面向5G现网电源配套系统改造方案研究

刘 威

（北京中网华通设计咨询有限公司，北京 100000）

1 5G网络主设备特征

作为一项由4G技术延伸出的全新通信技术，5G技术所沿用的RAN架构也从原本的两极结构转变成了CU、DU、AAU三级结构。天线结构采用了射频和天线的一体化集成设计。5G网络建设阶段主要有早期和中后期两个环节，不同环节采用的结构模式也具有一定差异，会根据URLLC及mMTC业务需求的转变而转变。早期建网中主要应用了CU/DU混合+AAU的结构模式，在中后期阶段则要转变为三级结构。对于网络的升级来说，其中设备的功率和体积也需要进行改变，所以为保证5G网络建设的顺利落实，需要重点研究5G网络建设相关的AAU规格、重量以及功率等条件，并分析现有的设备类型，找到网络主设备负荷的主要影响因素，利用针对性的举措进行处理。

据了解，AAU为4G组网中RRU和天线功能的拓展，但不同的是AAU的功耗水平与负荷水平息息相关。5G网络的运作涉及到了C-RAN与MIMO等先进技术，期间也会沿用局部频率多次使用等操作，所以这对于5G基站来说也有了新的要求。在5G数据传输期间，不仅会面临基站位置和基站数量等问题，同时也可能存在一些干扰问题。从宏观的角度来看，5G技术在功能性及算法方面较以往有了显著增强，但企业也需考虑5G网络基站运行的成本与功耗，以成本控制为方向，重点分析5G网络及设备的特征，参考与4G的差异，并在4G的基础上进行参数改动、设备更换或引进等，实现现网电源配套系统的改造[1-3]。

2 面向5G现网的电源配套系统改造方案

5G现网基站电源配套系统是通信设备直接进行供电的电源，也是整体系统中不可或缺的构成，一般由交流市电引入线路、交直流配电设备以及蓄电池组等结构构成，具体结构如图1所示。

图1 5G通信基站电源配套结构

在5G现网建设期间，因站点设备功耗的不断提高，使得目前现网基站的电源配套急需进行改造。结合某地区5G试验网点的情况来看，如果只结合1家新增5G的条件，那么外市电改造站的占比在25%左右，交流配电箱改造占比在18%左右，电池改造占比为5%，开关电源改造占比在70%上下[4]。

2.1 外市电配置原则与改造方案

2.1.1 外市电引入与改造原则

首先，控制好高压引电的比例。尽量选择低压直供电的方式，如果需要高压引电，则需要先确定现场条件并获得运营商许可。其次，按照就近取电原则。提高引电路径的审核，尽量避免绕远引电的现象，引电的距离如果大于直线距离的20%，则需要具备备用的搭火点和引电路由[5]。再次，控制顶管数量。电缆敷设方法需要合理选择，有限选择旧管道和架空敷设这类低成本方法，具体如表1所示。最后，铝缆、铝合金电缆等接入空开时需要选择铜铝过渡接线端子。清理掉铝合金电缆表面氧化层并涂抹导电膏来隔离空气，应用专门的工具进行压接，控制接触电阻。

表1 外市电电缆敷设方式

2.1.2 外市电配置

外市电通常负责为5G基站提供220 V低压、380 V低压以及10 kV高压3种电压等级，供电类型主要包括直供电和转供电两种。前者的电费单价相对较低，电费上缴至电力企业，后者电费单价通常较高，电费上缴至业主。

2.1.3 外市电改造的“六步法”

（1）直接共享。直接共享适用于原市电引入的容量已经达到要求的站点，这时不需要再进行外市电改造，可以直接进行共享，同时还要检查报装容量、电表以及压降等。（2）利旧增容。适合电表或空开容量较低等情况，需要先向电力部门进行增容申请，之后更换断路器与电表，最后利旧原本的电缆。（3）电池错峰、限流充电[6]。若基站的市电容量缺口较少，保障要求不高，则可以适用，如果基站断电频率较高则不适用。电池错峰充电需要控制开关电源的输入功率，降低电池的充电功率，利用错峰充电的方式降低对市电的需求量。限流充电需要控制开关电源参数，尽量减少电池的充电功率，从而降低市电电容需求量。（4）电池补电。比较适宜扩容市电缺口大且没有频繁停电情况的基站，市电容量不需要预留电池充电功率，而是通过空调工作间隔来为电池供电，能够减少对市电供给需求。并且通过高循环锂电池在负载较高时进行放电，负载较低时充电，能够改善设备的负载波动。（5）外电改造。在搭火点变压器容量满足要求，但供电线路载流量不满足要求的情况下，利用替换电缆和利旧现有管道等方式来控制改造成本。同时在引进单相电过程中可以采用三相电来改善引电的容量[7]。在变压器不满足要求的情况下，可以申请增容并替换变压器。（6）重新引电。适合原搭火点在扩容方面不满足条件或成本较高等情况。在灯杆站或拉远站等原引入220 V单相电的条件下，可以将单相电换为三相电，原单向输入壁挂电源更换为三相输入的嵌入式电源，也可以重新引入单相电，并增设壁挂电源[8]。

2.2 交流配电箱改造方案

交流配电箱主要负责交流电能的分配，集成市电油机转换开关与电涌保护器的类型多为380 V/100 A和380 V/63 A，相对的最高市电引入容量为23.5 kW与37.3 kW。

在5G现网电源配套系统改造过程中需要秉承着影响最小化、造价最省化以及安全可靠等理念，如果容量能够达到要求但输出空开容量却不够，那么只需要替换空开即可，但如果经检查发现配电箱容量不满足标准，则需要及时进行更换。

2.3 空调改造方案

基站空调系统根据电源类型可以划分单相和三相两种，通常以单冷制式为主。空调型号需要结合设备的总负荷和机房构成等条件来设计，结合基站冷量要求，选择适合的空调规格，负荷的计算方法为制冷量=设备功耗+机房面积×0.15。在改造方案中，空调的选择和更换需要明确以下两点：一是在明确制冷量要求后结合整体的制冷要求情况和空调制冷量类型选择种类与数量；二是对现有的空调来说，需要分析安装空间是否达到要求，之后再设计空调的新增，或直接替换原本空调[9]。

2.4 电池改造方案

5G基站蓄电池的主要作用是电能的存储以及为基站各系统供给电能。目前常见的蓄电池分为铅酸电池与梯次电池，梯次电池的电池容量算法为：

式中，Q为容量；K指的是安全系数，一般情况下安全系数的取值为1.25；P1为一次下电侧通信设备功率；P2指的是二次下电侧通信设备功率；T1指的是一次下电侧通信设备的备电时间；T2则是二次下电侧通信设备备电时间；a为电池温度。

铅酸电池的电池容量算法为：

式中，Q、K与梯次电池相同；T为放电时间（h），I为负荷电流，η为放电容量，a为电池温度，t为电池所处的最低环境温度。

5G现网基站电池的选择需要考虑电池设备的生产厂家、容量以及使用寿命等条件，而电池改造也需要结合现有电池的运行状态来实施，改造方案选择的优先级如表2所示。

表2 电池改造方案

2.5 开关电源改造方案

根据开关电源系统的配置来看，其功能性包括配电、整流以及电池管理。在配电方面，该系统用于直流电和交流电的分配输送；在整流方面，可以实现交流整直流；在电池管理方面，主要管理电池的充、放电。开关电源的模块配置大多以N+1配置为主（n≤10），电源容量为：

式中，R为电源容量，P为设备工作功率，Q为电池组容量，η为容量系数。在5G现网改造工程中，如果开关电源难以达到系统需求，原因大多表现在电源模块不足或电源容量不足等，可以利用更换或添加的方式来改善[10]。

3 结 论

现代通信技术的不断发展，5G技术也已经开始了基站建设与正式推行，但目前距离5G网络全面覆盖仍有一段路要走。5G基站电源配套这些基础设施的建设与改造是确保5G技术发展的关键依据，只有做好建设与改造巩固才能获得5G网络商用的先机。