面向5G基站直流配电系统轻量化改造方式研究

陈先凌，黄存东，王煜东，方中圆，沈 奇

（1.中国移动通信集团设计院有限公司 浙江分公司，浙江 杭州 310012；2.中国移动通信集团浙江有限公司 金华分公司，浙江 金华 310011）

0 引 言

4G改变生活，5G改变社会。相较于4G，5G在带宽、连接以及时延3个关键指标上均得到大幅度提升。5G不仅带来更高速的网络，而且还对智能交通、工业自动化、智慧家庭以及社会管理等各个方面产生重要影响[1]。

当前我国5G网络已开始规模部署，庞大的4G存量站址资源为5G形成快速组网提供了便利。目前各运营商在机房配套改造方面都有相应的实践，尤其在机房供电保障方面，通过直接新增电源模块、替换开关电源或蓄电池等方式进行扩容改造，但该方式存在原有模块停产、机房空间或承重不足、断站改造时间过长等问题[2]。为更好地开展5G基站规模部署建设，需探索和实践轻型化的供电改造方案。基于以上背景，本文将结合某区域5G建设案例，对5G组网方式以及机房电力配套需求进行分析，在此基础上探讨轻量级的配电系统改造方案。

1 5G组网架构及机房特征

目前，5G规模部署采用CRAN与DRAN相结合的组网架构，如图1所示。

图1 DRAN与CRAN组网架构

CRAN以综合业务区为单元，将区域内5G系统BBU进行集中至中心机房堆叠，实现传输资源利用、站点能耗以及机房租赁成本的最优，并为后期垂直行业运用、MEC部署奠定基础[3]。CRAN架构下，中心机房选取以综合业务区内的节点机房、汇聚机房、条件较好的自有无线机房以及新购机房等为主，远端机房需求进一步弱化，可采用室外配电柜对远端设备进行直流供电，少量疑难站点可直接进行交流直供。

DRAN作为CRAN组网架构的补充，对目前不具备CRAN组网条件的站点采用DRAN部署，实现整个规划区域内5G网络快速覆盖。DRAN架构下，站点机房的作用继续保留，站点无线设备及传输设备供电由站址机房保障。

2 5G基站直流配电改造需求分析

2.1 直流配电容量需求算法

依据《通信电源设备安装工程设计规范》（GB 51194—2016）对开关电源、蓄电池容量的设计要求，结合备电时长等要求对直流配电改造需求建立算法，相应算法及说明如下文所述[4]。

（1）开关电源接入端子需求。依据当前主要厂家设备接电需求，为满足升压配电盒（为BBU、AAU供电）接入，一次下电侧需提供2路100 A或1路160 A接电端子，为满足PTN接电，二次下电侧需提供1路32 A接电端子。

（2）开关电源容量需求测算。现网开关电源整流模块容量普遍为单只100 A、50 A或30 A型，整流模块总数N的计算公式为：

式中：I通信设备指机房内、外远期规划的所有通信设备的典型电流之和；I蓄电池充电指蓄电池按10 h时计算的均充电流；S整流模块指本期配置单只整流模块的容量。计算整流模块数量时，应考虑整流模块总数值往上取整，作为站点需要配置模块数量。

（3）铅酸电池容量测算。现网容量估算参照全新配置的铅酸蓄电池组需求估算方式，总容量采用以下计算公式：

式中：Q表示蓄电池组总容量；K表示安全系数，取1.25；I表示负荷电流；T表示放电小时数；η表示放电容量系数；t表示实际电池所在地最低环境温度数值；a表示电池温度系数。当放电小时率≥10时，取a=0.006；当10＞放电小时率≥1时，取a=0.008；当放电小时率＜1时，取a=0.01。

（4）铁锂电池容量测算。铁锂电池的放电实际容量将受到环境温度、放电率以及放电终止电压（通信考虑2.7 V）的影响而发生变化。铁锂电池容量需求可采用以下公式计算：

式中：η'为放电率影响系数；c为环境温度影响系数；I'为放电电流。当I'≤1C时，η'取1；当1C＜I'≤3C时，η'取1.25。当温度为-20 ℃时，c取1.5；当温度为-10 ℃时，c取1.2；当温度为0～20 ℃时，c取1.1；当温度为23 ℃以上时，c取1。

2.2 5G基站配电需求模型

设备功耗可分别定义为额定功耗和典型功耗，额定功耗即为满配满载最大功耗值、典型功耗即为设备常态业务下运营功耗值[5]。结合远期网络扩容需求、扩容的难易程度以及投资经济性，设定开关电源整流模块扩容需求，蓄电池备电容量依据设备典型功耗测算，基站交流引接容量、开关电源机架容量、空调制冷量需求依据设备额定功耗值测算。依据上述章节设定的需求算法，当前各类配置模型下机房配电设备容量需求如表1所示。

表1 5G机房直流配电容量需求模型

2.3 5G基站配电系统现状

现有D-RAN站点通常采用1站1机房方式，现网存量物理站点常规配置1套直流配电系统用于基站设备供电，CRAN架构站中心机房依据机房原属性不同配置1～2套直流配电系统。城区、主城区存量站因容量需求等因素，单物理站已叠加多套系统且采用高载波配置，现有站点配电系统开关电源接电端子接入、开关电源现有配置模块利用、蓄电池备电容量已接近最大负荷。同时因站点建设时间、机房条件差异，5G系统叠加引起的直流配电系统需求将面临配电机架容量不足、设备配件停产、机房空间或承重条件不足等问题[6]。

3 配电系统轻量化改造方案

3.1 采用常规方案实现配电系统改造

存量站点直流配电系统改造主要针对机房内开关电源、蓄电池进行改造。其中，开关电源改造又包含一次/二次下电接电端子新增或替换、机架容量提升、电源模块配置增加等内容，蓄电池改造包含蓄电池的扩容替换、规模扩增。依据需求对常规配电设备改造方案进行分类描述如下。

（1）开关电源接电端子改造。优先利旧现有空余端子，若无对应规格端子，采用替换其他规格冗余端子或空余槽位新增接电端子[7]。

（2）开关电源机架容量改造。部分早期配置现网机架或壁挂式机架容量偏低，无法满足本次5G系统叠加后容量需求，依据机房条件采用替换大容量开关电源架方案或新增1套直流配电系统（开关电源+蓄电池）为5G系统供电。

（3）开关电源模块扩容改造。5G系统叠加后，现有机架模块配置不足，依据测试需求扩增对应型号模块。部分站点机架老旧，相应模块已无法采购，常规方案参考上述机架容量不足方案。

（4）铅酸电池容量改造。现网无线机房电池配置以两组500 A·h铅酸电池为主，部分站点因业务需求而叠加较多现有系统，部分站点承载周边宏微站及室分站BBU拉远堆叠需求，新增5G系统后，两组500 A·h铅酸电池需替换扩容为两组1 000 A·h铅酸电池。机房空间及承重条件不足时，可替换为相应容量的铁锂电池，但工程量较大、改造成本较高[8]。

（5）铁锂电池容量改造。铁锂电池为模块化堆叠并联，容量改造可参考开关电源模块扩容改造方案。

3.2 轻量化改造思路及应用案例

轻量化改造思路是通过对疑难站老旧设备进行深度改造再利用，降低设备替换带来的大工程量和高成本，同时对配电系统改造需求进行系统性考虑，结合成本、断站时长等因素制定系统性、简约的改造方案。以下通过案例形式介绍轻量化改造具体方式。

3.2.1 改造案例A

图2 轻量化改造案例改造效果示例

站点B 5G叠加后开关电源一次下电接电端子已接满，无法新增或替换；电源模块配置不足需扩增50 A模块2块，对应模块可采购；现有2组500 A·h铅酸电池满足5G叠加后站点3 h备电时长。综上所述，本站开关电源一次下电需对现网设备进行收编改造，无法收编改造时需考虑整体替换开关电源。上述方案改造工作量过大，通过研究改造开关电源母排的可行性，结合厂家论证，制定在开关电源空余位置拓展1块母排的方案，汇总批次需求，由相关开关电源厂家统一实施[9]。

3.2.2 改造案例B

站点B 5G叠加后开关电源接电端子满足，电源模块配置不足需扩增50 A模块2块，但电源设备型号老旧，对应模块无法采购；现有两组500 A·h铅酸电池满足5G叠加后站点3 h备电时长。综上所述，本站仅需扩容2块50 A电源模块，但因同型号模块停产无法扩增，采用常规整体替换开关电源方案，但存在工程量大、改造成本高、断站施工等问题。通过研究将开关电源模块框槽整体拆除，替换成可新安装该品牌新型号电源模块框槽轻量化方案，实现开关电源的可扩容、再利用[10]。该方案可邀请开关电源厂家具体实施，实施时无需断站（期间由蓄电池供电），且可有效降低改造工作量与成本。

3.2.3 改造案例C

站点C开关电源一次下电接电端子已接满，无法新增或替换，电源模块配置不足需扩增50 A模块2块，对应模块可采购；同时两组500 A·h铅酸电池不满足5G叠加后站点3 h备电时长。综上所述，本站开关电源一次下电需对现网设备进行收编改造，电池需替换为两组1 000 A·h铅酸电池或满足3 h备电时长铁锂电池。轻量型改造以改造的系统性角度出发，将开关电源及蓄电池改造需求合二为一，结合原方案改造成本分析，引入室外一体化柜改造思维，通过遴选满足5G系统供电需求、安装维护便捷、机房空间条件需求度低的一体化能源柜为新叠加5G系统供电。

3.3 方案优势分析

通过对3个不同条件、需求的改造案例分析，由设备厂家实施对开关电源结构性改造，同时新增为5G系统提供专属供电保障的集成化新能源机柜，实现直流配电改造简约化、轻量化的目标，可有效降低配电系统改造的周期和成本。结合案例从改造工时、改造投资以及断站需求3个维度量化对比，如表2所示。

表2 轻量化与工程常规改造方案多维度对比

4 结 论

5G设备功耗高，现有共址存量站点配电系统普遍存在改造需求。面对原有设备配件停产、机房空间或承重不足等场景时，单一工程常规改造方案存在改造周期长、成本高、对现网影响大等不足。通过对基站配电系统设备现状、改造需求、系统整体性分析，提出对配电设备进行结构性、集成化改造方案。经实施论证，该方案具备经济性、高效性特点，可为当前5G规模部署中直流配电改造提供借鉴。