共址5G基站电源配套改造方案分析.pdf

16运营与应用DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2023.07.004共址 5G 基站电源配套改造方案分析高福电源系统作为 5G 基站的动力系统，对 5G 基站建设起着决定性的作用。针对共址 5G 基站改造过程中外电和备电系统进行了分析和研究，提出了外电系统和后备电源系统的解决方案，对 5G 基站共址建设有一定的参考意义。高福北京中网华通设计咨询有限公司，中级通信工程师，学士学位，主要研究方向为无线网络覆盖及通信电源。关键词：5G 基站 共址 电源配套 改造摘要1 引言随着 5G 基站建设的快速推进，5G 基站数量大幅增加，根据厂商提供的技术标准，单 5G 系统（1 个 BBU+3个 AAU）的功耗在 3 5004 500 W 间，由于设备功耗较大，对现有的基站电源配套提出了更高要求。5G 基站电源配套改造工作难度大，它涉及到 5G 网络规划、建设施工及维护管理等多个方面，对整个通信系统的运行安全产生直接影响。同时，对现网设备改造还要考虑到后期工程持续的问题，改造要符合经济性的原则。2 共址电源配套改造面临的问题2.1 5G 基站系统组成目前，各个厂商推出的 5G 设备采用“CU 和 DU 合设+AAU”形 态 的 Massive MIMO 基 站，支 持 3.5 GHz（3 4003 600 MHz）频段，在 5G 部署初期,5G 设备形态优先采用 CU/DU 合设方式，未来随着 5G 垂直行业等新业务需求，可基于 MEC 边缘云，后续采用 CU-DU 分离方式。目前均采用 CU/DU 合设下沉的部署方式，但是基于机房条件、光纤资源等情况，有的运营商已经在考虑CU/DU 合设集中部署的方式，5G 基站架构演变方式如图1 所示。图 1 5G 基站部署方式示意图5G基站的部署方式不同，对基站电源配套影响不同，现阶段，对电源配套系统有重大影响是 BBU、AAU 功率17运营与应用共址 5G 基站电源配套改造方案分析2023.07 广东通信技术参数，由于 AAU 集成了 4G 组网下 RRU 及天线的功能，其重量和功耗明显有重大的改变。据厂家提供的 5G 功耗结果看，BBU 功耗与所插板件相关，受业务负荷影响不大，BBU的功耗随着业务负荷增加，其平均功耗基本不变。AAU 功耗明显受负荷影响，各个厂家设备的典型功耗和峰值功耗1如表 1 所示。表 1 5G 主流设备厂家功耗厂家设备典型功耗(W)设备峰值功耗(W)BBU 配置BBUAAU单系统BBUAAU单系统华为3309503 1801 1001 2204 760S111（64TR）华为3308502 8801 1001 0004 100S111（32TR）中兴3159803 2557001 4004 900S111（64TR）中兴3159103 0457001 2504 450S111（32TR）爱立信1208002 5201801 2003 780S111（64TR）爱立信1207502 3701201 0603 360S111（32TR）4G2503501 3003505001 850S111从表 1 中可以看出，一个三扇区基站，当 BBU 在S111配置下，典型功耗在3 300 W以下，最大功耗在5 000 W 以下。AAU 功耗的增加是 5G 功耗增加的主要原因，5G单站功耗约是 4G 单站的 2.53.5 倍之间，因此在基站电源配套改造中，需重点考虑 AAU 功耗的影响。2.2 5G 基站电源系统的组成基站电源系统分为交流系统和直流系统两部分组成，外电通过交流配电箱给开关电源供交流电，开关电源将交流电转变为通信设备使用的-48V 直流电，电池组通过开关电源在有市电的时候给电池充电，无市电时候电池组放电给通信设备供电，基站电源系统供电路由如图 2 所示。图 2 基站电源系统供电示意图图 3 外电引入示意图负荷，需要新增近 10 kW 容量，这对基站外电系统是一个严峻的挑战。2.4 5G 基站要求可靠性高，对基站备电系统的考验5G 网络具有高速率、低时延、广连接等特性，可以在超高清视频、虚拟现实、车联网、智能制造等领域提供更优质的服务。5G 技术应用领域十分广泛，在用在智能制造领域，包括远程操控机器人和制造过程监控；在智能驾驶领域，通过 5G 网络将车与车之间、车与基础设施之间进行信息交换和共享，使得无人驾驶变得更安全、更可靠2。但这一切的根基是5G基站的正常可靠的运行，因此，高可靠性要求的背后是对 5G 基站备电系统提出了更加苛刻的要求。3 外市电改造解决方案根据共址站的需求，提出解决方案。3.1 外电改造原则外电改造应遵循对现网影响最小、运行安全稳定、造价最优的原则。根据现网负荷情况、新增 5G 需求负荷及对远期需求的预判，对基站外市电容量及电缆规格型号要求进行核算。3.2 外市电容量线径分析核算及改造方案外市电引入部分包括从低压市电开关或者变压器引出至基站交流配电箱内的部分，如图 3 所示。2.3 5G 基站功耗大，对外市电容量的挑战相对于 4G 而言，5G 设备功耗成倍的增加，尤其对于一个需要同时上两套 5G 系统现网站点，不考虑其它外的外电容量的判断应依据外电容量计算公式，外市电容量计算公式为：（1）其中，功率因数一般取 0.850.9，基站总功率计算如表 2 所示。外电线径核实计算分为两种：单项电引入和三相电引18运营与应用运 营 与 应 用表 2 基站总功率计算表序号项目计算方法1基站总功率直流负载功耗（kW）+交流负载功耗（kW）2直流负载（kW）共站内所有通信设备功耗（kW）（含新增设备）+电池充电功耗（kW）；3蓄电池充电功率（kW）电池总容量 充电倍率（0.1）56(均充电压)/1 0004电池总容量（Ah）原有电池容量（Ah）+新增电池容量（Ah）5交流负载功率（kW）空调功率（kW）+照明功率（kW）+其他交流功率（kW）入，现以三相电为例进行导线线径和引电距离的计算，根据三相电功率计算公式（P 为功率，U 为线电压 380 V，I 为相电流，功率因数一般取 0.8）3，推导出负载电流计算公式，由于外市电引入距离及线径能保证通信设备正常工作，其线路压降不应超过标称系统电压的 10%，从而得出外电引入距离和线径截面的关系：（2）的计算方法:根据欧姆定律得知,故线路上的电压降为,其中 I 为回路电流，R 为线缆电阻，线缆电阻(为导体电阻率，L 为外市电引入距离，S 为导体横截面积)，由欧姆定律及电阻计算公式得出压降的计算公式，当导线为铝导线时，铝的电导率为，当导线为铜导线时，桐的电导率为；对于不同的基站，所需容量和引电距离都不同，通过对外电容量的计算，逐级判断外电总容量、空气开关容量、外电引入线径是否满足需求，若外电总容量不满足需求，则需要向供电公司进行扩容申请；若交流配线箱的空气开关容量不满足需求，则应更换交流配电箱的空气开关；若外电线径不满足，则需要更换电缆4，外市电引入解决方案如表 3 所示。表 3 外市电引入解决方案序号不同计算结果解决方案1容量和线径都满足直接利旧2容量满足线径不满足更换原有线缆为同材质符合要求线径的线缆；更换原有线缆为电导率更高的符合要求的线缆（铝换铜）3容量不满足线径满足向供电部门提交扩容申请4容量及线径均不满足单独新建一路外电给 5G 独立供电扩容申请和替换原有线缆为符合要求的线缆4 备电系统改造方案4.1 备电系统改造原则基站的备电系统以蓄电池作为后备电源，承担着市电断电或者市电故障时应急供电的作用。备电系统的改造就是对蓄电池系统的改造。蓄电池的改造方案，需要根据现网设备功耗、机房空间及承重、新增 5G 网络设备功耗情况和运营商提出的后备时长等因素综合确定改造方案。考虑现场实际条件，应确保 1 小时电池配置，有条件的站可适度冗余，具体容量配置应同时考虑相关站址历史停电情况、维护人员能够到达基站的路途时间以及发电准备时间等，确保基站的供电安全和保障，同时实现资源的最优配置。4.2 备电系统容量计算目前，基站上采用的电池有两种：一种是传统使用的铅酸电池（如图 4 所示），另外一种是退役电池重新利用的梯次电池（如图 5 所示），由于梯次电池在能量密度上高、循环寿命长、耐高温等性能上远超过铅酸电池，梯次电池正在逐渐地取代铅酸电池。图 4 铅酸电池图 5 梯次电池梯次电池它通常是指车用磷酸铁锂动力锂电池在容量衰减到 80%以下后，用于通信基站备电、储能等场景的降级使用。梯次电池是针对电池组来讲的，也就是说新的电池组在使用一段时间后出现了衰减，衰减后不足以满足当下设备（如电动汽车）的供电需求，但是电池并不是已经损坏，在对其做一定的修复调整后，可以在用电要求降一级的设备上使用5。比如原来的设备用电是 200 Ah，60 V 的，但是梯级电池经过修复调整后只有 120 Ah，56 V，这样就只能适用于别的用电设备（如基站储能备电等）。从电池性能上来讲，磷酸铁锂电池在锂电系列中，在梯次利用方面的表现要更具稳定性。磷酸铁锂电池能量密度高，产品质量比能量最大可超过 130 Wh/kg，体积比能量 210 Wh/L，因而梯次电池具有占地面积小、轻量化的优点；磷酸铁锂电池使用寿命长、在电动汽车上退役19运营与应用共址 5G 基站电源配套改造方案分析2023.07 广东通信技术后重新梯次利用后，仍能够使用 56 年的实际寿命和约 4002 000 次的实际循环次数循环次6；磷酸铁锂电池耐温性较好，正常来讲在-2055之间都能正常使用；更重要的一点是磷酸铁锂电池绿色环保，它不含任何重金属与稀有金属，相对比较环保7。梯次电池在通信基站中最常见容量有 100 Ah 和 150 Ah，其容量计算方法为：（3）公式中各个符号代表的内容如表 4 所示。表 4 梯次电池计算公式符号表符号代表内容Q所需蓄电池容量（Ah）K安全系数，取 1.25P1一次下电侧通信设备工作实际功率（W）P2二次下电侧通信设备工作实际功率（W）T1一次下电侧设备备电总时长（h），T1 不应小于 1 小时T2二次下电侧设备备电总时长（h）1一次下电对应放电容量系数（2 小时为 0.95，其他时间按 1 计算）2二次下电对应放电容量系数铅酸电池为最早应用于通信基站的备电系统，容量有150 Ah、200 Ah、300 Ah、500 Ah 和用于局房的 1 000 Ah及以上，是一种比较成熟的备电方案，其容量的计算方法依据中华人民共和国通信行业标准通信电源设备安装工程设计规范（GB 51194-2016）的相关要求，计算公式为：（4）公式中各个符号代表的内容如表 5 所示。4.3 备电系改造方案根据相关得要求，蓄电池的后备时长，需根据设备功耗情况，按照 5G 设备 1 小时，其余 3 小时后备时长配置电池容量进行配置。假定基站的所需的总功率为总，电池的计算总容量为计，若，则说明电池备电充足，且维护人员及发电设备能在 3 小时之内到达基站，则无需改造；若，说明电池备电在要求范围内，若维护人员及发电设备也能在 3 小时之内到达，则按需改造；若，说明备电时长不足，需要进行改造，改造后的备电时长应能满足维护人员及发电设备到达的时长。改造需要根据计算的结果及机房的整体情况综合考虑，详细的改造方案如表 6 所示。表 5 铅酸电池计算公式符号表序号 符号代表内容1Q蓄电池总容量（Ah）2K安全系数，按规范取 1.253I负荷电流（A）4放电容量系数（根据设计规范，1 小时为 0.58，3 小时系数值为 0.75）5t实际电池所在地的最低环境温度数值（所在地有采暖设备时，按 15考虑，无采暖设备时，按 5考虑）6电池温度系数，当 放电小时率 10 时，取系数为 0.006；当 1 放电小时率 10 时，取系数为 0.008；当 放电小时率 1 时，取系数为 0.01。4T放电小时数（h）表 6 蓄电池改造方案序号分析内容改造方案1计算容量满足需求且整体性能良好利旧原有电池，不改造2计算容量满足但整体性能较差替换新增同容量的电池组3计算容量不满足且整体性能较差若机房承重或者机房空间满足需求，则新增利旧的铅酸电池或者新购梯次电池；若机房承重或者机房空间不满足，则新增梯次电池4计算容量不满足但整体性能较好新增原有型号电池或者梯次电池，将原有电池与新增电池通过电池共用管理器合路供电根据电池容量计算公式计算通信机房在规定的后备时长内所需电池的总容量，电池的总容量包括原有设备的所需容量和新增设备的所需容量，用总容量和现网已经配置的容量进行比较，看现网已经配置的电池是否能够满足设备的后备时长要求。5 结束语本文在分析现有 5G 通信基站电源系统资源的基础上，深入探讨了 5G 基站电源配套改造的技术难点，并针对目前存在的问题提出相应建议和措施，为共址 5G 基站电源配套改造工作提供参考。参考文献1、杨磊,王浩年,王瞳瞳.5G 建设电源配套设计方案研究 J.中国新通信.2022(5):1-3.2、许亮.5G 时代通信电源系统的挑战和解决思路 J.长江信息通信.2022(9):215-217.3、王建锋,吴丽勇.5G 通信基站内梯次电池的应用分析.中国新通信.2019(6):26.4、高奎.分布式(拉远)基站供电解决方案 J.广东通信技术.2022(11):22-27.5、张臻.梯次电池在通信基站中的使用J.电信快报,2018(6):15-17.6、刘宇刚.5G 建设电源配套解决方案 J.通信电源技术2020(5):72-75,79.7、黄强.新型技术在 5G 电源配套建设中的应用研究 J.广东通信技术.2020(10):72-75.（收稿日期：2023-04-06）