基站新型多系统协同供备电设计分析及应用

严国军，黄显良，段春旭

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

1 基站新型供备电设计背景

1.1 基站传统供备电概述

基站电源配套包括交流供备电系统、直流供备电系统、温控系统、照明系统、站点监控系统等，其中交流供备电系统包括UPS、变压器、低压交流配电柜、基站交流配电箱、基站交流防雷箱等；直流供备电系统则包括交流配电单元、整流单元、电源监控单元、蓄电池等；UPS包括交流配电单元、整流单元、逆变单元、UPS监控单元、旁路单元、蓄电池等。

基站直流供备电线路设计为由高压配电房/箱基站市电引入搭火，经过变压器降压输出到低压交流配电柜，再从低压交流配电柜输出端进行基站市电引入搭火并送入基站交流防雷箱、基站交流配电箱，再输出给直流供备电系统提供市电输入，由直流供备电系统转换成DC-48V给基站直流设备供电与DC-48 V蓄电池充电，直流供备电系统对输入输出、配电与蓄电池充放电等进行管理，在市电掉电后，由蓄电池放电输出给基站直流设备供电续航，完成基站直流设备的供备电过程。

基站交流供备电线路设计为由高压配电房/箱基站市电引入搭火，经过变压器降压输出到低压交流配电柜，再从低压交流配电柜输出端进行基站市电引入搭火并送入基站交流防雷箱、基站交流配电箱，再输出给基站交流设备供电，完成基站交流设备的供电过程；若基站交流设备对备电有需求，则基站交流配电箱输出给UPS提供市电输入，然后由蓄电池给基站交流设备供电续航，完成基站交流设备的备电过程。

宏基站传统供备电设计一般采用基站直流供备电线路，只有特殊需求的站点如高铁、地铁、隧道等的信号覆盖需要进行基站交流供备电线路设计。

小型基站或微基站一般部署于街边地面、楼面、楼道等，主要设备包括Book RRU、Easy Macro、Macro、PADRRU、MRRU等，传统供备电方式一般采用集成温控、交流配电、开关电源插框、直流配电、站点监控、蓄电池等的小型室外一体化机柜实现直流供备电，机柜一般可落地、壁挂、抱杆安装，但如室内分布皮基站、地铁站厅站台之类的室分系统一般使用UPS交流供备电方式。

基站传统搭火市电引入线路示意如图1所示。

图1 基站传统搭火市电引入设计线路示意图

1.2 基站新型多系统协同供备电概述

（1）市电引入近端搭火。市电引入是基站配套建设重要一环，普遍存在市电输入点距离较远的问题，导致线路敷设成本高、线路损耗大。据不完全统计与预估分析，野外基站建设市电引入高压部分600 m架空钢铝芯绝缘架空线35 mm2投资成本约占基站配套投资的30%左右，市电引入低压地埋部分600 m投资成本约占基站配套投资的40%左右，综合评估市电引入1.2 km投资成本约占基站配套投资的70%左右。新型基站市电引入近端搭火设计使用创新工具实现从电网输电线缆直接搭火引电，将市电输送入基站供备电系统，能大幅度缩短引电距离，进而减少市电引入投资，实现低成本建站，缩短基站投资回收期。同时也能降低线路损耗，为通信企业降碳增效，节能减排。

（2）井盖供备电。基站传统机房/机柜设置于地面，占用地面空间，租金贵且谈点难。市面上已有的换气式地埋电池柜只能采用12 V或2 V铅酸蓄电池，且不可安装电源及配电系统，只能结合地面机房/机柜实现基站设备供备电，创新性仍较差，使用起来寿命、可靠性、实用性较差，在城市中可供埋入供电柜的地面也比较少，成本比较高。井盖供备电机房/机柜（包括自建地下空间的机房/机柜即地埋机房/机柜、市政检查井与雨水井等）为街边、人行道、路面等社会共享杆站、市政容貌要求不能建机房或立柜的站点、小型基站/微基站等提供有效的供备电解决方案。新型基站井盖供备电机房/机柜设置于地表以下，不占用地面空间，减小基站管线管网路由长度，温湿度波动幅度要小得多则减小温控配置或免温控设计，降低基站能耗。

（3）塔上风光互补供备电/补电。可再生资源丰富的地区可采用风能供备电、太阳能供备电、风光互补供备电、风/光/柴/农电互补供备电设计实现该地区的基站通信设备供备电，基站传统新能源供备电均安装于通信铁塔地面，占地面积大、租金成本高。塔上风光互补供备电/补电安装于通信铁塔上，可与交流供备电系统、直流供备电系统、井盖供备电系统等经多系统控制与管理单元合路后按比例输出电能，协同为基站设备供备电。基站塔上风光互补供备电/补电塔绿色发电补电，为可再生资源丰富且市电引入困难的站点、市电引入容量不足而需补电的站点等提供有效的绿色基站供备电/补电解决方案，为通信企业降碳增效，节能减排。

2 基站新型供备电设计分析

2.1 基站市电引入近端搭火设计

基站选址要求考虑市电引入靠近配电网电力杆塔附近配电箱、配电网杆塔附近配电箱，搭火点在配电箱输出开关处获取。新型近端搭火市电引入则考虑市电引入靠近配电网输电线缆，搭火后将市电输送入基站降压变压器或低压配电箱，再输入到基站供备电系统，实现基站市电引入。

根据设计要求：（1）使用新型在网搭火工具进行，达到380 V/220 V低压绝缘与安全等级情况下，尽量对应为市电380 V/220 V低压电网搭火操作；（2）搭火点在市电电网线路受力最小的位置使用单孔（小功率）或多孔（大功率）引线，使用但不限于强打螺钉加浇注或焊接等方式（创新方式），实现单点搭火或多点搭火；（3）为了保证搭火安全，采取受力加强处理或者外部绝缘处理的方法，使搭火点充分接触与输送电能，搭火点接触损耗尽量降到最低；（4）新型的在网搭火工具/定制固定工具具有创新性与特殊性，如变压器电缆借助带螺纹防盗连接器与输电电力线缆连接并浇注或焊接加固等等。搭火后输电线引入基站市电变电箱或者交流配电箱，实现基站市电引入的快、准、短，降低线路损耗，节能减排。基站新型近端搭火设计示意如图2所示。

图2 基站新型近端搭火设计示意

2.2 基站新型井盖供备电

基站新型井盖供备电包括基站地埋机房/机柜供备电、雨水井供备电与检查井供备电3种。

（1）基站地埋机房/机柜供备电。基站地埋机房/机柜为开放式，机房/机柜内安装可移动机柜的导轨，一体化机柜安装在导轨上，机柜内部安装模块化开关电源、蓄电池、站点监控等满足通信设备供备电需求的系统/单元/设备，当安装机房/机柜内设备时，将安装导轨拉出地面，接着将机房/机柜暂时固定在导轨上并限位，然后在机房/机柜中安装模块化开关电源、蓄电池、站点监控、通信设备等，最后放开固定于限位并将机房/机柜放入地下，关闭或盖上机房/机柜门/盖子（可理解为井盖），实现地埋机房/机柜供备电设计。基站地埋机房/机柜供备电设计示意如图3所示。

图3 基站创新地埋机房/机柜供备电线路示意

开放式机房的、带导轨的基站创新地埋机房/机柜为基站设备供电的新思路，目前未有相关应用，但随着5G网络深度部署，基站密度不断增加，在共享社会杆塔部署基站情况下，基站机房/机柜问题仍然是这一类基站建设尤为凸出的问题，基站创新地埋机房/机柜供备电方式将得到充分的验证与应用。

（2）雨水井供备电。雨水井供备电系统主体为雨水井成型模组，雨水井成型模组则由井盖、两个埋地柜以及柜内供备电设备等组成，雨水井成型模组与井盖相结合形成可卡扣并稳固的固定在市政雨水井口空间里，井盖的底部设有连接机构，两个柜内设备之间通过底部走线模块相连接，电力线缆、通信线缆等走线模块、机柜线槽、管线连接到地面杆塔上，给基站设备供备电。雨水井基站供备电设备设计具体参考文献[1]。

（3）检查井供备电。检查井供备电系统包括检查井、上机柜、下机柜以及供备电系统设备等组成，检查井的井座固定在地面上，井座上适配放置有井盖，井盖下方设有中空的上机柜；上机柜的底面设有用于连接下机柜的连接口；下机柜的底部和侧壁均封闭，以适配的形状尺寸安装在检查井下；上机柜与机柜相连接后与井盖固定随井盖取出后操作，也可以独立固定在井下打开井盖后操作；蓄电池模块和电源控制模块适配安装于下机柜中；电力线缆、通信线缆等机柜过线孔、管线连接到地面杆塔上，给基站设备供备电。检查井基站供备电设备设计具体参考文献[2]。

在共享社会杆塔部署基站情况下，街边、路边、小区等已有市政雨水井、检查井等地下空间公共资源丰富，这类资源可立即申请并利旧，同时还能改造并解决现有雨水井、检查井等存在的承重、安全、可靠等问题，并在雨水井、检查井中部署基站设备供备电所需的雨水井、检查井供备电系统，实现井盖供电方式设计及应用。

在未来，地埋机房/机柜可设置地热能源供备电系统，补充站点重要设备不间断工作的电能，绿色发电，节能减排。

2.3 基站塔上风光互补供备电/补电设计

基站塔上风光互补供备电/补电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、智能管理平台等部分组成，是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统，风力发电机组、太阳能光伏电池组安装在通信铁塔上，控制器、蓄电池、逆变器等则安装在地埋机房/机柜。

2.4 多系统协同供备电控制与管理设计

新型基站市电引入近端搭火设计使用具有创新性/特殊性的市电搭火工具从电网输电线缆直接搭火引电，将市电输送入地埋机房/机柜（集成模块化电源）或井盖供备电系统，多系统控制与管理系统将井盖供备电系统与塔上风光互补供备电/补电系统等多个供备电系统合路后按比例输出电能，多系统协同给基站设备提供绿色、安全、可靠、稳定、快捷的供备电/补电，即为多系统协同供备电设计。

多系统协同供备电则由多系统协同供备电控制与管理系统实现，多系统协同供备电控制与管理系统对风能、太阳能、电网市电等多路输入进行智能监控，对多个供备电系统进行控制与管理，按预定比例输出电能，且可控制调节或发送控制调节指令使各系统转换效率达到最佳值，协同输出给基站设备提供绿色、安全、可靠、稳定、快捷的电能。

3 基站新型多系统协同供备电设计应用示例

3.1 站点地下机房/机柜设计

示例基站为拉远社会共享杆塔站，主设备配置3个RRU（4G），设备DC-48 V总功率960 W，备电3 h。

（1）耗电量。基站设备全天工作每日耗电量=960 W×24 h/1000=23.04度（kWh）。

（2）蓄电池容量。蓄电池只为备电设计，按备电3小时计算锂电池总容量为100 Ah/51.2 V，蓄电池放电电量=23.04×3/24=2.88 kWh，锂电池容量计算公式及过程如表1所示。

表1 锂电池计算公式及过程

（3）按“井盖供备电：风能供备电：太阳能供备电=6：2：2”进行配置。根据备电3 h计算，锂电池充电功率为100 Ah×56.4 V×0.1=564 W，则示例站点直流总功耗为1 524 W，地下机房/机柜机房供备电系统输出功率需满足914.4 W要求，则配置1个转换效率大于96.5%的1 kW一体化电源模块与2组50 Ah/51.2 V（最大放电功率2.4 kW）、预计交流市电输入不小于AC380V/5.2 A（交流转直流效率96.5%，直流电源模块输入最低电压176 V，则交流输入电流=1.732×1524/176/3=5.2 A）即可满足示例站点需求。地表以下只有供备电系统设备，温控采用自然散热（即利用地表以下恒定温湿度特点自然导热与保温）。

3.2 市电引入设计

假设靠近基站的电网为AC380 V市电配电网，配电网输电线路使用4根不同颜色的单芯铝芯35 mm2电力线缆（A线黄色，B线绿色，C线红色，N线蓝色；PE就近设备接地），AC380 V/5.2 A使用M2规格的创新带螺纹防盗连接器在AC380 V市电配电网输电线路上搭火即可满足要求，结合输电距离配置单芯铝芯2.5 mm2电力线缆即可满足示例站点近端搭火市电引入需求。

3.3 风光互补供备电/补电设计

（1）风能容量。按“井盖供备电：风能供备电：太阳能供备电”=6：2：2，风能供备电系统容量配置需满足输出304.8 W/DC-48 V功率才能满足要求，根据计算公式算出所需风能系统总容量为3.52 kW，则配置5 kW风力发电机可满足要求，即若风资源富足情况下，一日可绿色发电8.44 kWh。风能系统容量计算公式及过程如表2所示。

表2 风能系统容量计算公式及过程

根据GB-T18710-2002《风电场风能资源测量方法》可以判断风功率密度等级，一般来说，风功率密度达到3级以上，风电场才有开发价值。若示例站点一年有100日不小于3级的有效风，则一年风能为示例站点补电约844 kWh。

（2）太阳能容量。按“井盖供备电：风能供备电：太阳能供备电”=6：2：2，太阳能供备电系统容量配置需满足输出304.8 W/DC-48 V功率才能满足要求，根据计算公式算出所需太阳能组件总功率为2 600 Wp，配置1个3 kW太阳能控制模块即可，太阳能电池板取整配置2 600/260=10片36 V/260 W多晶太阳能电池板，即配置5组（并）×2片（串）。太阳能电池板配置计算公式及过程如表3所示。

表3 太阳能电池板配置计算公式及过程

以广西为例，广西地处中国华南地区，介于北纬20°54′～26°24′，东经104°26′～112°04，地处低纬度，属副热带季风气候，不同地区太阳辐射都存在明显的季节变化，呈现长夏短冬，且总辐射和日照时数变化趋势基本一致。根据NASA统计，广西年太阳总辐射为3 682.2～5 642.8 MJ/m2，年日照小时数1 169～2 219 h。示例站点太阳能电池板一日可绿色发电7.32 kWh，若广西一年有2 000 h（即83.3日），则一年太阳能为示例站点补电约610 kWh。

（3）风光互补控制系统。配置一套风光互补控制系统，控制系统内含风能模块与太阳能模块。

3.4 多系统协同控制与管理设计

配置一套多系统协同供备电控制与管理系统及平台，实现对风能、太阳能、电网市电等多路输入进行智能监控，对多个基站供备电系统的控制与管理，为基站设备提供绿色、安全、可靠、稳定、快捷的供备电。

4 结 论

基站市电引入使用近端搭火之后，通过变压器降压或直接将380V /220 V供给基站供备电系统输入市电，再由设置在地埋机房/机柜中包括但不限于基站新型风光互补供备电/补电、井盖供备电等经过多系统协同供备电控制与管理系统合路，输出交流或直流电给基站设备供备电，最大程度满足了协同供备电创新、电源容量与蓄电池容量扩容挖潜、绿色发电补电、节能环保等目标需求，并提升了建设速度，缩短了建设周期，对5G网络覆盖与全面普及具有深远的影响。在应用过程中，要详细分析基站设备用电功率及供备电方案设计情况，确保新型多系统协同供备电设计满足各项要求，同时也倡导为通信领域“双碳”、国家“双碳”做出最大化的贡献，显著提升基站建设工程投资项目的社会效益和经济效益。