基于5G网络的基站电源系统创新研究

徐 华，田哲源，赵志红

（河南省信息咨询设计研究有限公司，河南 郑州 450008）

0 引 言

“4G改变生活，5G改变社会”。5G应用的三大场景，即eMBB、URLLC、mMTC，将提供给用户更快的速率、更低的延迟、更大的容量以及更多的物联网应用。由于5G网络组网架构的升级以及设备形态的变化，5G基站数量及5G网络设备功耗将大幅增加，这对基站电源配套提出了新的挑战。2020年，5G将实现全面商用。提前对基站电源系统进行全面梳理和改造，将有利于5G网络的快速建设和发展。

1 基于现状的基站电源系统创新改造方案

1.1 典型基站电源系统配置

基站电源系统配置如表1、表2所示。

表1 典型基站电源设备标准配置表

1.2 基于基站电源系统现状的改造方案

面对大容量、高功率密度的5G设备，如果利用原有基站电源系统建设5G，则基站的外市电容量、开关电源的容量及配置、蓄电池组的容量及配置都需要按照实际情况作全面扩容改造。根据CU、DU以及AAU的部署方式、架构特点，在综合考虑3G、4G设备功耗的基础上，对原电源设备进行合理的扩容和改造，以保证通信设备的正常运行。

1.2.1 外市电容量

外市电容量的设计为基站交流和直流设备总功耗之和，同时考虑远期发展功耗，如表3、表4所示。

1.2.2 交流配电箱

按30 kW负荷计算交流配电箱容量：

基站交流配电箱引入一般为380 V/100 A（63 A），现有交流配电箱容量满足要求，可利旧使用。

1.2.3 开关电源

现有典型基站组合开关电源容量一般为-48 V/600 A，整流模块配置数量满配为12个，每个整流模块50 A。

综合考虑3G、4G、5G以及传输等设备负荷设计开关电源容量，如表5所示。

存在问题及解决方案，具体如下。

第一，开关电源原机架容量为600 A，前期均无满载配置，整流模块数量少，需扩容整流模块。建议选择集采范围以内的整流模块，如果在集采范围以外、且整流模块价格高的开关电源，建议整机更换开关电源。

第二，开关电源直流输出配电端子数量、容量不足，可配置直流配电箱。

第三，开关电源设计使用年限为8年，超期服役应更换。

第四，需整机更换开关电源有困难，可采用相关新创方案。

表3 5G典型基站外市电配置表

表5 5G典型基站开关电源配置表

1.2.4 蓄电池组

考虑到市电每年、每月、每次的停电次数、停电时长以及基站所处的地理位置，一般基站市电类别按3类考虑，且需要有移动发电机作为供电保证。因此，作为备电设备，基站蓄电池容量的选择需按照如下设计原则。

关于蓄电池配置原则，蓄电池的容量应按近期负荷配置，依据蓄电池寿命，适当考虑远期发展。

蓄电池组容量计算公式为：

目前，典型基站一般配置2组500 Ah密封阀控铅酸蓄电池组，以在典型基站原有一套（3G、4G）设备的基础上新增一套5G设备为例，考虑蓄电池放电时间为3 h，蓄电池组容量计算如下：

基站现有2组500 Ah蓄电池组满足3 h放电时间需求。

存在的问题，具体如下。

第一，由于部分蓄电池组超期运行，每组中单只蓄电池质量参差不齐，导致个别落后蓄电池降低整组蓄电池效率。如果整组更换，成本高，施工难度大，对机房结构和面积有要求。

第二，对于现存容量不满足设计或备电要求的蓄电池，如果考虑蓄电池扩容，将受到基站机房面积、承重等限制。

1.3 创新改造研究

1.3.1 开关电源创新改造方案

（1）插框电源

目前，各通信运营商现有基站、乡镇支局、接入网点、模块局的直流供电系统采用组合式开关电源供电，涉及型号及厂家众多。由于部分设备在网运行时间较长，处于逾龄超期服务边缘，设备运行不稳定，无配品配件，多次修理无法恢复原有性能，面临原设计容量低、无扩容空间、设备性能下降、故障率升高、设备能耗增加等问题。

在利用原开关电源机架的基础上，保留原系统的交流主输入空开、电池熔丝、分流器、接触器以及直流输出电缆，设计具有普遍性和兼容性的整流单元（即插框电源），替换原整流单元；满足原系统的各种要求，包括动环监控系统的监管、蓄电池组的管理等功能。

插框电源的应用能减少施工难度和改造工程量，减少因整体割接开关电源对网络带来的安全隐患，提高投资收益比。

（2）微站电源

针对大功率的5G AAU用电，当AAU拉远设计，其用电无法从集中机房引入时，为满足其直流用电需要，可采用市电直供+室外直流电源的方式，即微站电源，将220 V交流电转换为48 V直流电，微站电源的容量和数量可根据5G设备的功耗设计。微站电源设备还可根据站址的重要性，对有供电保证的基站，配置具有不同备电时长的锂电池组，如图1所示。

图1 微站电源设备

整个微站电源采用一体化机柜设计；支持抱杆、壁挂、落地及环抱等多种安装方式，可满足各种路灯杆、监控杆、水泥杆及信号杆等小微站的建设场景。

（3）直流远供

直流远供设备是将基站内开关电源的-48 V直流电通过远供设备升压到240～400 V，并再通过电缆送至远端基站的降压设备端。

直流远供设备由局端设备、传输线路及远端设备组成。其中局端设备是远供系统的核心，是将-48 V直流隔离升压到240～400 V（DC/DC升压）的主要设备，布放在直供电、市电条件好、蓄电池备电时间充足且具备发电条件的基站机房；而远端设备是将局端传输至远端的直流高压变换成DC48 V/AC220 V的设备。传输线路是实现直流远供电源局端与远端之间连接的“铠装铝芯电缆”或“铠装铜芯电缆”“复合光缆”，其完成直流高压、小电流电源的远程传输，为通信设备输电，最远传输距离可达3 000 m。

对于不具备市电引入条件、市电不稳定或采用转供电方式的拉远基站、高铁基站、楼面基站以及小区微站，可采用直流远供技术，将供电有保证的基站的直流电源通过电力电缆送至远端基站。

（4）升压设备（模块）

由于5G设备功耗增加，受设备供电电压的限制，传统供电方案供电距离受限严重。因此，采用供电高压化，即“升压供电”是满足5G高功耗的必然选择。

采用升压模块，即在开关电源直流输出端设计一个升压模块，将电压升至57～63 V，通过电缆传输至远端AAU设备。

如果采用铜芯电缆传输，考虑全程压降、线路损耗、电缆型号及设备效率等，以新增一个AAU，设备功耗为1 500 W为例，则直流电缆截面积S=IL/(γΔU)。其中，I为供电回路电流；L为供电回路长度；γ为电缆材料导电率，铜取57，铝取37。经计算，如果采用2×10 mm2铜芯电缆，传输距离可达70 m。因此，采用升压模块，可增加供电距离，减少电缆的线径，从而降低成本，提高建站效率。

方案特点和意义有3个方面，具体如下。

第一，升压设备可进一步稳定AAU的供电电压，有效提升AAU供电质量。同时，由于每个AAU输电线路较长，若采用升压设备可降低设备间的相互影响，特别在一路AAU短路情况下，其他AAU受到其短路的影响小，甚至不必专门再为AAU设置断路器或者熔断器等保护器件。

第二，降低线路损耗，提高线路的传输效率[2]。

第三，升压模块是在电源和负载之间增加了一个电源变换节点，即增加一道故障点，此故障点通过多模块冗余备份解决。同时，升压变换器也存在转换效率的问题，可采用高效变换器解决转换效率，同时抵消线损。

1.3.2 蓄电池创新改造方案

通信局站一般将市电作为主用电源，当市电停电，柴、汽油发电机未启动时，由阀控式铅酸蓄电池作为备用电源供电。目前，各通信运营商及铁塔公司单站一般采用容量为300 Ah、500 Ah、800 Ah的阀控式铅酸蓄电池两组。由于各站市电供电情况不同，每站机房环境、负载容量等的不同，而这些因素都能影响蓄电放电时间和运行寿命，所以在不同机房，相同容量蓄电池的放电时间、放电电压等参数也有所不同。在实际运行中，经常出现单组、单体蓄电池“落后”或“降容”等问题，从而导致整组蓄电池无法正常使用。此外，蓄电池由于自身缺陷（内在品质、个体差异）和运行环境影响（基站温度、开关电源参数设定、市电情况及日常维护）等，导致健康程度逐年下降、续航时长降低。同时，随着多年在网运行，铅酸蓄电池的相对体积大、能量密度低、功率密度低、循环保用寿命短等缺点暴露出来，其带载运行寿命一般不超过6-8年。

（1）磷酸铁锂电池及梯次电池

磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，由电极、电解液、外壳、极柱及隔膜组成的基本功能单元[3]。

将从电动汽车上退役的动力蓄电池（或其中的蓄电池包/蓄电池模块/单体蓄电池）进行二次使用的动力锂电池为梯次电池。

对退役单体电池进行循环寿命测试。在25 ℃、100%DOD、1C3充放电条件下，梯次利用单体电池容量由全新单体电池状态下容量的80%下降至60%，单体可循环1 000～2 500次。按照单体电池循环寿命的85%估算成组后电池循环寿命，预计电池模组循环寿命约为800～2 000次。

锂电池循环寿命、耐高温、高倍率放电等性能优于目前应用在通信基站的铅酸电池，尤其是在市电环境不好的高温场景等。一些小型基站、分散基站、末端供电、小容量站点、新能源基站、普通宏基站、利用太阳能、风能等新能源基站，通过梯次利用动力锂电池，以期达到降低通信基站配套设备成本的目的，同时也充分体现了生态设计、绿色经济、低碳经济、循环经济等理念。表6为铅酸蓄电池、磷酸铁锂电池和梯次电池性能对比表。

梯次电池配置方法为：

其中，Q为电池容量；K为安全系数，取1.25；P1为一次下电设备功率；P2为二次下电设备功率；T1为一次下电侧设备备电总时长，T1＞1 h；T2为二次下电侧设备备电总时长；a为温度调整系数，河南为暖温地区，系数取1。

无线设备电池后备时间按3 h配置，传输设备电池后备时间按相应延长2 h配置，如表7所示。

当然，为确保利用梯次锂电池的安全性，防止使用过程中出现过度充电和过度放电，延长电池的使用寿命，应为梯次电池组配置、加装具备过充、过放、过流、高低温、短路保护等保护功能，具备电压均衡、充电限流、热管理功能的电池管理系统（BMS）。

（2）蓄电池合路器

在开关电源和电池之间串联蓄电池合路器。蓄电池合路器的每个模块单独管理一组电池，通过智能双向DC/DC升降压主动控制电池充放电。蓄电池合路器可以对整组及单体电池健康度检测和实时监测，并可通过内置4G无线模块通信，将测试和监测数据实时上传数据中心平台，实现远程控制，如图2所示。

表6 铅酸蓄电池、磷酸铁锂电池和梯次电池性能对比表

表7 5G典型基站梯次电池配置表

随着5G设备功耗的增加，原配备的蓄电池组不能满足目前的续航要求。如果更换新的蓄电池组，不仅投资巨大，且旧电池组的不当处理易造成极大浪费。因此，采用电池合路器，使不同容量、不同时期、不同品牌、不同电压的蓄电池可再利用。

电池合路器的应用，能提升蓄电池容量，提高蓄电池续航时间，从而降低施工难度和减少投资。

1.3.3 削峰填谷

（1）智能管理，市电削峰填谷

电力公司为了均衡用电负荷出台分时电价政策，鼓励用电企业在电价格较低时段用电。即把用电“负荷”从用电高峰“卸载”到用电低谷，在谷电时段将电能转换成化学能储存，用电高峰时段将化学能转换成电能对通信设备供电，以达到降低电价和电费的目的，如表8所示。

目前，锂电池在通信供电系统的应用主要以“备电为主”，但由于其具有多次充放电的特点，因此，随着锂电池的广泛推广和应用，采用“储能为主、备电为辅”的方式并配合蓄电池双向主动式管理系统，将锂电池的利用价值发挥到最大。即利用基站储能和峰谷时段电价差，进行分时充放电节能化管理，在电价便宜时自动为蓄电池充电，并在电价高的时段切换为放电模式，有效地盘活了过去仅用于应急备电的电池，让它们在基站中发挥更大的功效，并有效地减少基站运行中的电费支出。

削峰填谷的应用，应综合考虑当地峰、谷电价差以及梯次电池的单价，落实相关峰谷电价的政策，确定储能的效益临界点即峰谷电价差。同时，基站用电均应采用直供电。

现有日均持续用电负荷为-48 V/60 A的基站，目前配置铅酸蓄电池2组300 Ah。通过安装蓄电池双向智能管理系统，市电正常时，采用削峰填谷方案，由锂电池工作，当市电停电，油机未到时，由铅酸蓄电池作为备用电源给通信设备供电。

首先对现有铅酸电池进行检测，其测试容量超过备电时长4 h，满足3 h备电需求。

按8 h峰电放电需求，增配梯次电池容量：

其中，Q为电池容量；K为安全系数，取1.25；P1为一次下电侧通信设备工作实际功率；P2为二次下电侧通信设备工作实际功率；T1为一次下电侧设备备电总时长；T2为二次下电侧设备备电总时长；T3为削峰填谷时长；a为温度调整系数，寒冷、寒温Ⅰ及寒温Ⅱ地区取1.25，其余地区取1.0。

将铅酸电池作为备电需要，仅计算削峰填谷需求梯次电池容量。经计算，Q=1.25×1.25×60 A×53.5 V×8≈40 kW·h。

梯次电池投资为40 kW·h×0.68元/kW=2.72万元；4路/200 A蓄电池双向智能管理系统为0.6万元；其他费（施工和辅料）为0.3万元；则总计为2.72+0.6+0.3=3.62万元。

关于效益分析，具体如下。

日均峰时耗电量为60 A×53.5 V×8 h=25.68 kW·h；日均收益=日均峰时耗电量×（峰时电价-谷时电价），即25.68 kW·h×（1.05元/kW·h-0.35元/kW·h）=17.976 8元。

投资收益年限为3.62×10 000÷17.976 8÷365≈5.5年，即5年6个月；要求梯次电池循环寿命≥2 000次。

由分析可知，削峰填谷能源收益要求峰谷电价差达到一定水平方可实现；随着梯次电池价格逐年下降，投资成本会进一步缩减；需求大容量备电基站，在市电正常时可以实施阶段性削峰填谷，在电池和设备折旧期内创造额外能源收益。

（2）峰值限流

利用运维管理平台FSU对基站开关电源实现遥调功能，根据峰谷电价时间段远程自动调整开关电源的浮充电压或控制电源模块开关机，实现削峰填谷功能。

选择具备开关电源支持远程控制，或可通过升级/替换监控模块实现远程控制，且FSU远程通信正常的基站。

当电价在峰值时，可根据实际负荷，远端降低开关电源的浮充电压或减少电源模块的运行数量。当电价在谷值时，可恢复原设计值。

此类基站的选择对FSU远程控制系统要求高，由于动远程控制逻辑功能复杂，存在FSU离线失控的风险，同时需对原有铅酸电池进行撤除，全部替换为磷酸铁锂电池，将铁锂电池作为备电+储能适用。

2 结 论

本文对基于5G网络的基站电源系统进行创新研究，以供参考。