用于消防救援的光储供电基站应急通信保障研究

冯帅颀　常婕　陈哲　陶江涛

摘要：以2021年河南郑州“7·20”特大暴雨灾害为例，阐述了消防基站应急通信保障工作的重要性与必要性。研究设计了一种基于光储供电的消防基站应急保障系统，并对实际运行效果进行了设计与模拟计算，最后对其在消防救援中的应用进行了阐述和分析，明确了此系统的设计研究思路。

关键词：光储供电系统；通信基站；应急通信；保障方法；光伏发电

中图分类号：X913.4       文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2022）11-0029-03

近年来，我国很多地区遭遇了前所未有的极端天气灾害，这些灾害造成的通讯中断是抢险救援工作中面临的最主要困难，极大地影响了救援的速度和效率。例如：2021年河南郑州“7·20”特大暴雨灾害，暴雨造成了长时间的基站断电，使得通信网基本处于瘫痪状态，消防救援队伍无法及时了解到灾区信息，严重影响了灾后黄金时间救援工作的开展。因此，如何提升重大灾害条件下通信基站的抗灾容灾能力，做好消防应急通信保障，是消防救援队伍在新时期“全灾种、大应急”任务背景下亟须解决的问题。近年来快速发展的光储供电技术具有储充一体、连续性强、电能质量高、储能方便快捷、建设成本低等特点[1]，适宜作为通信基站在突发情况下的应急电源，可有效保障灾后第一时间的通信网络畅通，从而大大提高了灾后黄金时间的救援效率。

1 课题背景及意义

1.1  光储供电技术应用于消防应急通信保障的必要性

近年来，我国很多地区遭遇了前所未有的极端天气灾害，这些灾害会对电力系统造成严重损害引起大范围停电，进而导致大量基站失去作用，使各级消防救援机构的指挥中心通信中断，无法及时接收出警信息并调度救援力量出警，极大地影响了救援的速度和效率[2-3]，同时，传统的消防应急通信保障技术存在保障时间较短、范围较小等缺陷，本文提出的方案因其不择环境、运行成本低、实施方便、效果稳定、持续时间长等优势成为了理想的解决方案。

1.2  光储供电系统的优点

概括来讲，该系统主要集成了以下优点：

①稳定性和耐久性较好。即便长期暴露在室外环境下，经历风吹雨淋、霜雪酷寒，光储供电系统也很少出现故障，可以有效保证灾害应急情况下持续向通信基站供电，使消防救援人员能在灾后第一时间构建通信指挥网络并及时了解受灾情况，迅速出动救援。耐用方面，当前很多光储供电系统的组件都采用高性能材料制作而成，可保证使用年限不低于25年，可作为常备应急电源为消防通信提供保障。

②维护工作量少，附加投资少。器件运行可靠，光储供电系统不需要特意检修与维护，只需做好日常检查、定期维护等相关工作即可，维护成本投入不高。

③无能源费用，无噪声污染。光储供电系统利用太阳光生成能量，不需要专门运输，因此大大减少了运输、储存等方面的成本投入。另外，该系统运行相对平稳，不会产生过大声音，所以对附近环境带来的噪声影响也可直接忽略不计。

④组件积木化，便于设计安装。光储供电系统容量可根据基站功率灵活调整，而且安装简单、便捷。

⑤安全性高。不会应用到燃料，只要规范设计、安装合理，就能保障系统高安全运行。

2 光储供电系统设计

2.1  系统架构

光储供电系统具有布局紧凑、结构简单的特点，具体涵盖了能源储存系统、基站用电气设备等重要部分，紧急时作为基站的应急电源使用[4]。光伏模块与电池储能系统相连成为专门负责供电的光储一体机，以确保基站的DC稳定可靠运行。

2.2  基站负荷

由于各种基站负载功率与覆盖范围区别较大，这里以街头常见的宏基站为例。宏基站用电负荷主要体现在信号发射器和空调两方面，它们的最大功率分别为5.8kW、1.5kW。

2.3  基站光储供电系统的容量设计

在现实场景中，只需围绕以下两方面展开科学且严谨地计算与分析，就能快速、精准地确定出光储供电系统的最佳容量设计方案[5]。

①光伏板。光伏板总功率＝负载功率×用电时间（h）/日照峰值用电时间（h）/损耗系数（0.75～0.80）。在本設计中，已明确设备基于5000W下负载运行，用电和日照峰值的用电时长分别为24h、3.54h，因此将这些已知参数套入公式中可直接确定出其总功率为45197W。

②蓄电池。蓄电池容量＝安全系数（通常取1.1）×负载日平均耗电量×最长连续阴雨天数（通常取3天）/蓄电池放电深度（通常磷酸铁锂电池取0.8）。结合上文提到的运行参数，经公式计算得知其容量为10313Ah。

2.4  光储供电系统配置

光储供电系统拓扑具体涵盖了光伏一体机、光伏组件等相关部分[6]。光储供电系统配备5kW光储一体机和5.12～10.24kWh磷酸铁锂电池组。即便以50%容量进行深度放电，仍能保证供电时长达到9.4h以上。由于该系统日发电10.4kWh，因此可延长供电时长3.7h，足以满足相关需求[7]。

2.5  光储一体机

2.5.1  光储一体机组成

光储一体机涵盖了电源、控制、通信等多模块，具有结构紧凑、布局规范的特点，不仅能从源头上保证光伏发电的高效性，还能大幅提高本地负载供电的可靠性，最大限度延长电池使用周期等。在实际应用中，只要科学管理能量，就能将一体机功能优势发挥到极致[8]。

2.5.2  光储一体机功能

光储一体机在保障系统正常启动、稳定可靠运行方面发挥了举足轻重的作用[9-10]。本质上来讲，它是光伏组件连接到光储一体机的光伏端口。配置5kW光储一体机，可支持并/离网切换、离网多机并联、后备UPS、EMS能量管理系统、离网交流额定功率输出等。

在受灾无电网场景下，系统采取微网工作模式，具体方式如下：①光伏组件和电池形成纯离网系统。②如果光伏能量充足，光伏会优先给负载，如果还有余量则提供给电池。③当光伏电量不足时，电池将向负载供电。

3 光储供电系统在消防通信保障中应用的案例分析

本文以为河南省焦作市消防救援队伍设置一套配置光储供电系统的移动基站进行消防通信保障为例，根据中国的太阳能资源分布可知，河南省是典型的三类地区，年太阳辐射量不低于5000MJ/m2，最高时则达到了5850MJ/m2。根据资料得知，焦作市每天日照时间不低于7h，年均气温稳定在14℃左右，年均日照时长则达到了2293.7h，相当于日辐射量3.8～4.5kWh/m2。

本基站利用太阳能电池为蓄电池充电，多余能量用于空气调节系统进行室温调控，采用直流配电方式为各设备运行提供稳定、持续的电能。基站内全部采用直流电源灯具，并通过移动逆变器提供的交流电源来保障检修维护工作稳定开展。

3.1  基站基本情况

正常情况下，通信基站运行在直流20A、电压48V的连续负载状态下。①负载情况：其年耗电量为8432.64kWh；②总线结构：因为是直流连续负载，所以搭建了直流总线结构；③总线电压：因为系统基于48V环境下运行，所以配备了48V总线。

3.2  实际运行效果

通信基站接入光伏发电系统后，经过26天的运行发现，在15天晴天、4天阴天、7天雨天的条件下，总发电量不低于139.7kWh，日均发电量为5.3kWh，晴天时系统可发电8.22kWh。以日照8h为标准进行分析，光伏板的环境因子为0.9，日发电量可达到12.1kWh，在日照有效6.9h的情况下，日平均发电量为10.4kWh，当受灾断电时，光伏发电系统供电。即便在受灾情况下以50%容量进行深度放电，仍能保证供电时长9.4h以上。由于该系统日发电为10.4kWh，供电时长可增加3.7h，达到12h以上。根据相关资料可知，12h的通信保障时间可以满足消防救援人员在灾后黄金时间进行救援的通信需要。

4 光储供电基站在消防救援中的应用分析

在特大自然灾害发生时，自然环境一般十分恶劣，并且还存在许多不确定因素，通信条件也较为复杂。受到许多因素的干扰，灾情也是瞬息万变的，如果通信不畅，将会给消防救援人员的救援造成不必要的资源和人力浪费。如果在相应区域设置光储供电基站，一旦发生灾害断电，可以在受灾初期维持消防救援所需的通信，帮助消防人员迅速构建起多级通信指挥网络，领导指挥机关可以迅速下达各种命令并及时了解受灾情况进而使指挥中心做出正确有效的决策来支持救援工作，防止因通信问题而延误救援最佳时机。同时，可为相关应急专用通信网络的布置架设争取宝贵时间，能够组织建立服务于应急救援的消防救援专用通讯网络，可以在灾害现场快速建立上下贯通并且独立的应急通信指挥调度网，提高应急通信的能力，从而构建起一个三维立体无缝覆盖的、多元化的应急通信网络体系，对应急通信保障形成强有力的支持。

5 结语

当前，日益严峻的极端天气灾害形势对消防应急通信保障提出了越来越高的要求[11]，而本文设计的基于光储供电的基站应急保障系统可为消防通信保障体系的完善提供新思路，该技术有望在消防应急通信保障上实现新的应用，切实提高消防救援队伍基层队站在受灾条件下的应急通信能力。

参考文献：

[1]秦东年.5G基站光储供电系统解决方案[J].通信电源技术，2020（Z1）：11-19.

[2]彭昆.光伏發电在通信基站直流供电系统中的新应用[J].通信电源技术，2020，37（9）：84-86.

[3]王建锋，吴丽勇.通信基站中光伏供电系统的应用和效益分析[J].数字通信世界，2019（7）：213.

[4]许亮鹏.基于光伏发电的通信基站供电系统改造方案[J].电子世界，2018（24）：158+160.

[5]韩盼盼.5G基站供电系统需求及供电技术探讨[J].中国新通信，2020，22（16）：64.

[6]王建锋，王辉.浅析光伏供电系统在移动通信基站中的应用[J].数字通信世界，2018（9）：198.

[7]陈敏聪.移动基站太阳能技术的开发和应用[J].智能城市，2018，4（1）：89-90.

[8]沈雪红.光电互补供电系统在通信基站中的应用与研究[J].通信电源技术，2017，34（6）：14-16.

[9]徐韶清，张林冲.燃料电池在移动通信基站的应用浅析[J].现代信息科技，2017，1（2）：67-68.

[10]胡志涛.基于磷酸铁锂电池的基站分散供电系统应用方案研究[J].中国新通信，2017，19（15）：148-149.

[11]梁云杰.“断路断电断网”等极端条件下应急通信保障对策[J].消防科学与技术，2021，40（3）：449-452.

Research on emergency communication

support of optical storage and power

supply base station for fire rescue

Feng Shuaiqi1，Chang Jie2，Chen Zhe3，Tao Jiangtao3

（1.China Fire and Rescue Academy Cadet Team 5，Beijing 102202;2.Henan Water Conservancy Research Institute，Henan Zhengzhou 450003;3.Henan Shunshui Engineering Inspection Co.，Henan Zhengzhou 451450）

Abstract：The importance and necessity of the emergency communication security of firefighting base stations are explained with the example of the "7-20" special rainstorm disaster in Zhengzhou， Henan Province in 2021. The research designs an emergency protection system for firefighting base stations based on optical storage and power supply， and designs and simulates the actual operation effect， and finally explains and analyzes its application in firefighting and rescue and clarifies the design and research ideas of this system.

Keywords：optical storage power supply system; communication base station; emergency communication; guarantee method; photovoltaic power generation