5G基站供配电勘察设计思路的调整分析

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　　【摘  要】针对5G基站设备相对于以往2G/3G/4G设备的变化，面向一线勘察设计人员，阐述5G基站在供配电需求方面功耗增大、供电方式多样化、供配电改造工作量和难度加大等相应变化，归纳相应的勘察前期准备工作要点，分析在实际工作中可能面临的外市电引入改造、供电方式选择的多样性、新型锂电池应用等重点、难点，介绍理想的5G供配电模式及发展方向，最后提出5G基站供配电勘察设计工作思路调整的建议。
　　【关键词】5G;供配电;勘察设计
　　Aiming at the changes of 5G base stations compared with 2G/3G/4G equipment， this paper expounds the corresponding demanding changes of power supply and distribution of 5G base stations for the first-line surveyors， such as the increase of power consumption， the diversification of power supply modes， the workload and difficulty of power supply and distribution transformation， etc. This paper further summarizes the key points of the preparatory work in the early survey stage， and analyzes the key points and difficulties that may be faced in the actual work， such as the introduction and transformation of external power supply， the diversity of power supply mode selection， the application of new lithium battery and so on. In addition， it introduces the ideal 5G power supply and distribution mode and its development direction. Finally， the guiding suggestions are given for the adjustment of the survey and design of 5G base station power supply and distribution.5G; power supply and distribution; survey and design
　　1    5G给供配电勘察设计带来的变化
　　1.1  5G设备供电需求的变化
　　（1）设备功耗的变化
　　5G基站设备由BBU和AAU组成。试验网实测5G基站的功耗是4G的2.5至3.5倍。其中AAU功耗增加是5G功耗增加的主要原因，AAU随着负荷的增加，其功耗会大幅增加，而BBU的功率相对比较稳定，受负荷影响不大。目前5G单站S111配置、100%负荷下功率近3 700 W[1]。除5G基站设备本身功耗外，加上空调等配套设备的功耗，5G典型S111单站设备需要按照4 000 W～5 000 W的功耗考虑。
　　对于运营商来说，显然5G设备功耗增加是5G网络建设和运营面临的难点，也是当前推进5G建设的一个瓶颈，需要投入较多的精力和资金、对原有供配电及配套系统进行改造，因此，必须提前进行大量的勘察设计工作。
　　（2）供电方式多样化
　　随着5G技术、电力变换及能源管理等新技术的发展，5G基站设备的供电方式呈现出多样性。5G宏基站BBU和AAU可以统一供电，也可以分别供电。此外5G还有室分系统、室外小基站等形态，应用场景不同、相应供电方式也呈现多种方式或多种组合方式[2]（具体在本文3.2節详述），这也使得供配电系统成为5G基站勘察设计的重点和难点。
　　（3）供配电改造工作量和难度加大
　　利用现有机房，采用共建共享建设5G网络，目前大部分现有基站的空余容量不足，需要进行电源系统改造，尤其是需对30%以上站点的外市电引入进行扩容改造，一般采用更换较大容量变压器、更换输电电缆、更改前级空开容量等方案[3]。
　　这些改造方案毋庸置疑是可以解决问题的，但在实际实施过程中，经常会存在难度大、周期长、成本高等问题。这些问题是影响5G网络的建设进度的主要因素。勘察设计人员也会经常面临现状情况复杂、找不到知情人、现状梳理工作量大、时间有限等困境。
　　1.2  工程建设组织管理方式的变化
　　目前国内5G基站机房及供配电等配套系统一般由铁塔公司统一规划建设，多家运营商共建共享为主[3]，运营商自建为辅。对于5G移动通信网络，中国联通与中国电信采取联合建设策略，中国移动则独立建设。
　　1.3  对勘察设计人员知识和能力要求的变化
　　近年来随着通信行业的快速迭代发展，尤其是5G技术走向商用，对勘察设计人员的知识面和能力储备的要求也产生了较大变化。原无线基站勘察设计人员，除原有知识和技能外，还必须尽快加强学习，补充在传输与接入、供配电、铁塔、土建、防雷接地、综合布线、空调、节能、消防、动力环境监控等各类机房配套的多方面的基本知识储备，快速成长为综合性、复合型专业人才，才能满足客户的需求、更好地为客户提供综合解决方案和全面的技术咨询支撑服务。特别是5G基站设备供配电需求的多样性、复杂性，最可能成为勘察设计人员实际工作中的最大痛点。 　　优秀的勘察设计团队或人员还应具备能够自行开发一些提高工作效率的专用工具软件的能力，并能协助建设单位编制特殊的专用定额、企业标准或规范，进行项目建设成本分析及后评估，编制滚动发展规划等支撑服务类工作。
　　2   5G基站供配电勘察设计前准备工作要点
　　（1）研读主流厂商5G基站设备及多种供电设备技术资料。
　　（2）编制多种供电方式及不同组合供电方式解决方案预案。
　　（3）提前做各基站供配电需求统计表格模板，包括全部设备（BBU、AAU、传输、宽带接入、监控、新业务等）的功耗、供电类别、分路数量等现状及需求情况。
　　（4）根据已中标、拟选用的5G基站BBU、AAU的用电要求（功耗、供电类别、分路数量等），匹配并调整相应的供配电解决方案预案。
　　（5）准备“5G基站（电源）勘察信息记录表格”，列出所需搜集信息，待填数据空格留白、草图留白。
　　（6）为后续设计阶段准备设计说明、图纸、概预算模板;以及专用设计计算工具、专用概预算定额等。
　　其它具体勘察设计方法与以往基本相同，不再赘述。
　　3   5G基站供配电系统改造的重点、难点
　　5G基站供配电系统改造的重点、难点主要在三个方面：外市电引入改造、供电方式的多样性、新型锂电池应用。
　　3.1  外市电引入改造
　　根据新增5G设备的功耗，通过外市电容量计算公式P=（P通信设备+P电池充电）/效率μ+P空调+P照明+P其它，确定5G站点的外市电引入容量总需求[4]。
　　（1）原基站为直供电方式
　　1）更换线径
　　改造原因：现有三相380 V市电引入容量、线径等无法满足本次新增5G需求。
　　改造方法：更换外市电电缆或新建0.4 kV线管保护、钢管、直埋敷设铠装电缆。
　　2）增加空开
　　改造原因：原配置三相380 V空开容量不够。
　　改造方法：尽可能利用原三相380 V低压配电设备的剩余空间，更换或增加原有市电接入空开;空间不够的，考虑更换或新增市电引入配电柜（箱）。
　　3）新增引入一路外市电
　　改造原因：原配置三相380 V市电，在新增5G宏站设备后，市电容量不够。
　　改造方法：新增引入一路三相380 V外市电（不更换原变压器、不改造原低压配电设备和电缆等），单独给新增的5G设备供电。新旧两路外市同时工作、分别带一部分负载，即1个站点2～3套电源系统独立运行。
　　4）更换大容量变压器
　　改造原因：现有变压器容量无法满足本次新增5G设备后的基站供电总需求。
　　改造方法：更换大容量变压器，相应更换配电柜（箱）、电缆等。
　　（2）原基站为转供电方式
　　1）转供电改为直供电
　　改造原因：原配置为单相220 V转供电，新增5G设备后，市電容量不够。
　　改造思路：将原单相220 V转供电改造为三相380 V直供电。并考虑后期是否还会新增1～2套5G设备（特别是铁塔公司统建），建议申请外市电容量不低于40 kVA（380 V/63 A）。
　　2）新引入市电
　　改造原因：原配置为单相220 V转供电，新增5G设备后，市电容量不够。
　　改造方案：原市电不改动;另新增一路三相380 V外市电，单独给新建5G一体化柜供电（约21 kVA）。建议新增外市电容量不低于20 kVA（380 V/32 A）。
　　3.2 供电方式多样性
　　随着5G技术、电力变换新技术、能源精细化管理技术的发展，5G基站设备可选择的供电方式呈现出多样性，各运营商、不同地域可结合实地现有供电条件及所选基站设备的用电特性选择不同的技术路线。
　　主要可供选择的供电方式类型归纳如下。
　　（1）直流供电方式（输电主线路段落为直流）：
　　传统-48 V直流开关电源系统直接供电（此方式仍应是当前主流的选择）;
　　高压直流240 V或336 V开关电源系统直接供电、拉远供电;
　　高压直流240 V代替市电单相220 V直接供电;
　　DC/DC升压直流远供（-48 V升压为直流57 V/240 V/380 V/336 V等形式）;
　　嵌入式开关电源或刀片电源;
　　高密电源框替换原电源、高密锂电替换原铅酸电池;
　　小基站设备POE或光电复合缆供电。
　　（2）交流供电方式（输电主线路段落为交流）：
　　传统UPS方式（主机三相或单相输出，到用电设备分配为单相220 V）;
　　传统-48 V直流开关电源系统+逆变器方式（单相220 V输出）;
　　直接使用天面的市电单相220 V直接供电，AAU配置简易AC/DC电源供电;
　　天面市电+新型5G智能电源（AC/DC）。
　　（3）两路混合供电方式（节能管控技术）：
　　一路市电单相220 V直接供电（主用）+另一路高压直流240 V（节能备用）;
　　一路市电单相220 V直接供电（主用）+ 另一路新型智能UPS（节能备用）;
　　应用新型5G智能电源削峰填谷方式：原开关电源在扩容至满配后、仍不能满足负荷需求时，采用新增5G智能电源和两组以上智能锂电池，通过BMS管控原有电源和蓄电池系统协同工作，实现市电削峰。a）当负载不超外市电容量输出门限值时，由外市电供电，同时给电池浮充电。b）当负载达到外市电容量输出门限值时，外市电和智能锂电池同时给负载供电。 　　（4）其它新能源供电方式：
　　太阳能光伏发电+蓄电池;
　　风力发电+蓄电池;
　　风光互补发电+蓄电池。
　　（5）站点智能化供电网络[5]（此方式是今后主流的发展方向）：
　　供配电全链路风险评估、能耗分析，容量精细化能源管理，智能运维平台;降低运维成本，提高运营效率;
　　电源设备全智能化，设备在线健康度管理;
　　选择无线物联网技术以及传感器技术应用，减少复杂布线，缩减上线时间;
　　电池智能化，发挥电池全生命周期内价值最大化。
　　3.3  蓄电池更新改造
　　由于锂电池在比容量、充放电速度、效率、循环次数、安装空间等方面均较传统密封铅酸蓄电池有一定优势，在5G网络建设中，选用锂电池作为储能、备电、削峰填谷设备，也是新的趋势，特别是磷酸铁锂电池在成本方面与铅酸蓄电池逐步减小，铁锂电池将会提高使用占比。随着电池管理系统BMS技术的成熟，也将规模化采用梯次利用动力锂电池。所以，蓄电池更新改造也会呈现多种形式。
　　（1）传统铅酸蓄电池扩容（更换为更大容量的、或新增电池组数）;
　　（2）更换、增加或直接配置为铁锂电池蓄电池组;
　　（3）更换、增加梯次利用动力锂电池;
　　（4）原铅酸蓄电池组+新增锂电池组，BMS控制协同工作，并可削峰填谷;
　　（5）小基站、5G智能电源直接配小型锂电池。
　　4    理想的5G供配电模式
　　鉴于5G设备功耗增大、建设进度要求高等问题，对于5G基站，可以考虑在业务负荷较低的时候，引入通道关断、载波关断、时隙关断等产品技术手段，进一步降低5G基站功耗，降低运营成本。勘察设计人员应同步关注并及时学习5G各种供配电、能源管控等方面的新技术理论和方法，对当地建设需求和现状精准分析、结合新技术和产品、从技术、经济、工期等多方面比选、合理选择解决方案、做出最优化的设计。
　　目前，有的研究单位及厂商针对5G供配电的复杂多样性及大量改造需求，已推出了5G建设市场上很期待、比较理想的模式：“5G基站一体化能源柜解决方案”。遵从“极简、智能、高效”理念，尽可能避免外市电、电源及蓄电池改造[6]。
　　（1）基于MIMO理念，提出5G站点一体化数字能源机柜产品。
　　（2）全模块化架构，功率、备电和配电动态匹配。
　　（3）智能鋰电，电子电力技术与电池技术融合，对电池充放电进行动态智能管理与控制，发挥电池全生命周期内价值最大化。
　　（4）根据运行负载大小，智能动态调节备电容量，动态计算实际所需备电容量，剩余容量可用于错峰用电。
　　（5）可通过叠加多路新能源进行补充，又可通过智能削峰，实现市电与储能能量协同，智能调度多种能源输入，避免市电改造。
　　（6）整合原有直流电源剩余容量，多路电源互补满足5G供电需求，避免对原有直流电源进行扩容改造。
　　（7）可实现新旧电池混用，容量按需配置，备用电池容量动态匹配计算，原有蓄电池与智能锂电联合保障5G备电时长要求，避免原有蓄电池更换。
　　（8）BMS+双向DC/DC一体化设计，充放电智能控制，恒压放电输出（可设定），各组自动调节限流输出。
　　此类理想的产品及解决方案尚处在试验或小规模试用阶段，还有待经历一段较长时间的实际使用验证和不断的改进完善，产品才能走向成熟及大批量投入使用。
　　5    结束语
　　5G设备功耗增大、供电方式多样化，带来大量改造工作和勘察设计难度。勘察设计人员需相应扩展知识面，学习当前与5G匹配的多种供配电和能源管控新技术、理论和方法，提升综合能力储备，做好应对各种复杂场景的准备。
　　虽然5G基站供电类型多、不同组合供电方式多，但具体到某个实际项目时可能就会减少到几种，甚至是一种具体方案。理想的“5G基站一体化能源柜解决方案”已在试验试用阶段，随着时间的推移、5G设备进一步技术升级，其功耗也还会有所下降，预计远期5G设备功耗可降至2.5 kW左右，仅是4G的2倍左右。所以勘察设计人员也不必太有压力，关键是要深入掌握基本原理和配置原则，遇到问题时能够从几种不同解决方案里找出技术上可行性好、经济上成本低的最优方案，为建设单位做好各项工程咨询与技术支撑服务工作。
　　参考文献：
　　[1]  CSDN云计算. 5G基站功耗到底有多大[EB/OL].  （2019-08-13）[2020-02-27]. https：//blog.csdn.net/FL63Zv9Zou86950w/article/details/99669737.
　　[2]   立鼎产业研究网. 5G时代基站供电的变化分析及基站电源市场需求空间测算分析[R/OL]. （2019-07-29）[2020-02-27]. www.leadingir.com/trend/view/2698.html.
　　[3]    李新. 基站设备功耗对5G网络建设的影响及应对[J]. 通信世界， 2019（21）： 2-4 .
　　[4]    张家伟. 十大5G基站电源改造方案[Z]. 2019.
　　[5]   中国移动通信集团设计院信息能源所. 面向5G网络的站点电源发展与演进[R]. 2019.
　　[6]     中国移动. 什么是5G基站一体化能源柜[Z]. 2019.
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