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通信基站供電系統變革趨勢研究

2013/6/19 21:45:51 電源在線網

摘要：隨著移動基站主設備的變革，根據節能的需要，基站供電系統也要進行演變，向多樣性方向發展，在基站供電系統采用新技術和可循環新能源是必然趨勢。

1.現狀分析

針對移動基站主設備演變、現網供電系統及環境用電情況進行詳實分析。

1.1基站主設備在變革

隨著移動通信網的更新換代，基站主設備網絡建設方式也在發生重大變革，3G網絡正在普及應用，4G建設步伐也在不斷加快，各通信設備廠商將3G網絡分布式基站建設經驗應用到2G網絡的更新上。分布式基站采用射頻模塊拉遠技術，將射頻拉遠單元（RRU ）安裝在天線端，通過光纖連接到宏碁站或獨立的基帶單元。RRU是一種室內、外一體化設備，具有容量大、易安裝、環境適應性強的特點。BBU是一種易安裝的基帶單元設備，具有體積小的特點，不需要特別的機房，可以安裝在過道、樓梯間、地下室等狹小的空間。分布型移動通信基站將原網絡BTS物理層面分成兩部分，即BBU和RRU。BBU是信源設備安裝在信源站內，信源站自身的收發設備RRU安裝在室外塔上，RRU通過光纜傳輸也可異地安裝。初始的分布式基站解決方案是一種無機房或機房位置不理想的情況下，經濟快速的無線網絡建設方案。隨著分布型移動基站技術應用，分布型移動通信基站正在從擴容建設向2G更新擴展，使基站2G.3G.4G主設備逐步向分布型移動基站演變。見下圖：

中國移動某省公司新建移動基站采用分布基站，還改造了部分BTS基站，有近50%的基站主設備進行了分布式改造，實現了2G.3G同步分布。見下圖：

1.2 現網移動基站供電系統及環境用電情況分析

(1) 分布型移動基站耗電情況分析

以阿爾卡特BTS為例，平均單載頻用電功率為119 W～135W；分布型移動基站BBU用電功率為300W，每臺BBU可帶多臺RRU，RRU用電功率為240W，每臺RRU相當于BTS 6個載頻，平均每個載頻耗電為50W。采用新的分布技術建設基站，使移動通信基站主設備用電量大幅下降。以金廠基站為例，該站原為BTS宏蜂窩站，5/4/11/8配置，最高負荷60.62A/53.5V，最低高負荷45.82A/53.5V；而改為分布基站后，原配置不變情況下，采用1臺BBU，6臺RRU，用電負荷下降到23.52A，降低了50%。基站改造前后通信用電實時曲線見下圖：

某室外信源+RRU基站，采用1臺BBU，3臺RRU，1臺BBU用電功率為0.3KW，1臺RRU+線損用電功率為0.3KW，傳輸等用電功率為0.085KW。理論計算實際用電量17529KWH，通信用電量為11256KWH，占總電量的64.21%；環境用電量6273KWH，占總電量的35.79%。見下表：

某室外RRU基站，采用2臺RRU，1臺RRU+線損用電功率為0.3KW。理論計算理論計算實際用電量7994KWH，通信用電量為5253KWH，占總電量的65.71%；環境用電量2741KWH，占總電量的34.29%。見下表：

通過上述四種類型分布基站用電情況分析發現，環境用電量與現網供電方式BTS基站用電比例發生的變化不是十分顯著，見下表：

產生這種情況是由現網移動基站供電系統造成的，現網移動基站供電系統中的閥控鉛酸蓄電池對溫度要求較高，環境溫度的變化對電池的運行的壽命、放電容量、浮充電壓都有影響。持續過高的環境溫度會造成浮充電流加大，內部熱量增加，失水過快，最終導致熱失控，電池損壞。閥控鉛酸蓄電池運行在環境溫度25℃時，在正確的維護條件下，壽命可達8年，如環境溫度在25℃基礎上上升10℃，閥控鉛酸蓄電池浮充使用壽命將縮短50%。夏季30℃以上環境會造成閥控鉛酸蓄電池的浮充使用壽命大幅縮短。見下圖：

C.電源專業維護不到位

隨著移動運營業競爭不斷加劇，網絡建設的步伐不斷加快，移動通信基站數量大幅增加，以中國移動某市級分公司為例，在2011年前有基站1046處，全區基站維護人員56名，承擔工程建設，承擔無線、數據、傳輸、電源設備維護及故障處理、用戶投訴處理及硬件優化等工作，工作任務十分繁重，同時客觀存在對電源系統沒有具體的經濟、技術指標考核，造成對基站電源系統維護工作忽視；電源維護人員是由無線專業人員兼任的，專業素質及工作能力也不能滿足電源專業維護需求，為此就造成基站電源原因退服，根據統計電源原因退服高達25％。同時電源系統年年投資，電源系統年年影響通信情況不斷。

隨著移動通信基站建網方式的改變，必將引發移動通信基站供電系統的變革，這種改變使移動通信基站供電更加安全可靠，同時減少移動通信基站空氣調節用電比重，減少鉛酸蓄電池的用量，逐步擴大新能源應用空間，供電系統日常維護工作量大幅減輕，開創一個移動通信基站供電系統新局面。

2.新型移動通信基站供電系統研究

新型移動通信供電系統將是依據供電、地理、通信業務量條件而變化的，由多種方案組成的供電系統。其組成原則：完全可靠、節能、綠色、少維護。

2.1.現網通信基站供電系統

現網移動基站供電系統是依據BTS基站主設備用電情況而設計的，由市（農）電引入、交流配電、48V開關電源、48V鉛酸蓄電池組、直流配電、DV/DV升壓電源、空調機等組成。見下圖：

現網移動基站供電系統在現網分布式基站供電中，存在對RRU供電壓降過大，環境用電量高。長遠看，在電源設備壽命期內，可作為過渡性電源系統應用。

2.2 高壓直流電源系統

現網分布站采用小型UPS作為自備供電電源，該電源存在體積大、安裝受到局限；后備時間短不能滿足基站保證供電時長要求；環境溫度對電池壽命影響嚴重；用電效率低；投資成本高；可維護性差等問題。高壓直流對交流UPS的替代是必然趨勢。

高壓直流電源系統由市（農）引入、交流配電、280V開關電源、280V鉛酸蓄電池組、直流配電、節能空調設備等組成。見下圖：

高壓直流電源系統具有以下優點：

A. 可靠性大幅提升。應用高壓直流供電技術的主要目的就在于提升系統的安全性。UPS系統本身僅并聯主機具有冗余備份，系統組件之間更多地是串聯關系，其可用性是各部分組件可靠性的連乘結果，總體可靠性低于單個組件的可靠性。反觀直流系統，系統的并聯整流模塊、蓄電池組均構成了冗余關系，不可靠性是各組件連乘結果，總體可靠性高于單個組件的可靠性。理論計算和運行實踐都表明，直流系統的可靠性要遠遠高于UPS系統，一個例證就是大型直流系統癱瘓的事故基本沒有。

B. 效率大大提高。目前大量使用的UPS主機均為在線雙變換型，在負載率大于50%時，其轉換效率與開關電源相近。但一個不容忽視的現實是，為了保證UPS系統的可靠性，UPS主機均采用n+1（n=1、2、3）方式運行，加之受后端負載輸入的諧波和波峰因數的影響，UPS主機并不能滿足運行，通常UPS單機的設計最大穩定運行負載率僅為35～53%。而受后端設備虛提功耗和業務發展的影響，很多UPS系統通常在壽命中后期才能達到設計負載率，甚至根本不能達到設計負載率。UPS主機單機長期運行在很低的負載率，其轉換效率通常為80%多，甚至更低。對于直流電源系統而言，因其采用模塊化結構，可根據輸出負載的大小，由監控模塊、監控系統或現場值守人員靈活控制模塊的開機運行數量，使整流器模塊的負載率始終保持在較高的水平，從而使系統的轉換效率保持在較高的水平。

C. 輸入參數大大改善。現場測試發現，目前常用的12脈沖在線雙變換型UPS主機，加裝11次濾波器后，其輸入功率因數通常在0.8～0.9，最大僅為0.95，輸入電流諧波含量通常在7.5%左右。與此對應，由于PFC電路的應用，額定工況下，開關整流器模塊的輸入功率因數通常都在0.99以上，輸入電流諧波含量通常在5%以下。輸入參數的改善的直接效果是前端設備的容量可以大大降低，前端低壓配電柜可以不再配置電抗器，從而也可以降低補償電容的耐壓要求。

D. 帶載能力大大提高。UPS系統帶載能力受兩個因素的制約，一是負載的功率因數，以國內某大型UPS廠商的某型主機為例，在輸出功率因數為0.5（容性）時，其最大允許負載率僅為50%；二是負載的電流峰值系數，通常UPS主機的設計波峰因數為3，如果負載的電流峰值系數大于3，則UPS主機將降容使用。對于直流系統而言，不存在功率因數的問題；因其并聯了內阻極低的大容量蓄電池組，加之整流器模塊有大量的富余（充電和備用），其負載高電流峰值系數的負荷能力很強，不需專門考慮安全富余容量，可做主基站集中供電總備用電源。

E.傳輸壓降小。直流電纜線路沒有交流電纜線路中電容電流的困擾，沒有磁感應損耗和介質損耗，基本上只有芯線電阻損耗，絕緣電壓相對較低，直流輸電技術更適合遠距離傳送，符合目前國家提出的節能降耗和環保要求屬于綠色環保供電方案。

2.3 卷繞式閥控密封蓄電池

高壓直流電源系統采用SPB系列卷繞式閥控密封蓄電池。卷繞式閥控密封蓄電池（SPB系列）是一種新型鉛酸蓄電池，該電池采用純鉛板柵配備獨特的卷繞式結構，具有很高的裝配壓力和開閥壓力，大大減少了電池失水。相比普通鉛酸電池而言，該電池具有更優異的高低溫放電性能及大電流放電性能，更高的安全性，更好的快速充電能力等優點。根據應用領域不同，電池有三種設計：循環型、起動型及太陽能專用。其優勢在于：卓越的高低溫性能，可在-55℃~75℃下工作；良好的PSOC狀態工作能力；優秀的小電流充電接受能力；無游離電解液，可任意方向放置工作；平穩的高輸出電壓，更高的功率密度；長壽命，浮充使用設計壽命15年，在太陽能領域的設計壽命10年；可以進行快速充電，40分鐘內可充入95％以上的電量；良好的電池一致性，可多組串并聯使用；長達2年的儲存期。

卷繞式閥控密封蓄電池結構、產品規格和主要參數見下圖：

高壓直流電源系統通過試驗，能夠滿足各種分布式基站供電，優點是適應環境能力高于常規鉛酸蓄電池，既可室內安裝，也可室外應用；對RRU供電線損小，可以直流拉遠直供。是現網移動基站供電系統替方案。

2.4 鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池是一種新型環保材料的電池，其本身具有體積小、重量輕、能量密度高、長壽命、耐高低溫、安全性能好、環保無污染等優點，與鉛酸電池用于基站應用相比，具有無可比擬的優越性。可歸納下述特點：

高效率輸出，標準放電為2～5C、連續高電流放電可達10C，瞬間脈沖放電（10S）可達20C；

高溫時性能良好，外部溫度65℃時內部溫度則高達95℃，電池放電結束時溫度可達160℃，電池的結構安全、完好；環境適應能力強，即使電池內部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸，安全性最好；極好的循環壽命，經500次循環，其放電容量仍大于95%；過放電到零伏也無損壞；可快速充電；低成本；對環境無污染。

2.5 超級電容器

超級電容器又叫雙電層電容器是一種新型儲能裝置，它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點。超級電容器用途廣泛。它是一種電化學元件，但在其儲能的過程并不發生化學反應，這種儲能過程是可逆的，超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應。因此性能是穩定的，與利用化學反應的蓄電池是不同的。也正因為此超級電容器可以反復充放電數十萬次。超級電容器可以被視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。而超級電容器以其優異的特性揚長避短，可以部分或全部替代傳統的化學電池，由于它們固有的使用壽命短、溫度特性差、化學電池污染環境、系統復雜、造價高昂等致命弱點，一直沒有很好的解決辦法。在通信供電系統某些場景，超級電容器可替代鉛酸蓄電池參與供電。

2.6 基站電源控制器

基站電源控制器由新能源控制器、市電計量表、單相整流器、兩個雙相切換開關、儲能器件、多個輸出配電支路組成。基站電源控制器可承擔三種不同電源輸入，由兩個雙相切換開關控制對負荷供電，儲能器件在新能源供電時起到平滑供電電壓作用，起到電源切換時供電作用，起到延長基站供電保證時長等作用，詳見下圖。

2.7 市(農)電/高壓直流拉遠互補供電：

市(農)電/高壓直流拉遠互補供電系統由二套電源供電，平時由市(農)交流電供電，可以大幅降低拉遠供線路損失；用鄰近主基站電源系統高壓直流拉遠電源做備用電源，實現多站集中供電保證。這種供電方式做到了，節電、減少電源沒備投資、減少維護工作量、供電可靠性大幅提升。供電系統見下圖：

2.8 風電/高壓直流拉遠互補供電：

我國風能資源豐富，可開發利用的風能儲量約10億kW，其中，陸地上風能儲量約2.53億kW（陸地上離地10m高度資料計算），海上可開發和利用的風能儲量約7.5億kW。而2003年底全國電力裝機約5.67億kW。大多農村基站座落在高山和寬闊的平地上，平均塔高在40米以上，可以很好的利用風力發電，給基站提供第一套供電電源。根據有關資料研究，下圖為地面10米的有效風功率密度，每升高10米，有效風功率密度增8%。農村分布式移動通信基站用電量較小，大多在1KW以下，為小型離網式風力基站供電提供了廣闊空間。

風電/高壓直流拉遠互補供電系統由風力發電機、儲能電容器、市（農）電引入、高壓直流拉遠供電、風電/市電/高壓直流控制器風電、用電負荷等組成，用儲能電容器取代鉛酸蓄電池進行濾波和電力儲存。見下圖：

2.9 太陽能/高壓直流拉遠互補供電：

我國有著十分豐富的太陽能資源。全國各地太陽年輻射總量為3 340 r-J 8 400MJ/m2，中值為5 852MJ/m2。從中國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、寧夏南部、甘肅、內蒙古南部、山西北部、陜西北部、遼寧、河北東南部、山東東南部、河南東南部、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區的太陽輻射總量很大。分布式移動通信基站用電量較小，很適合應用太陽能供電。見下圖：

太陽能/高壓直流拉遠互補供電系統由太陽能電池板、儲能電容器、市（農）電引入、高壓直流拉遠供電、太陽能/市電/高壓直流控制器、用電負荷等組成，用儲能電容器取代鉛酸蓄電池進行濾波和電力儲存。見下圖：

2.10 DV/DC升壓技術：

采用直流拉遠集中后備供電技術，在某些應用場景存在供電線路過長或供電線徑小，使線路壓降過大，限制該方案的實施。在供電線路中段采用DC/DC升壓技術，將供電傳送距離增加一倍以上。見下圖：

3. 分布式移動通信基站供電方案

根據基站所處自然環境、場景，以及用電功率等分析，制定出各種供電方案，必將體現出基站供電系統方案的多樣性。

3.1. 供電方案設計原則：

分布基站供電方案要遵循通信電源系統運行質量指標的“五性”來設計，即：可靠性、可用性、少維性、可節電性、安全性。

3.2. 鏈形供電方案：

目前直流拉遠供電線路與光纜線路同路由，因而分布基站供電可采用鏈形供電方案，在某段光纜線路中間隔2～4處(6KM范圍內，如超過此距離可加裝DC/DC升壓器)基站，選取一處維護方便、通信業務較大的機房站作為主備用供電基站，兩主備用供電基站間基站作備用受電基站。有條件的備用受電基站由三路電源供電，主供是新能源（風電或太陽能），一備是市(農)電，二備是直流拉遠。平時由風電或太陽能供電，當風電或太陽能發電不能滿足基站供電需求時，轉換到市(農)電，由市(農)電供；當市(農)電停電時，再轉換到直流拉遠，由直流拉遠供電；轉換過程由超級電容器保證供電不中斷，該控制過程由基站電源控制器完成。見下圖：

上圖是現網基站電源系統組成的改造供電方案，充分利用現有電源設備資源，將其利用率達到最大化。

下圖是新建高壓直流電源系統組成的供電方案，適用于新建或現網電源更新。

沿鏈形光纜路由建成鏈形供電網，將大幅提升分布式基站供電安全。

3.3. 環形供電方案：

為了提升某些基站光纜傳輸可靠性，在大的傳輸光纜環中存在許多小的光纜傳輸環，沿現有光纜傳輸小環，實施環形供電方案，在某段光纜線路中間隔2～4處(6KM范圍內，如超過此距離可加裝DC/DC升壓器)基站，選取一處維護方便、通信業務較大的機房站，作為主備用供電基站，兩主備用供電基站間基站作備用受電基站。有條件的備用受電基站由三路電源供電，主供是新能源，一備是市(農)電，二備是直流拉遠。平時由風電或太陽能供電；當風電或太陽能發電不能滿足基站供電需求時，轉換到市(農)電，由市(農)電供；當市(農)電停電時，再轉換到直流拉遠，由直流拉遠供電；轉換過程由超級電容器保證供電不中斷，該控制過程由基站電源控制器完成。見下圖：

左圖是現網基站電源系統組成的改造供電方案，充分利用現有電源設備資源，將其利用率達到最大化。

右圖是新建高壓直流電源系統組成的供電方案，適用于新建或現網電源更新。

沿光纜傳輸環路建成環形供電網，將大幅提升分布式基站供電安全。

3.6. 樓宇、住宅小區集中供電方案：

在車站、商場、賓館、居民小區等場所建設基站和無線寬帶時，采用住宅小區集中供電方案，見下圖：

高壓直流電源系統組成的供電方案，適用于新建或現網電源更新。

建成集中供電網，將大幅提升分布式基站供電安全，減少投資，減少維護量。

4. 分布基站新供電系統評估

4.1 技術評估

分布基站新供電系統是高壓直流電源技術、高壓直流集中遠供電技術、新能源基站供電技術及本地市（農）等集成的供電方案，通過基站電源控制器實現對分布基站不間斷供電，真實的實現了基站云供電。所涉及的技術都是成熟技術，通過了大量的理論研究和應用實驗。工信部和各大電信運營商出臺了《技術規范》。在電力傳輸環境允許條件下，可以組成相對閉合的供電網，有效提升了移動通信供電系統的可靠性、完全性。由于分布基站可室外安裝，不用進行環境溫度調節，節省了空調或環境節能設備投資，實現了移動通信基站節能最大化。由于移動通信基站減去了環境溫度調節用電負荷，使移動通信基站采用新能源為主的供電成為可能，為大量采用新能源打開了空間。分布基站新供電系統的實現，在技術上解決了目前移動通信基站電源維護三大難題，一是大幅減少基站電源系統維護工作量；二是大幅減少電池使用組數，為提高電池維護質量提供了可能；三是多電源聯網供電，解除了應急發電之苦。

4.2 經濟評估

以中國移動某市級分公司以采用分布基站為例，現有分布基站980處，其中，自備電源860處，高壓直流遠供80處，本地高壓直流供電6處，無自備電源站34處。將現網基站自備電源860處的五分之三改為分布基站新供電系統進行經濟分析：

(1)大量減少現網鉛酸蓄電池的用量。

現網基站自備電源860處有48V500AH電池1720組。建設344處供電主基站，考慮高壓直流遠供負荷，每處供電主基站采用48V500AH，需電池1032組即可，減少48V500AH電池688組，減少投資1513.60萬元。

(2)減少基站空調用電或環境節能投資。

現網基站自備電源860處有5P空調360臺，3P空調500臺。改建為344處供電主基站后，由于分布基站熱負荷減小，344處供電主基站采用3P空調即可，減少空調516臺，減少投資412.80萬元。按每臺空調年用電量7000KWH計算，可減少用電3612000KWH，年節約電費325.08萬元。

(3)大幅減少供電線路壓降損失。

采用以新能源或本地市（農）為主，高壓直流遠供為輔供電，平均每處分布基站產線損減少700KWH(以80W為例)，516處分布基站減少線損361200KWH，節省電費32.51萬元。

(4)大量減少應急發電次數。

根據2013年應急發電次數統計，該市全年應急發電360站次，平均每次應急發電費用(不含人工成本)1000元，全年應急發電費用36.00萬元，全年可節省應急發電費用28.80萬元以上。以每次發電用燃油30公升計算，年節油6480公升。

(5)大幅減少基站電源維護量。

由于該分公司地處山區，現有基站860處，按每季維護一次計算，每年要進行3440次電源維護。改建供電主基站選取地理條件便于維護地區，平時只對344處供電主基站進行維護，年電源維護次數為1376次。減少基站電源維護量60%。以每站次維護車輛用油10公升計算，年節油20640公升，節省油費15.48萬元。

(6)為大量采用新能源提供了可能。

分布基站用電負荷大多在1KW以下，新能源投資大幅減少，回收期縮短，為離網式新能源在基站供電系統普及應用打開了空間。以1KW用電負荷分布基站為例，516處基站年用電量4520160KWH，如采用新能源供電為40%，年節電為1808064KWH，年節省電費162.73萬元。

860處分布基站，年節電5791364KWH，年節油20640公升，年節能運營成本564.6萬元，節省投資1926.4萬元。

4.3 社會效益評估

采用分布基站新供電系統，在做到基站節能最大化的同時，可節省燃油27120公升，減少鉛投放627.46噸，還會減少大量的污染物排放，產生極大的社會效益。以中國移動某市級分公司已采用分布基站為例，根據專家統計數據：每節約1度(每千瓦)電，就相應節約了0.4千克標準煤，折算成排放物---減少排放0.997千克二氧化碳、0.272千克粉塵、0.03千克二氧化硫、0.015千克氮氧化物。見下表：

第一作者：

王澤：男民族：漢族年齡：61歲從事通信電源專業工齡：43年專業技能：通信電源技師曾任吉林移動通信有限公司通化分公司電源維護主管中國移動通信集團公司電源專業專家吉林移動通信有限公司電源專業專家組成員。

第二作者：

魏玉清：男，漢族，1973年出生，大學學歷，助理工程師。現任中國移動吉林公司通化市分公司網絡部經理。

第三作者：

楊寧：男，漢族，1974年出生，大學學歷，助理工程師。現任中國移動吉林公司通化市分公司網絡部無線電源管理。<