基于一体化能源柜MIMO电源的5G站点节能方案研究

宋嘉皓，郑骏文

（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）

0 引 言

在5G建设大背景下，5G设备较传统的2G、4G设备功耗翻倍，采用传统动力配套建设方案难以解决，站点面临电费高的负担。

根据5G主流无线主设备厂家华为和中兴的BBU功耗情况分析，5G BBU典型运行功耗约为700～800 W，是传统4G的2～3倍，为站点建设及节能策略提出了更高的要求。针对5G站点规模建设带来的电费压力，提出了一体化能源柜节能思路，分析了多种5G站点节能方案[1]。

1 节能思路分析

1.1 5G基站动力配套建设问题分析

5G网络建设存在以下明显问题：

（1）站点交流容量、电源容量不足比例激增，传统供电方案导致高昂的部署和改造成本、网络运维成本及电费支出显著增加。

（2）CRAN-BBU堆叠建设中需新增BBU综合柜、传输综合柜、开关电源柜，铅酸/铁锂电池电池架等，需要提供4～5机柜位，导致空间严重不足[2]。

（3）供电制式需求多样化，运维复杂化。

随着5G的天线数增多导致的站点功耗增加，电费支出成本给运营商带来了极大的挑战，电费已被运营商确定为重要的OPEX。在移动通信网络中，5G单站功耗是4G功耗的2～3倍，同时据专家分析，之后5G基站数量很可能是4G的1.5～2倍左右。基站是耗电大户，大约80%的能耗来自广泛分布的基站，高度密集的基站意味着更高的能耗，这是5G网络面临的一大成本挑战[3]。

1.2 传统动力配套建设模式对比分析

（1）D-RAN场景。对于开关电源、蓄电池等传统扩容改造需占用2～3个机柜位置的，柜内空间不足、电池容量不足、室外机柜无空调或冷量不足，BBU、传输散热无法解决，夏季高温告警故障频发，无法满足5G部署需求。

采用5G一体化能源柜一般仅占用1个机柜位置，设备可实现一站一柜支持4G/5G设备共同部署，室外柜空调实现模块化扩容，节约1～2个机柜的安装空间。图1为5G一体化能源柜建设方案效果图。

图1 5G一体化能源柜建设方案效果图

（2）C-RAN场景。对于开关电源、蓄电池等传统扩容改造需占用4～5个机柜位置，在机房内分散分布，并且电源、电池扩容难，承重需改造，无法满足快速部署。

采用5G一体化能源柜一般仅占用1～2个机柜位置，高密智能铁锂电池单柜收容1 000 Ah容量，可实现BBU堆叠高密部署，节约2～3个机柜的安装空间。表1为C-RAN场景建设方案对比如表1所示。

表1 C-RAN场景建设方案对比表

结合上述技术方案对比分析，能源柜具有高密集成、智能特性丰富、支持多种电压制式、高效配电等显著优势，解决多场景建设痛点[4]。

（3）电源、电池容量不足。基站一体化能源柜的智能磷酸铁锂电池可直接与不同厂家、不同时期、不同容量的铅酸蓄电池、普通铁锂电池并联使用，在原有蓄电池剩余使用年限较长的情况下，实现现网电池利旧扩容，实现新、旧蓄电池组智能混用，共同保障备电时长，避免更换原有电池组，保护既有投资。

1.3 一体化能源柜建设节能思路

为了解决5G网络建设问题，可使用一体化能源柜建设方案解决目前建设痛点，利用一体化能源柜智能特性实现站点节能。

（1）错峰用电。一体化能源柜MIMO电源协同智能铁锂电池进行谷充峰放，利用备电时长外的电池容量进行错峰，通过市电、电池使用的科学调度，实现电费最低。

（2）新能源接入。一体化能源柜多输入多输出的智能MIMO电源通过太阳能模块搭配太阳能控制器实现光伏新能源输入，降低市电用电量。

（3）智能关断。一体化能源柜MIMO电源支持远程监控管理，独立分路远程上下电控制，通过智能配电单元模块，可以实现单个分路电能实时监测和远程控制上下电控制管理，智能关断负载实现无业务时段直流负载远程下电，减轻发电保障压力，减少上站巡检维护工作量[5]。

2 站点节能思路

基于上述节能思路，结合实际5G工程的试点改造应用情况，通过几种节能方案的原理及效果分析，为类似场景下节能方案提供实际工程应用案例，拓展改造思路。

2.1 一体化能源柜错峰用电

智能锂电循环寿命长，在电网较好的地方，智能锂电除满足备电需求外，还可以通过MIMO电源错峰用电释放锂电潜能。通过智能逻辑，科学调度市电和备电电池的的供电，在保障正常备电时长的前提下，电价低谷阶段，充分利用电网能量为设备供电的同时将电池充满电；在电价高峰阶段，优先使用电池能量为设备供电，以实现电费最小化。

通过一体化能源柜智慧网管平台设置当地市电的峰、平、谷电价的时间段以及错峰备电时长，监控系统根据时间自动调节整流模块的输出电压，利用峰谷电价降低运营成本。智慧能源网管平台错峰用电示意图如图2所示。

图2 智慧能源网管平台错峰用电示意图

2.2 一体化能源柜光油互补离网发电方案

一体化能源柜的MIMO智能电源支持多种能源的输入，并且做到全模块化的架构，如图3所示。能源柜综合调度系统的逻辑主要围绕储能铁锂电池进行，由图4可知，光伏发电及油机发电统一接入后，经各自模块输出至低压直流母线，同时对负载及铁锂电池供电。

图3 一体化能源柜新能源供电方案结构示意图

图4 MIMO智能电源多种能源综合调度系统图

太阳能供电：阳光充足时，太阳能给负载供电，同时给锂电池组充电至充满。

太阳能与锂电池组供电：早晨、傍晚或阴天，阳光不足时，太阳能发电量小于负载功率，则由太阳能和锂电池组同时给负载供电。

锂电池组供电：晚上或雨天，无阳光时，由锂电池组给负载供电。

连续雨天时，当锂电池组剩余容量不足20%时，由MIMO电源监控自动控制启动油机，由油机发电给负载供电，同时给锂电池组充电。

2.3 一体化能源柜智能上下电

一体化能源柜结合了数字化供电技术，将信息处理技术与电力电子技术深度融合，

实现输出开关的分路智能上下电，负载用电精细化管理，通过智能开关的远程上下电控制与业务联动。如图5所示。

图5 一体化能源柜智能上下电结构示意图

智能上下电适用于潮汐业务明显场景，避免无业务通信设备的空载损耗，做到充分节能；目前支持容量模式、电压下电、时间下电模式。

3 节能方案效益分析

通过上述节能方案的研究分析，基本熟悉了一体化能源柜针对5G设备高功耗的节能方案。比较各类节能方案，实际工程中考虑机房的现有条件，综合选择合适方案。

3.1 错峰用电方案节能效益

目前，浙江省的普通商业用电尖峰谷电价如表2所示，全天尖时段共计2 h（尖时刻：19:00--21:00），尖价为1.206元/（kW·h）。可以看出目前浙江省尖峰电价与谷电价存在较大价差，其中峰谷电价差0.532元/（kW·h），尖谷电价差更是达到0.828元/（kW·h）。

表2 浙江普通工商业用电峰谷电价表

利用一体化能源柜智能铁锂电池循环寿命高、充放电系数大等优势，配合柜智慧能源网管平台进行错峰用电研究。错峰站点根据机房等级设定后备保障时长，由于5G初期负荷值未达到设计值，可以在此基础上直接开启削峰填谷功能。表3为一体化能源柜错峰效益估算表。

根据浙江普通工商业用电峰谷电价表设置每天2个充放电循环，每天错峰时长5 h，智慧能源网管平台远程监控，动态调整充放电深度和时间，由表3可知浙江目前进行错峰的5个站点平均日节电费可达15%，由于不同站点电池配置及负载不同，节电费率也有所差异。此方案适用于站点电池后备时长较为富裕场景。面对目前基站用电负荷日益增加的趋势，如果基站（直供电）用电能充分利用“错峰”特性，多用谷时电，少用甚至不用尖峰时电，将有效节省电费的支出。

表3 错峰用电效益表

3.2 光油互补离网发电方案节能效益

海岛站点用于航线通信的覆盖，部分海岛无市电引入，需要通过其他能源输入提供保障。一体化能源柜新能源供电保障方案将使用清洁的可再生能源光伏作为站点能源输入，从源头解决能耗难题。

一体化能源柜MIMO智能电源可兼容新能源输入，一方面通过太阳能模块搭配太阳能控制器实现光伏新能源输入，一方面通过油机接入满足后备保障，通过MIMO电源实现储能能量协同，智能调度多种能源，满足无市电场景的电源保障需求。

普陀山太阳光照系统日均光照为3h；站点共配置66块310W单晶光伏组件，总装机量20.46 W，光伏系统日均发电量：20.46kW×3h×0.85=52 kW·h，计算可知敷设66块光伏板日均理论上可提供约52 kW·h电。系统配置2 000 A·h铁锂电池，保障站点无新能源时供电。系统总负载日均值为30 A，系统日均耗电量为38 kW·h，白天光照充足保障负载供电，余量部分可供电池充电。站点于2021年2月1日开启，目前已运行6个月，太阳能充足状态日均发电45 kW·h，利用新能源接入取代市电已累计输出5 682 kW·h，利用太阳能绿色可再生能源进行发电，如图6所示，可以减少传统化石能源发电的资源消耗，减少二氧化碳排放，助力双碳目标。

图6 光油互补离网发电站点模型图

本方案适用于具备敷设光伏板条件站点，具体光伏板敷设数量及敷设面积根据实际情况配置，一体化能源柜太阳能模块可根据实际情况进行灵活扩容。

3.3 智能上下电方案节能效益

考虑到学校、体育场管等场所的5G站点业务存在明显潮汐特点，利用一体化能源柜智慧能源网管平台配合MIMO电源智能配电模块，通过智能开关的远程上下电控制与业务联动，实现无业务下电，降低年耗电量。

通过一体化能源柜实现浙江某高校宿舍楼校园网站点寒暑假无业务远程下电，目前单站负载约为30 A，日均耗电量38.88 kW·h，寒暑假总天数约为90天，通过寒暑假远程上下电可节省3 499.2 kW·h电能，年节省电费：3 499.2×0.6=2 100元。整校预期有12个站点进行远程关断，可以实现年节电约41 990 kW·h电能。

4 结 论

5G建设下，站点负荷大，耗能显著增加，对其节能方案提出了更高的要求。为解决5G站点耗能高等问题，通过分析一体化能源柜节能策略，采用错峰用电控制、新能源接入方案以及智能远程上下电可以有效降低5G站点耗能。

本文结合工程实践，对比5G建设改造方案，并详细阐述了几种基于一体化能源柜的节能方案。通过对一体化能源柜的节能方案、节能效益的分析，提出将一体化能源柜节能应用于5G高负荷站点。通过一体化能源柜的智慧能源网管平台、多能源接入、智能关断和综合调度等功能，完美匹配多种特殊场景节能方案，为低碳建设提供了多种思路。当然，大部分站点还是运用传统供电方式，在实际工程中需要考虑机房的现有条件，综合选择合适的节能方案。