新型技术在5G电源配套建设中的应用研究

[黄强]

虽然5G相关标准还在进一步完善中，但全球对5G的发展充满信心。3G提供了语音和数据服务，4G则是支持语音、数据以及各种应用。移动网络逐渐成为不可或缺的社交基础网络，深刻影响着人们的日常生活并促进数字化经济发展，这一趋势在5G时代将更加明显。本文从5G电源配套建设的角度，探讨创新电源技术在5G无线网络中的建设，主要内容包括5G关键技术、5G建设面临的挑战、电源系统的应对策略、5G创新电源技术应用案例。

1 5G对电源系统的需求

目前5G宏站单系统典型功耗约为3～5 kW，预计远期5G设备功耗可降至2.5 kW左右，是4G的2倍左右。新增1套5G系统约需增加7～10 kVA外市电，需对市电、蓄电池等要进行增容改造。5G基站基础设施布局如图1所示。

图1 5G基站安装示意图

外市电：现有基站的外市电10 kVA以下占6%，10-20 kVA，占比约87%，20 kVA以上7%。目前4G基站约6～8 kVA,因此绝大多数基站无法支持2家及以上5G共享。

蓄电池：现有基站的蓄电池容量不一，500～1 000 Ah为主，占比67%。每套5G系统约需扩容约需1～1.5个机架位置，单机架重约200 kg。

2 5G基站对电源系统的挑战

2.1 5G功耗的增加，对配电容量的挑战。

由于5G采用3DMIMO技术，相比4G设备功耗增加了3～4倍，三家同时建设对市电容量需求达30 kW以上和大功率电源系统[2]。

2.2 5G可靠性要求高，对基站后备电的挑战。

5G网络主要应用于VR/AR、人工智能、无人驾驶、虚拟社会以及4K等“万物互联”业务，基站的正常运行是所有业务的保障，因此对后备电源提出了新的挑战。

3 5G基站电源系统的解决方案

3.1 市电削峰技术

市电削峰是根据通信设备功耗随话务量波动的特性，通过用电高峰期蓄电池对市电进行补偿供电，用电低谷期对蓄电池充电的方式以保障供电，通过错峰、限流、储能电池等技术手段有效控制通信设备和电池充电对市电容量的需求，实现基站的少改造、免改造和快速改造，降低存量站市电改造投资，快速满足建设需求。

方案A：备电电池错峰充电。在负荷高峰时主动降低对电池充电电流，优先为通信设备供电，实现电池错峰充电。最大削峰能力16%（通信设备峰均差值，1.1 kW/5G系统）。需要对现有开关电源系统进行限流/限功率功能改造升级。适用于市电容量缺口小，累计12 h历史停电时长不超过3 h的基站。

方案B：备用电池错峰+限流充电。在方案A的基础上，进一步压缩电池充电电流。最大削峰能力29%（通信设备峰均差值+50%备电电池充电功率=1.9 kW/5G系统），需要对现有开关电源系统升级改造限流功能。适用于市电容量缺口较小，累计24 h历史停电时长不超过3 h，保障要求低的基站。

方案C：备电电池错峰充电+储能电池削峰。在通信设备或空调工作负荷较小时对电池进行充电。利用储能电池在负载高峰时放电，负载低谷时充电，平抑通信负载波动，最大削峰能力42%（通信设备峰均差值+100%电池充电功率，2.7 kW/5G系统），新增削峰控制单元和储能电池功能模块。适用于市电容量缺口较大，无连续停电记录，保障要求低的基站。

方案D：储能电池削峰。在负荷高峰时，储能电池放电满足通信设备供电；在负荷低谷，对储能电池充电。最大削峰能力16%（通信设备峰均差值，1.1 kW/5G系统）。新增削峰控制单元+储能电池功能模块。适用于市电容量缺口小、停电频繁的基站。

根据基站市电容量缺口大小、历史停电频次、基站保障登记等要素，选择合理的市电削峰技术方案，满足5G高功耗对市电容量调整的建设需求，市电削峰技术方案选择如表1所示。

市电引入费高、引电周期长且市电缺口较小的站点，通过市电削峰，可以实现部分站点市电免改造，降低外市电改造成本压力，缩短建设周期。市电削峰技术是外市电增容改造的一种技术补充方案。对于原市电引入容量有限，多家5G共享预期明确的基站，建议优先采用外市电改造方式，按远期需求进行市电改造增容，预留发展空间。

3.2 新型集中供电技术

集中供电，应选取区域内市电容量充裕的基站作为中心基站，为周边基站提供电力服务，这样既能降低周边基站市电和蓄电池扩容改造成本，又能缩短建设周期，提高供电可靠性。

集中供电系统由局端设备、远端设备和电缆三部分组成。它可以将机房内稳定的- 48 V电源隔离升压到DC250～DC410V，并通过电力电缆以最大效率远距离输送至远端设备，远端设备进而将直流高压变换成DC48V、DC280V或AC220V电压为负载（DU）、微基站以及室外综合接入机柜等通信设备提供24小时稳定的，提供免维护的供电。也可以在机房中直接利用HVDC电源提供DC250～DC410V做远供电源，在远端将HVDC变成DC48V，如图2所示。该方案适用于市电容量充裕的基站作为中心基站，为周边基站提供电力服务[3]。

图2 新型集中供电技术原理图

3.3 蓄电池共用管理技术

现网存量基站蓄电池依然以铅酸电池为主，组数占比达86%，容量占比达94%；基站备用电池存量铅酸为主、扩容锂电为主，铅酸、锂电共存的局面短期不会改变；铅酸电池与铁锂电池在电压、充放电限流等参数或装置上区别显著，无法直接并联使用。

铅酸电池与梯级铁锂电池直接使用会产生严重的偏流现象。铅酸、铁锂电池的电压、内阻不一致是在充放电过程中产生偏流现象的根本原因；充电阶段，铅酸先充电，由于铅酸无限流装置，存在过充电风险；放电阶段，锂电先放电，承担电流较大，存在雪崩式保护风险。铅酸后放电，承担负载较大，存在过放电风险；不同容量、不同来源的锂电池存在同样风险。

蓄电池共用管理的解决方案。主要解决不同类型、不同时期、不同厂家电池并联应用问题，实现模块化扩容、对电池的主动控制、锂电优先放电、辅助市电削峰（降低市电需求）、削峰填谷（获取电价差利润）等技术的应用，管理示意图如图3所示。精确的充放电控制，避免蓄电池大电流充放电，延长蓄电池使用寿命。

图3 蓄电池共用管理示意图

充电模式：共充模式（默认模式），各路电池接口及外置铅酸电池按设定限流值同时充电。单充模式，各路电池接口及外置铅酸电池按设定优先次序充电（市电容量不足等情况应用）。

放电模式：共放模式（默认模式），各分路根据设定限流值或根据电池容量按容量比例放电，同时达到放电截至条件。优先放电模式，可设置2级放电顺序，满足市电削峰、削峰填谷等应用场景，梯级电池主用削峰，铅酸主用备电。

级联扩容：电池共用管理器通过通信接口互联，实现单机框对全部模块的统一控制，实现级联扩容功能。

使用于需要增加后备电源的基站，对于不同厂家、不用类型的电池混合使用，如图4所示。

图4 铁锂、铅酸共同充放电测试图

4 5G创新电源技术应用案例

站点概况：A市B基站位于金融商圈室外站点，该站点原有2G/4G设备。新增5G设备后，在高峰时段因市电容量不足出现闪断，只有关闭5G设备才能保证2G/4G的正常运行。

站点数据分析：（1）2/4/5G正常运行的平均功率为4 730 W。（2）早高峰和晚高峰负载的峰值功率接近5 000 W，电池的充电功率为1 600 W，站点整体最大功率可达6 800 W，超过平均45%。（3）市电门限容量为6 000 W。

创新方案实施：该站点采用智能削峰技术方案，对开关电源系统进行了改造升级。（1）将电源硬件更新为支撑智能削峰系统新电源（采用300 A系统/200 A容量）。（2）用三组100 Ah铁锂梯次替换原来的铅酸电池。（3）设定市电容量6 000 W削峰阈值。

创新方案效果验证：（1）第一天在智能削峰功能未加载前，市电输入峰值功耗达6 800 W；第二天加载智能削峰后，市电引入功耗控制在5 500 W以下。（2）蓄电池充电时长为8 h，实现了蓄电池均充。（3）市电输入控制在门限下，连续一周未再出现闪断情况。本方案证明智能削峰技术可以在市电不满足场景发挥作用，同时验证了铁锂梯次电池与智能削峰方案无缝组合应用。

经济分析：该站点若采用传统的市电改造方案，投资约4万元；采用智能削峰方案，投资约1万元。由此得出智能削峰的投资仅为市电改造费用的1/4,不仅节省建设投资还提升了工程建设效率。

5 结论

5G的大规模MIMO与UDN等技术的应用，给基站市容和开关电源系统的建设带来了巨大挑战，通过对5G新技术分析，挖掘5G对配套建设的挑战。本方案从“绿色、节能、环保、共享”的角度出发，充分利用现有资源，通过创新技术来满足建设需求，并通过实际案例验证了方案的可行性，为快速部署5G网络建设。本文提供的建设方案建设周期短、建设投资省、后期运营顺，充分体现了降本增效的宗旨。