制，移动不受地域条件限制，能在极端环境下运行，环境适应能力强，非常适合安装于配套困难的基站。模块可以方便快捷地组装为所需规格的水氢发电机，运行寿命可达8年以上，已经广泛应用于汽车、会展以及通信等行业。在基站中使用，产品稳定可靠，系统维护间隔长，能有效降低维护成本。

2.2 供电方案实现

水氢发电机供电可以使用交流和直流两种方案。传统的基站交流供电方式需要将水氢发电机的输出进行逆变，不仅影响能效，还需要保留配电箱以及进行整流输出，安装调试麻烦[3]。采用直流供电只需将交流空调和照明设备等换为直流产品，同时增加水氢发电监控模块，与原有的基站动力环境监控模块通信，如图2所示。

图2 水氢发电机直流供电

为满足新建基站交流负荷16～20 kW的配置要求，使用MRFC-EV10（单模块额定功率10 kW）2台组合。模块质量为28 kg，体积为484 mm×280 mm×800 mm，单位甲醇发电量大于2.2 Wh/g，热电联产效率大于80%，并可即时启动，满足基站建设使用标准。在恶劣环境、无外电条件下，可以增设备用燃料箱来增加系统运行时间，节省人工成本。需要注意，甲醇燃料箱宜安装在加料方便处，并做好防震、防盗以及防异物落入的保障[4]。机房内空间不足的情况下，可考虑布放在机房外，并做好隐蔽。实际应用中，需根据基站用电需求合理设置冗余燃料箱数量。

2.3 方案测试结果

选择3个基站作为通信基站水氢发电机供电方案改造点，根据试点基站运行情况得到如下测试数据。

基站A：山站，若引入外电，高压路由约600 m，高压施工送电时间约1个月，新增变压器成本47万元，低压线路650 m费用21万元，外电协调费23万元，合计造价91万元。实际水氢发电机供电20 kW，组装测试总时间3 d，总费用46.68万元。运行6个月共出现停电告警15次，同时收到电池熔丝告警达89次。维护人员核查数据后怀疑是系统误报。查实15次停电告警是因为机房交流空调当时没有更换，改造电力时使用逆变器对供电系统造成影响。后经改造，将交流空调换为直流空调后，系统随后无告警。

基站B：偏远农场站，业主无法提供外电引入。水氢发电机供电20 kW，组装测试总时间3 d，总费用40.13万元。设备安装完成后运行6个月，机器保持稳定运行，无停电告警。

基站C：景区站，若引入外电，高压路由约1 km，高压施工送电时间约1个月，新增变压器成本51万元，低压线路1.1 km费用42万元，外电协调费18万元，合计造价111万元。常规外电方案无法在基站开通的规定工期内完成，因此使用水氢发电机供电。实际水氢发电机供电20 kW，组装测试总时间4 d，总费用43.25万元。设备安装完成后运行6个月，机器运行稳定，没有出现停电告警。

3 结 论

通信基站水氢发电机供电方案在传统市电引入成本高、引入工期长的情况下，可以用很低的造价和很短的工期完成机房电力的改造，实现基站稳定运行。PEMFC以甲醇为燃料，成本低廉、绿色环保、能效极高，只需要每60 d左右进行一次人工燃料添加。5G基站对于配套电源有更高的要求，在偏远郊区、高山密林以及广阔农田等场景，外电的进入比较困难。配合水氢发电机供电方案，可以在这些环境下快捷地实现设备运行，同时降低运营成本。