5G时代背景下通信机房UPS电源设计的解决思路

许 亮，邓 超

（湖北省邮电学校，湖北 武汉 430079）

0 引 言

电源是通信系统的心脏，是保证通信系统各部分正常运行的关键，在通信系统中有着无可替代的作用。随着5G时代的到来，通信系统对电源供应提出了更高的要求。由于5G网络采用超密集组网技术，基站数量不断增加，电源需求也必然不断增加，特别是小型、微型站点获得爆炸式增长，造成站点的电力引入困难。同时，已建基站机房空间相对有限，电源系统的改建、扩建困难，而基站机房数量增多，同样也需要更可靠、高效的电源。因此，基站电源解决方案的重要性不言而喻，为确保5G基站的正常稳定运行，必须提高基站机房电源的可靠性、安全性以及高效性。

1 5G通信机房中UPS电源的建设

1.1 UPS电源的选择和配置

不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）按照工作模式不同可以划分为后备式、在线式以及在线互动式3大类。在通信机房运行的过程中，对于电源的性能、参数要求较高，为了保障机房能够稳定工作，需要结合使用需求选择最佳的电源设备。核心机房运行过程中，电源时刻都在工作，几乎没有转切换时间，因此一般使用的UPS电源基本上都是在线式。

现阶段，市场中的UPS设备种类较多，在线式设备的价格较高，但是使用过程中的性能、稳定性较强。在通信机房电源设备选择时需要甄别不同型号和参数的设备，根据容量、环境、经济条件，选择质量优良、品牌社会口碑较好的电源设备。UPS电源的容量单位为kVA。在设备配置过程中需要重点关注的问题之一便是电源能够承担的功率，即电源的视在功率，而后需要保证功率因子的参数为0.8～1，这个数值能够通过UPS设备的参数表进行查询。最后，需要确保电源的通信负载功率是额定功率的70%左右，即要求逆变器的转换效率满足基本要求，这样才能够有效降低电源使用过程中出现故障的频率，也能够根据电源视在功率、功率因子以及逆变器转换效率这3个数据计算出UPS电源的总体容量[1]。

1.2 UPS电源的环境要求

在通信机房中，UPS电源应当放置在整洁、干燥、通风的区域中，机房温度为20～25 ℃，湿度为40%～50%。此环境下，UPS电源能够获得运行的最佳状态。在机房建设的过程中需要安装温度计、湿度计以及空调等，便于技术人员在检验过程中调整机房的干湿度，为设备运行营造良好的空间。此外，在机房建设过程中不可或缺的设备还有防雷装置，并且配合稳定的接地设施，能够在雷雨天中保证机房设备安全。

1.3 UPS电源在通信基站中的设计

基站电源系统主要采用220 V/380 V交流市电引入加通信机房电源的模式。这种模式主要由市电电源系统、交流配电系统、直流配电系统以及后备发电系统组成。随着5G网络的进一步发展，按照目前对设备用电的需求，会对直流设备使用双电源系统进行供电，对交流设备则使用UPS并机系统，或使用UPS-2N系统对机房进行供电，从而避免了主用与备用网元设备同时掉线的风险[2]。为了能够提高通信机房运行时的安全稳定性，绝大多数直流供电系统均使用双电源系统进行供电。通信机房的电源设备结构如图1所示。

图1 通信机房的电源设备结构

2 模块化UPS电源系统

2.1 模块化UPS电源系统的解决方案

随着5G的商用推广，物联网、人工智能等领域的创新应用井喷式涌现，通信机房规模在可预见的未来将成倍增长，其中5G设备数量、占地面积等投资成本也将随之飙升。

针对5G时代的通信机房应用，目前新一代模块化UPS在原先基础上体积缩小，对于同尺寸的产品，容量进一步提升。新一代400 kVA/kW产品占地面积由2个柜减少到1个柜，节省占地面积高达50%，大幅提高了通信机房利用率。模块化UPS系统可实现8机并联，容量可达6.4 MW，满足超大型通信机房、工业等场景的电力保障需求。模块化UPS系统应用最优化环保节能（Ecology Conservation Optimization，ECO）模式，综合运行效率高达99%，同时可减少对电网的污染。此外，可对负载电流的谐波和无功进行智能检测，并进行补偿，有效提高旁路输入的功率因数（Power Factor，PF）值，降低电流总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD），使电网达到IEC620401类供电质量，保障更多类型设备稳定运行。

2.2 模块化UPS电源系统的独特优势

模块化UPS系统是一种高可用性的UPS主机设备系统。主机采用模块化的设计方式，可实现在线热插拔，除此之外，主机内部的关键组件均采用冗余方式，使得单台主机的可靠性达到了传统双机备份的系统可靠性；同时，UPS主机系统的平均故障恢复时间也从以往的数小时下降到几分钟。模块化UPS主机可以按照客户实际负载进行配置，模块化结构允许用户可以灵活地根据实际情况扩展主机功率，实现随实际负载的增加不断提升UPS供电容量，节省了过量投资带来的资金浪费和能量消耗。模块化UPS降低了采购和管理成本，在模块UPS系统下可以采用电源相位多制技术来改变过往单一性造成的制约，用户无需再考虑如何采购不同相位或容量的UPS产品来适应系统的需要[3]。为了满足5G信号的低时延，就必须依赖超高的基站密度和即时计算能力，从供电系统建设的角度来说，将更加复杂化。对于通信机房而言，模块化UPS将是一种可靠、可选、可用的发展趋势。

3 UPS发展中的新材料

3.1 第三代半导体材料

UPS电源在进行交直流变换时，会产生额定功率10%左右的功耗，这些功耗主要来自于UPS内部的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）及高频二极管这些半导体器件。这些器件在导通和开关时均会产生损耗，并且工作频率越高，损耗越大。随着UPS电源容量越来越大，在不增加体积的情况下，只能通过提高工作频率来满足要求。由于传统的半导体材料（如硅、锗等）受特性限制，工作频率的提升空间已经很小，并且伴随着工作频率的提升也会带来更大的开关损耗和发热，已经无法满足未来UPS发展的需求。

第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓、氧化锌、石墨为代表，这些材料具有高频、高压和耐高温等特性，在某些应用场景正在逐步代替硅基金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）。利用第三代半导体材料的这些特性，不仅可以大幅缩小电源模块的体积，节省空间，也可以使电源模块在较高频率下工作时，不会产生较大功耗，大幅提升了电源的工作效率，减少了系统的发热量[4]。随着UPS电源用于服务器、云和电信等更高功率的应用场景，传统材料的技术性能已经发展到了瓶颈阶段，因此对于新型材料的应用变得越来越紧迫，而第三代半导体材料的应用为实现这一目标提供了可能性。

3.2 锂电池材料

传统的UPS电源一般采用铅酸蓄电池，虽然价格低廉、安全性较高，但单体能量密度小、体积大、使用寿命短，且易造成环境污染。锂电池由于材料稀缺，制造成本较高，但其单体能量密度大、体积小、使用寿命长，且较环保。从使用成本来看，一般铅酸蓄电池的单体能量密度为30～50 Wh/kg，单位能量原材料成本约为0.40元/Wh；锂电池的能量密度为150～200 Wh/kg，单位能量原材料成本约为0.50～0.70元/Wh。由此看来，锂电池的原材料成本不到铅酸电池的2倍，但同等容量下锂电UPS的体积仅为铅酸电池UPS的1/5～1/4，这将大幅降低电池的安装空间，为机房节省场地费用，从而节省投资成本和持续的运营成本。从维护成本来看，一般铅酸蓄电池的循环寿命为300～500次，锂电池的循环寿命为2 000～6 000次，是铅酸蓄电池的4～6倍，大大降低了更换UPS电池的成本和维护的负担，消除了电池更换造成的宕机风险[5]。此外，锂电池在低温条件（-20 ℃）下的放电性能为70%左右，铅酸电池仅不到60%。更强的环境适应性意味着锂电池UPS可以适应更多的应用场景。随着UPS容量的不断扩充，在有限的使用空间里，利用锂电池取代铅酸蓄电池将作为UPS电源未来的发展趋势。

4 结 论

5G在通信机房电源方面所提出的要求非常严格，同时为了能够实现5G网络的大规模、大范围部署，相关技术人员应当结合工程具体实际场景，采取有效的技术方案来解决机房电源稳定、可靠供应的问题，以保证5G网络的正常运行。UPS电源系统能够为机房稳定运行、电力顺利输送提供基础性保障，也能够维护好通信系统的安全性。为了保障通信机房的稳定运行，需要科学设计和配置UPS电源，在通信机房建设中对动力系统实施科学、合理、规范的保养维护措施，有效延长机房电源的使用时间，为其他设备的正常工作奠定坚实的环境基础。