5G通信基站供电方案研究

5G通信基站供电方案研究

黄灼培

广西壮族自治区通信产业服务有限公司 广西南宁

【摘要】：基站作为移动通信网中必不可少的重要组成部分，其供电质量直接影响到整个通信网是否能够正常稳定的运行。为了科学合理地建设5G通信基站供电体系，保证基站正常开通和运行，对5G通信基站的供电方案进行研究探讨，显得意义重大。

【关键词】：5G；基站；电源；供电；

引言

通信电源是整个通信网络的关键基础设施，通信电源是通信系统的心脏。稳定可靠的通信电源供电系统，是保证通信系统安全、可靠运行的关键，一旦通信电源系统故障引起通信设备的供电中断，通信设备就无法运行，就会造成通信电路中断、通信系统瘫痪，从而造成巨大的经济和社会效益损失。因此，通信电源系统在通信系统中占据十分重要的位置。与以往2G/3G/4G传统基站相比，5G 基站电源需求变化明显，基站功耗及热耗成倍增加，对供电的高可靠性高稳定性要求也随之增加，很大程度上抑制了5G 网络的发展。因此，有必要对5G基站供电需求、挑战和供电方案进行分析探讨。

一、5G通信基站电源系统构成
  第五代移动通信技术，简称5G，是在2G/3G/4G移动通信网络系统基础上创新发展而来的最新一代蜂窝移动通信技术。5G通信基站电源系统，主要由直流供电和交流供电两部分组成。直流供电主要包括一组或两组蓄电池组和高频开关组合电源（包括直流配电单元、整流模块以及监控模块）两部分[1]。交流供电包括交流配电箱、一路市电、浪涌保护器以及发电油机等。

二、5G通信基站电源供电特点

5G通信基站设备，其组网架构主要采用BBU+AAU方式，其中BBU为基带部分，AAU为射频部分，是由射频单元与天线整合的有源天线单元。相对于4G基站来说，5G基运算量的增加，也导致了BBU功率的增加。4G基站设备AAU单扇区输出功率在40-80W之间，而5G基站设备AAU单扇区输出功率则会增加到200W，甚至更高。显然，5G基站设备较4G设备功耗增加了2-3倍。另一方面，5G通信基站之间的距离变短，基站数量相比4G基站密集，场景众多，每种场景对电源需求有所不同，重要场景如：机场车站、地铁商场、政府机关、高校科研等人流密集的重要场所以及服务于工业互联网业务的场景，必须配备后备电源，而外电引入电网质量高，停电概率小的场景以及客户不敏感区域非重要场景等无须配备后备电源。5G基站场景多样化和收益最大化决定了供电宜充分采用新技术和新设备，力求最大限度降低投资，充分挖潜现网资源因此，差异化备电成为5G基站供电的一个重要特征。

三、5G通信基站电源在工程建设中面临的问题

1、备用电源问题。随着5G通信技术的发展，5G设备的容量和用电功耗也将会大大提升。在这样情况下，5G站点的建设需要提前做好电源备电问题。根据对5G网络服务过程使用发现，某些站点经常会出现一些错误服务或是服务中断的现象，导致这些现象产生大都是因为在服务过程中或是信号传输过程中缺少备用电源从而使得服务中断。在基站服务中断现象中，有50%的原因是与电源中断有关。对于2G/3G这种以语音业务为主的网络来说，小范围的网络中断所带来的影响相对较小。但是5G网络主要应用在移动支付、虚拟技术以及人工智能等更大范围的连接，对服务连接持续性的考验相对严格，一旦断网，就有可能出现严重的后果。因此，通信电源的保障面临着更大压力，要求在5G基站的建设中，必须确保具有可靠的基站备用电源。

2、基站机房改造成本高问题。5G通信基站的建设，通常都是采用分布式基站形式，这能够实现基带单元的集中放置。集中放置优点是可以大大降低新建机房和租赁机房的需求，从而降低站点部署协调的难度。而基带单元的集中放置，机房能够容纳量BBU设备的数量将会越来越多，比如放置50个以上BBU设备，总功耗也将会大大增加，通常会在100kW以上，意味着对电源要求大幅提升。但是，就当前基站而方，不少的基站机房空间比较狭小，供电和散热能力均不足，导致供电和备电能力受到了很大的限制。若要对这些机房进行改造，则改造成本相对比较高。

四、5G通信基站电源供电方案

1、基站机房电源规划。5G基站机房设备功耗较大，在建设过程中需要对机房空间、电池续航、电池配套等进行提前规划，并收集计算相关建设数据。5G基站建设数据作为基站电源建设的基础，主要针对对交流、直流、热耗3个维度多个数据进行核算，包括：直流总负载核算、直流电源容量核算、热耗核算、散热性能核算、直流配电核算、电源交流配电核算、其余交流配电核算、蓄电池组容量核算等，最终得出基站总体电源配电核算结果[2]。计算出的外市电引入容量、高频开关组合电源容量、配电单元负载输出分路容量和数量等电源建设数据，必须确保其满足1-6个相应机柜以及10-40个拉远站，也能够满足5G、4G网络共建的需求。而配套电源功耗需求，传输设备功耗需要满足2000W、数据设备满足功耗1500W、5G设备满足功耗5000W，电池续航能力以实际需求为主。对于新建5G基站，可考虑采用直流系统升压的方式来进行供电，几乎不用增加成本，能够很好地满足使用需求。通过直流升压电路，便可以有效地获得电路中需要的电压值，能够支持5G要求的大功率、大速率建设需求,还可以有效地实现对大范围机房的电源供应。

2、基站市电引入建设。基站外市电系统主要由供电方线路、供电方电表、电表侧断路器、交流电缆、基站交流配电箱等组成。目前，基站的供电方式主要有三种：直供电、转供电、路灯电，其中以直供电方式最为普遍。(1)直供电。直供电是指直接从电网公司输电线路侧引380V三相电或220V单相电至基站，是基站外市电的主要引入方式，具有供电稳定的特点。当前存量基站的外市电引入容量大多为10-15kW,现有的市电容量无法满足新增5G设备的负荷需求，大量的基站面临市电增容问题；(2)转供电。转供电是指从第三方(如小区物业处)引电至基站，常见于城区楼面站。釆用转供电的基站，供电易受到业主方的影响，而且市电容量受限于业主方的供电引入容量问题，无法通过直接增容方式来满足5G基站建设需求。⑶路灯电。路灯电是指利用路灯箱接引电至基站，属于一种特殊的转供电方式，常见于城区道路、公路两侧附近基站，以220V单相电为主。这种电力供应方式缺点是电箱容量不足、部分站点的引电距离较长，无法满足新增5G设备的负荷需求，需重新引入一路市电。

3、基站原有市电改造。市电引入建设作为5G基站建设的重点，考虑到各方面因素影响，应充分对旧存量站址资源进行利用。市电引入一般分为10KV引入、380V引入和220V引入，如果旧基站外市电冗余量明显不足，难以满足5G电源核算容量，不能满足5G网络建设需求，则需要进行改造。在原有市电改造过程中，为确保市电引入载荷足够，需要重新分析和核算现网基站交流引入新载荷容量需求，如电池充电功率、机房内设备功耗、照明和空调功耗等，必要时增加一套5G基站系统变压器容量以满足基站供电需求。为满足变压器容量的要求，应优化其引接线直径，科学更换不满足要求的铝缆和电缆。对于外市电容量满足但线缆载流量或压降不满足时，应对现有的电力引入线缆进行更换，通常可以采用铜芯电缆替换铝芯电缆或使用大截面线缆替换小截面线缆的方式，满足线路的载流量和压降要求。基站原市电改造工程中，通常将单相电改造为三相电，并对原本住宅小区的配电箱采用变压器进行引接操作改造。而当引接线满足要求但设备变压器不满足要求时，则需要新建一路外市电接引系统，包括新增开关电源系统、新增交流配电箱等。当引接线直径和接火点均不满足要求时，一般通过新建配套电源和新建外市电实现改造。

对于直供电站点，当市电引入线缆满足而电力引入容量不足时，应向电力局提出增容申请，增加基站外电引入容量。对于自建变压器的站点，仅仅是容量不满足时，可以通过更换大容量变压器来满足基站新增的用电负荷需求，如将容量为20kVA的变压器替换成30kVA。当市电引入容量和线缆均不满足时，应更换大容量变压器，同时对引入线缆进行更换。当市电引入容量不足，且无法通过市电增容、更换变压器或更换线缆等方式解决时，应重新申报引入一路市电，通常用于220V单相电接入的场景。另外，考虑到后期维护及电费成本等因素，应尽量将原有交流市电上的负载割接至新增的交流市电上进行整合[3]。
4、蓄电池建设及改造。从目前4G网络建设现状来看，常规存量站中蓄电池容量一般在300～600Ah[4]，而5G网络建设背景下对系统电源容量提出了更高要求，一般要求在400～600Ah范围内。如果传统的蓄电池容量配置不足，则需要进行改造。当基站机房扩容空间充许，在能够承重情况下可以考虑通过直接扩容的方式改造蓄电池。当基站机房内部没有扩容空间，则可以考虑更换蓄电池，通过提升蓄电池的容量和性能来满足要求。如果在基站的室内和室外均没有足够扩容空间的情况下，建议在室外增加室外机柜，用于存放蓄电池。此外，对于基站内外空间都比较紧张的站点，可以考虑更换蓄电池，建议将现有的铅酸电池更换为铁锂蓄电池。如果考虑建设成本原因，也可以将新的铁锂蓄电池和原有蓄电池合并，在峰值时通过市电+铁锂蓄电池共同放电，保证基站用电，波谷时对电池进行充电，最大程度减少市电重新申请额度，加快部署速度，降低引电成本。

5、基站备用电源建设。铁锂电池其实属于锂电池类的一种，铁锂电池的正极材料主要为磷酸铁锂材料，在体积、能量以及工作温度等方面都比传统的蓄电池更具优势。相对于传统的铅酸蓄电池，铁锂电池重量更轻，部署快，工程量极小，解决了机房空间和承载限制，且铁锂电池还可以进行循环放电。 在体积相同的情况下，铁锂电池的备电能力是传统铅酸电池的2倍及以上，所以可以很好地节省占地空间，从而很好地满足5G基站要求规模不大、传输能量更高以及电源要求承载量更高的问题[5]。

6、基站其它电源配套建设。(1)交流配电箱。基于4G网络交流配电箱规格一般为380V/100A和380V/60A两个规格，对应的最大市电引入流量为37.3kW和23.5kW。380V/100A的交流配电箱能够满足5G网络建设需求，可以在该配电箱下新增3套5G系统，因此无需进行改造。但是，380V/60A仅仅能满足2套5G新增系统需求，当新增5G系统时需要进行扩容改造。(2)组合开关电源。当选择引入扩容模块进行扩容时，扩容整流模块需要和原模块型号等保持一致。通过新增整流模块进行扩容时，若出现整流模块缺货，可以考虑新增开关电源或替换开关电源的方式进行改造。扩容后，如果仍然不能满足5G基站电源的建设需求，建议采用新增或替换开关电源的方式进行科学改造。此外，对于剩余端子不足但组合开关电源满足要求的情况，建议通过新增直流配电箱的方式进行改造。

五、结语

总而言之，建设部署5G通信基站电源面临着巨大的挑战，相对传统的2G/3G/4G通信基站电源建设，5G通信基站电源建设复杂得多。在实际工程建设中，应当最大限度地利用旧网资源，简化部署流程，降低能源投入，为5G网络的稳步提升提供重要支撑。

【参考文献】：

[1]李星,蔺杰超．浅析5G基站供电方案[J]信息记录材料.2020（05）

[2]魏登锋,同朝辉．基于5G网络的基站电源建设[J]探讨电信技术.2019（S01）

[3]龚开国.基站市电引入方案浅析[J]信息通信.2016（11）

[4]朱勇,周利辉.5G基站差异化能源保障策略探讨[J]湖南邮电职业技术学院学报.2020(01）

[5]李杰．5G站点电源面临的挑战及解决方案研究[J]通信电源技术.2018（08）