论文部分内容阅读
摘要：伴随着我国科技水平的发展，5G被广泛应用在通信系统中。5G通信基站耗电量较大，引入分布式供电（DG）单元能对其进行一定的电能补充，但DG单元易受气象条件的影响，导致通信基站节能供电系统运行不稳定。为提高通信基站节能供电系统运行的稳定性，提出了一种基于直流母线电压信息自动切换的控制策略，所提控制策略能够维持通信基站节能供电系统稳定运行，实现不间断供电，为未来设计节能型5G通信基站供电系统提供了一定理论依据。
关键词：5G;通信基站;节能;供电系统;控制策略
引言
5G具有“高带宽、低延时、大接入”等特点和优势，可在不同行业及领域进行应用，5G网络更是实现将智能化建设向纵深推进的动力。但5G天线因高载波频率与小覆盖半径等短板，要到达4G同等网络覆盖的目标，需大量增加站点密度。从能源的角度看，在5G时代运营商面临的问题主要有：5G单站点的功耗大相比4G将大幅增长，例如多数商家运营商共享BBU宏站总功耗逼近30KW，据分析比较4G基站功耗增加约90%。其次，在5G大功率AAU拉远供电场景中，线缆压降过大导致线缆损耗过大，甚至部分远端电压低于设备工作电压，导致AAU无法工作。为了满足电力需求，市电扩容成本高、周期长。将严重影响5G部署节奏且大幅增加投资，大部分存量站址的开关电源、蓄电池、空调等需扩容改造，对现网基站改造要求高，投入高，改造难度大，改造工期不可控。同时大量的末梢站点将会被部署，整个网络的功耗将呈倍数增长，建设成本大幅增加。运营商耗电量大，势必要增加运维成本。由此可见，能源也是制约5G发展的关键之一，要进行迅速的部署5G网络，就必须先解决能源供给问题。这对于供电系统的部署难度、能耗、安全性、稳定性、可靠性及运营等带来新的挑战。由于基站所在场景不同，现存量站资源均有差异，若要做到5G电能在部署上做到能源智能化，节能高效化，供电更高效，供电方案也需“一站一案”。
1基站电源系统及5G设备功耗
1.1基站电源系统组成
基站电源系统主要包含交流供电系统、直流供电系统和接地系统三个部分。交流供电系统包含市电引入、移动油机、浪涌保护器、交流配电箱等。直流配电系统包含高频开关组合电源，蓄电池等。
1.2典型5G设备功耗需求
5G设备功耗大幅度提高，對基站电力配套带来了更大的挑战。5G部署初期，设备形态以CU（集中单元）/DU（分布单元）合设方式进行建设，根据设备供应商提供的设备功耗，5G设备标称功耗约是LTE（长期演进）标称功耗的3倍。
2通信基站节能供电系统控制策略
2.1基站设备节能方案
针对移动通信基站中的设备，在节能过程中可以从如下三方面入手。第一，对移动通信基站中的无线网络进行规划，尽量减少基站的数量，选择的设备需要具有容量大、设备能耗量低的特点，降低扩容成本。第二，将功放技术的应用价值充分发挥出来，提高整个移动通信基站中的功放效率。第三，使用分布式的建设方法，减少设备中的馈线损耗情况。
目前，在移动通信基站设备系统中，应用的节能技术主要包括如下两种。第一，高效功放技术，其中包括Doherty技术、包络跟踪技术以及包络消除技术等。在实际设备节能工作中应用范围最广的技术为Doherty技术，该技术在实际应用的过程中具有负载牵引力，保证均值放大器和峰值放大器在饱和状态下，提升整个移动通信基站的功放效率。而将该技术与数字预失真技术相互结合，与传统功放技术相比，能够提升功放效率27%以上，生产难度较低，所占体积较小，可靠性高，使用成本低，因此该技术具有较高的应用价值。
第二，分布式基站技术。该技术主要将基站分为两部分，分别为基带和射频。这种方式能够降低射频产生的馈线损耗量。此外，该技术对使用环境的要求不高，不需要空调控制温度，也不需要建设机房，因此应用成本也较低。在基站近端，可以将电源、传输系统以及监控系统安装在一个机房内，保证移动通信基站中集中供电质量。这种方式能够实现整个基站的集中供电，降低维护管理难度，适合大范围应用。
2.2电源设备节能
2.2.1开关电源节能
采用开关电源智能休眠技术，通过基站高频开关电源智能化控制技术，自动关闭冗余模块使系统工作在最佳效率点，从而实现节能降耗。
2.2.2蓄电池节能
（1）蓄电池温控柜。a.室内型恒温电池柜。主要由柜体、电池架和空调构成，可控制柜内温度在15-25℃范围内。b.室外型恒温电池柜。室外一体化电源蓄电池仓采用独立温控设计，使用TEC半导体空调进行温度调节，为蓄电池提供良好的工作环境。
（2）蓄电池地埋。蓄电池采用地埋方式可以防盗，也可减小室外高温对电池寿命的影响，延长电池寿命。但电池地埋必须解决好防水、通风散热、排气等问题。
（3）铁锂电池。铁锂电池具有以下优点：循环寿命长;体积小重量轻;对环境无污染;适用于室外环境，工作环境温度范围要求较宽;安全性高;充电速度快。
2.3基站供电系统节能方案
移动通信基站中的供电系统主要负责给基站中的所有用电设备供电，为了降低其存在的能量损耗，可以将电源智能休眠技术应用其中，保证整流模式处于最佳状态，减少其存在的带载损耗以及空载损耗，从根本上实现供电系统的节能环保。此外，还可以将太阳能和风能等能源应用其中，替代原有的能源。这种方式能够拓展移动通信基站的建设范围，使其能够在我国偏远地区建设。
目前，移动通信基站供电系统中应用的节能技术为开关电源休眠技术，根据供电系统中电流的负荷情况，对整流模块的工作进行有效调整，同时采用软开关技术，实现工作整流模块数量的自动调整。例如，整个供电系统的负荷量较小，则该部分模块能够处于休眠状态，保证其他模块的运行状态，降低系统中出现的空载损耗情况，进而实现供电系统的有效节能。
在移动通信基站节能方案应用的过程中，需要保证方案设计的安全性，将机房温度控制在10～35℃，空气质量保持在B级以上。节能技术的应用需要保证多样性和可行性，根据基站建设的实际情况，选择相应的节能技术，进而将节能技术的应用价值充分发挥出来。此外，经济性也是节能措施制定的主要影响因素之一，充分考虑网络发展能力以及经济情况，确定方案实施的投资回报，避免出现回报收益小于投资的情况。针对使用的技术展开评价，确定其在实际应用中的有效性，保证最终节能措施在移动通信基站中的应用效果。
结语
由于5G在2020年以前以存量站点系统叠加为主，后期逐渐向杆站过渡做深覆盖。因而5G电源部署，要充分考虑现网站点电源的扩容和改造场景，最大限度地利旧现网资源，简化部署流程，降低能源投入。基于5G应用场景、网络架构、设备演进、业务发展以及客户需求，5G电源应具有取电多样化、供电升压化、配电精细化和智能运维化的发展趋势。
参考文献
[1] 张宁，杨经纬，王毅，等.面向泛在电力物联网的5G通信：技术原理与典型应用[J].中国电机工程学报，2019，39（14）：4015-4025.
[2] 吴华勇，王安林，顾华.5G供电解决方案研究[J].通信电源技术，2019，36（增刊1）：1-3.
[3] 梁晖，姚利民.面向5G现网电源配套系统改造方案研究[J].通信电源技术，2019，36（6）：181-184.
[4] 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，2018，35（8）：245-247.
[5] 支娜，张辉.直流微电网改进分级控制策略研究[J].高电压技术，2016，42（4）：1316-1325.
关键词：5G;通信基站;节能;供电系统;控制策略
引言
5G具有“高带宽、低延时、大接入”等特点和优势，可在不同行业及领域进行应用，5G网络更是实现将智能化建设向纵深推进的动力。但5G天线因高载波频率与小覆盖半径等短板，要到达4G同等网络覆盖的目标，需大量增加站点密度。从能源的角度看，在5G时代运营商面临的问题主要有：5G单站点的功耗大相比4G将大幅增长，例如多数商家运营商共享BBU宏站总功耗逼近30KW，据分析比较4G基站功耗增加约90%。其次，在5G大功率AAU拉远供电场景中，线缆压降过大导致线缆损耗过大，甚至部分远端电压低于设备工作电压，导致AAU无法工作。为了满足电力需求，市电扩容成本高、周期长。将严重影响5G部署节奏且大幅增加投资，大部分存量站址的开关电源、蓄电池、空调等需扩容改造，对现网基站改造要求高，投入高，改造难度大，改造工期不可控。同时大量的末梢站点将会被部署，整个网络的功耗将呈倍数增长，建设成本大幅增加。运营商耗电量大，势必要增加运维成本。由此可见，能源也是制约5G发展的关键之一，要进行迅速的部署5G网络，就必须先解决能源供给问题。这对于供电系统的部署难度、能耗、安全性、稳定性、可靠性及运营等带来新的挑战。由于基站所在场景不同，现存量站资源均有差异，若要做到5G电能在部署上做到能源智能化，节能高效化，供电更高效，供电方案也需“一站一案”。
1基站电源系统及5G设备功耗
1.1基站电源系统组成
基站电源系统主要包含交流供电系统、直流供电系统和接地系统三个部分。交流供电系统包含市电引入、移动油机、浪涌保护器、交流配电箱等。直流配电系统包含高频开关组合电源，蓄电池等。
1.2典型5G设备功耗需求
5G设备功耗大幅度提高，對基站电力配套带来了更大的挑战。5G部署初期，设备形态以CU（集中单元）/DU（分布单元）合设方式进行建设，根据设备供应商提供的设备功耗，5G设备标称功耗约是LTE（长期演进）标称功耗的3倍。
2通信基站节能供电系统控制策略
2.1基站设备节能方案
针对移动通信基站中的设备，在节能过程中可以从如下三方面入手。第一，对移动通信基站中的无线网络进行规划，尽量减少基站的数量，选择的设备需要具有容量大、设备能耗量低的特点，降低扩容成本。第二，将功放技术的应用价值充分发挥出来，提高整个移动通信基站中的功放效率。第三，使用分布式的建设方法，减少设备中的馈线损耗情况。
目前，在移动通信基站设备系统中，应用的节能技术主要包括如下两种。第一，高效功放技术，其中包括Doherty技术、包络跟踪技术以及包络消除技术等。在实际设备节能工作中应用范围最广的技术为Doherty技术，该技术在实际应用的过程中具有负载牵引力，保证均值放大器和峰值放大器在饱和状态下，提升整个移动通信基站的功放效率。而将该技术与数字预失真技术相互结合，与传统功放技术相比，能够提升功放效率27%以上，生产难度较低，所占体积较小，可靠性高，使用成本低，因此该技术具有较高的应用价值。
第二，分布式基站技术。该技术主要将基站分为两部分，分别为基带和射频。这种方式能够降低射频产生的馈线损耗量。此外，该技术对使用环境的要求不高，不需要空调控制温度，也不需要建设机房，因此应用成本也较低。在基站近端，可以将电源、传输系统以及监控系统安装在一个机房内，保证移动通信基站中集中供电质量。这种方式能够实现整个基站的集中供电，降低维护管理难度，适合大范围应用。
2.2电源设备节能
2.2.1开关电源节能
采用开关电源智能休眠技术，通过基站高频开关电源智能化控制技术，自动关闭冗余模块使系统工作在最佳效率点，从而实现节能降耗。
2.2.2蓄电池节能
（1）蓄电池温控柜。a.室内型恒温电池柜。主要由柜体、电池架和空调构成，可控制柜内温度在15-25℃范围内。b.室外型恒温电池柜。室外一体化电源蓄电池仓采用独立温控设计，使用TEC半导体空调进行温度调节，为蓄电池提供良好的工作环境。
（2）蓄电池地埋。蓄电池采用地埋方式可以防盗，也可减小室外高温对电池寿命的影响，延长电池寿命。但电池地埋必须解决好防水、通风散热、排气等问题。
（3）铁锂电池。铁锂电池具有以下优点：循环寿命长;体积小重量轻;对环境无污染;适用于室外环境，工作环境温度范围要求较宽;安全性高;充电速度快。
2.3基站供电系统节能方案
移动通信基站中的供电系统主要负责给基站中的所有用电设备供电，为了降低其存在的能量损耗，可以将电源智能休眠技术应用其中，保证整流模式处于最佳状态，减少其存在的带载损耗以及空载损耗，从根本上实现供电系统的节能环保。此外，还可以将太阳能和风能等能源应用其中，替代原有的能源。这种方式能够拓展移动通信基站的建设范围，使其能够在我国偏远地区建设。
目前，移动通信基站供电系统中应用的节能技术为开关电源休眠技术，根据供电系统中电流的负荷情况，对整流模块的工作进行有效调整，同时采用软开关技术，实现工作整流模块数量的自动调整。例如，整个供电系统的负荷量较小，则该部分模块能够处于休眠状态，保证其他模块的运行状态，降低系统中出现的空载损耗情况，进而实现供电系统的有效节能。
在移动通信基站节能方案应用的过程中，需要保证方案设计的安全性，将机房温度控制在10～35℃，空气质量保持在B级以上。节能技术的应用需要保证多样性和可行性，根据基站建设的实际情况，选择相应的节能技术，进而将节能技术的应用价值充分发挥出来。此外，经济性也是节能措施制定的主要影响因素之一，充分考虑网络发展能力以及经济情况，确定方案实施的投资回报，避免出现回报收益小于投资的情况。针对使用的技术展开评价，确定其在实际应用中的有效性，保证最终节能措施在移动通信基站中的应用效果。
结语
由于5G在2020年以前以存量站点系统叠加为主，后期逐渐向杆站过渡做深覆盖。因而5G电源部署，要充分考虑现网站点电源的扩容和改造场景，最大限度地利旧现网资源，简化部署流程，降低能源投入。基于5G应用场景、网络架构、设备演进、业务发展以及客户需求，5G电源应具有取电多样化、供电升压化、配电精细化和智能运维化的发展趋势。
参考文献
[1] 张宁，杨经纬，王毅，等.面向泛在电力物联网的5G通信：技术原理与典型应用[J].中国电机工程学报，2019，39（14）：4015-4025.
[2] 吴华勇，王安林，顾华.5G供电解决方案研究[J].通信电源技术，2019，36（增刊1）：1-3.
[3] 梁晖，姚利民.面向5G现网电源配套系统改造方案研究[J].通信电源技术，2019，36（6）：181-184.
[4] 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，2018，35（8）：245-247.
[5] 支娜，张辉.直流微电网改进分级控制策略研究[J].高电压技术，2016，42（4）：1316-1325.