技术与标准丨5G基站供电与制冷节能技术探讨
作者简介
余 斌
中国信息通信研究院泰尔认证研究所所长，中国通信标准化协会通信电源与局站环境技术工作委员会主席，高级工程师，主要从事通信电源、机房配套产品设备与设施标准研究与制定工作、产品检测与管理工作。
于海滨
中国信息通信研究院泰尔系统实验室工程师，主要从事通信电源新技术与标准研究、产品检测工作。
论文引用格式：
余斌, 于海滨. 5G基站供电与制冷节能技术探讨[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(6):85-90.
5G基站供电与制冷节能技术探讨
余斌1 于海滨2
（1. 中国信息通信研究院泰尔认证研究所，北京 100088；2. 中国信息通信研究院泰尔系统实验室，北京 100191）
摘要：随着信息通信业的快速发展以及“新基建”的加速推进，我国5G网络的基础设施建设也步入了高速发展的轨道。5G网络在具备高速率、大容量、低时延、高可靠等特性的同时，5G基站的单站功耗也有了数倍的增长，实现5G基站节能运营尤为重要。探讨了5G基站供电系统和制冷系统的节能技术，以助力5G基站安全可靠、绿色低碳运行。
关键词：5G基站；供电；制冷；节能
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A
引用格式：余斌, 于海滨. 5G基站供电与制冷节能技术探讨[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(6):85-90.
doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.06.012
0 引言
2019年11月1日，我国开始5G商用化，国内的通信运营商在国家大力发展5G基础设施的政策引领下，积极开展5G相关基础设施的建设，与此同时，我国5G基站的数量呈现了爆发式的增长。截至2019年年底，我国5G基站数量达到13 万个；2020年6月，我国5G基站数量达到25 万个；2020年年底，我国已建成全球最大的 5G网络，5G基站的数量达71.8 万个。预计到2021年年底，我国5G基站的总数将达到150 万个，而到2030年，我国5G基站数目可能达到1500 万个[1]。
从4G网络发展到5G网络，通信设备的能耗、功率密度和数量都有了大幅增长，基站单站功耗成倍上升，再加上飞速增长的5G基站数量，大量的能源消耗迫使通信运营商采取各种节能降耗的措施。2021年3月15日，习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上强调，实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，拿出抓铁有痕的劲头，如期实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标[2]。5G基站的节能安全运行将有力推动我国实现碳达峰、碳中和目标。
1 供电系统节能技术
供电系统是通信基站内最关键的基础设施，直接决定着整个基站能否安全有效运行，一旦供电系统出现故障，供电质量下降或供电中断，就会引起通信系统的中断，严重时会造成巨大的经济损失，所以供电系统的节能措施要在不影响系统供电安全的前提下，实现节能降耗。基站的供电系统如图1所示，目前的供电系统节能技术主要集中在提高电源设备能效、引入新能源取代或部分取代市电以及根据峰谷电价错峰用电等方面。
图1 基站供电系统示意图[3]
1.1 高频开关电源系统
高频开关电源系统的主要核心部件是整流器，整流器的效率直接影响高频开关电源系统的效率。通常通信基站在设计时会考虑到冗余配置，这就导致在基站实际运行时，通信设备负载电流通常工作在整流器的50%负载率以下，闲时负载率将会更低。
某品牌普通50 A整流器和高效50 A整流器的效率曲线对比如图2所示，当负载率为50%时，高效整流器效率可达98%，普通整流器效率则只有92%，效率的差距足有6%；在30%的低负载率下，高效整流器的效率仍然有97%的水平，而普通整流器的效率值刚刚达到90%，这时效率的差距超过了7%。表1是2020年中国通信标准化协会发布的通信行业标准，YD/T 2435.3-2020《通信电源和机房环境节能技术指南 第3部分：电源设备能效分级》[4]给出了整流器效率分级，该标准推荐选用高能效等级的整流器，以达到较好的节能效果。
图2 某品牌普通50 A整流器和高效50 A整流器效率曲线
表1 48 V整流器的效率分级[7]
高效整流器的效率虽然远高于普通整流器，但其采购价格也远高于普通整流器，昂贵的采购成本会使得运营商望而却步，高效整流器和普通整流器混插技术和整流器智能休眠技术可以很好地解决这个难题。整流器智能休眠技术是指开关电源的监控系统可以根据负载率变化选择性地开启一部分整流器、智能休眠一部分整流器，以使开启的整流器始终处于效率较高的区间，提升整体能效。高效整流器和普通整流器混插技术使开关电源系统可以同时配置高效整流器和普通整流器，系统能够智能识别槽位中的高效整流器和普通整流器，在较低负载率时，监控系统智能休眠普通整流器，开启高效整流器，提升系统能效，这项技术使通信运营商可以同时采购高效整流器和普通整流器，并在保持开关电源系统高效工作的同时降低整流器的采购成本。
1.2 5G一体化电源系统
5G网络建设的速度逐渐加快，分布式站点布局越来越多，分布式站点的电源系统需求也日益提升。因为5G网络传输的特殊性，在靠近居民区、商业区等人流密集场所，传统的供电方案难以适配，急需一种新的电源系统解决方案。
5G一体化电源系统具有体积小、重量轻、效率高、灵活取电、快速安装、免维护等特性，可以安装在城市街道、高速路旁、居民楼道、楼顶、弱电井、地下车库等多种场景，支持壁挂、抱杆、旗装、平装及落地等多种安装方式，是5G微基站建设比较理想的电源解决方案。5G一体化电源系统由电源模块和电池模块两部分组成，均为铝制外壳，可以达到IP65防护等级的要求。电源模块和电池模块均无散热风扇，内部结构采用隔离设计，整体采用自然散热方式。电源模块220 V交流输入，可以提供多路-48 V直流输出，且输出分路具有分级下电功能，在交流停电的情况下，系统可以智能地根据电池电压、电池容量或停电时长等设定进行分路下电控制。电源模块具有输入电量计量和输出分路电量计量功能，方便多用户计费。电源系统内置监控单元，支持蓝牙和无线传输方式接入远程监控系统，可以实现远程维护，实时监测运行状态，智能管理设备运行，大大降低运营维护费用。
1.3 新能源供电系统
通信基站供电系统如果能够引入新能源作为能源输入，可以极大地降低电费支出。太阳能和风能作为清洁的可再生能源，其技术发展至今已经十分成熟，利用风能和太阳能这些绿色可再生能源配合高频开关电源系统使用，可以起到很好的节能效果。
新能源供电系统如图3所示，在太阳能充足的情况下，光伏供电系统作为唯一电源为通信设备供电，同时为蓄电池组充电；当光照不足，太阳能无法满足通信设备负荷时，高频开关电源系统开始工作。当太阳能充分恢复足以为负载供电时，高频开关电源系统将关闭，整个电源系统可以最大限度地利用太阳能，减少电网电力消耗。
图3 新能源供电系统示意图
在光伏供电模式下，光伏系统的输出电压将始终高于开关电源系统整流器的输出电压，这样光伏系统可以保持最大输出功率，尽可能多地使用太阳能。如果光伏系统的输出不能够满足通信设备负荷，光伏系统的输出电压将降低至整流器的电压，这时通信设备负载由整流器供电。整个运行过程中，光伏系统输出和整流器输出能够智能地根据负载变化进行动态调整，以最大限度地使用太阳能，同时保障通信设备正常运行。对于光伏或风能供电系统，只适用于太阳能、风能资源较丰富地区，可以起到很好的节能降耗效果。
1.4 峰谷储能技术
通信基站内的蓄电池组通常按照高频开关电源系统的额定容量进行配置，而在实际使用中，高频开关电源系统的负载量通常在额定功率的50%以下，这就使得通常情况下基站内的蓄电池组都存在着一定的富余容量。对于存在峰谷电价差的地区，可以利用基站内的蓄电池组应用峰谷储能技术（削峰填谷技术）降低电费成本。
如图4和表2所示，在高电价时，通信设备全部或部分由电池供电，另一部分由开关电源系统供电，此时的蓄电池组处于放电状态，这样可以在电价高的情况下尽可能避免使用市电供电，同时在此期间开关电源系统也不为电池充电，以节省电费。在中电价时，由开关电源系统为通信设备供电，此时的蓄电池组既不充电也不放电。在低电价时，开关电源系统为通信设备供电，同时为蓄电池组充电。如此一来，可以根据峰谷电价的高低差异，低成本有效利用市电，减少电费支出。
图4 蓄电池组峰谷储能示意图
表2 峰谷储能时间和供电表
2 制冷系统节能技术
通信基站内的电源设备和通信设备等都需要在一定的温湿度条件下运行，同时对空气的清洁度也有一定的要求。基站内的电源系统、配电系统以及通信设备在运行过程中都会发热，因此要保证基站维持一定的温湿度，需要配置合适的制冷系统。目前，在大部分无人值守的基站，制冷系统都是不间断地工作，其耗电量占总耗电量的占比超过40%。目前，基站内普遍使用舒适性家用空调，空调设备无法接入动环监控系统，智能化程度较低。
2.1 智能热交换系统
智能热交换系统利用室外自然冷空气作为冷源，当室外空气温度与基站内空气温度差达到一定程度时，采用换热系统利用室外冷空气降低室内空气温度。如图5所示，智能热交换系统主要由换热芯体、室内侧风机、室外侧风机、控制器、环境监测传感器和其他附件组成[5]。
图5 智能热交换系统组成示意图
智能热交换系统的基本工作原理基于室内外温度数据，室内温控目标温度用T0表示，热交换系统启动温度用T1表示，基站空调启动温度用T2表示，设备停机温度用Ts表示，其中T2 >T1 >T0 >Ts。控制系统通过室内和室外的温湿度传感器持续监测基站室内和室外的空气温湿度，当基站内温度低于Ts时，热交换系统和基站空调均不运行，当基站内温度达到T1且T0与室内外温差满足运行条件时，热交换系统启动运行，当温度低于Ts时，系统停止工作以节能，如果热交换系统不能满足室内降温，基站内温度超过T2，控制系统就会启动基站空调进行降温。
智能热交换系统适用于室内外温差较大的地区，可以很好地降低空调能耗，同时延长空调压缩机的使用寿命，降低通信运营商的运营维护成本。
2.2 热管换热系统
热管换热系统利用室内外温差，通过封闭管路中工质的蒸发、冷凝将室内的热量传递到室外，形成动态热力平衡的循环，维持基站内工作环境稳定。热管换热系统主要由室外冷凝器、室内蒸发器、连接管、控制系统及温湿度传感器等部件组成（见图6）[6]。
图6 热管换热系统组成示意图
热管换热系统的基本工作原理基于室内外温度数据，室内温控目标温度用T0表示，热管换热系统启动温度用T1表示，基站空调启动温度用T2表示，设备停机温度用Ts表示，其中T2>T1>T0>Ts。控制系统通过室内和室外的温湿度传感器持续监测基站室内和室外的空气温湿度，当基站内温度低于Ts时，热管换热系统和基站空调均不运行以节约能源消耗。当基站内温度达到T1且T0与室内外温差满足运行条件时，热管换热系统启动运行，当温度低于Ts时，系统停止工作以节能。如果热管换热系统不能满足室内降温，基站内温度超过T2，控制系统就会启动基站空调进行降温。
2.3 液冷散热技术
液冷散热技术对比传统制冷系统，具有散热效率高，能耗低等优点，目前在数据中心机房等应用较多，在基站内的应用较少，预计随着技术发展，会逐渐得到广泛的应用。
3 基站智慧能源管理系统
基站智慧能源管理系统不同于传统的基站监控系统，它具有统计数据分析、数据挖掘、能耗评价、能耗优化和节能控制等多种功能，能够更好地提升能效并且帮助运维人员管理基站运行。智慧能源管理系统由分布在电源设备和基站内其他设备上的传感器、测量仪器、控制器、有线或无线传输网及服务器组成（见图7） 。
图7 智慧能源管理系统组成示意图
采用智慧能源管理系统的基站在运行时，传感器和测量仪器采集电源设备输入、输出端电压、电流、功率、温度以及基站内外环境参数等，并将采集到的这些数据通过有线或无线网传输到服务器，服务器对这些实时采集的数据进行处理和分析，再通过控制器对基站内的制冷设备和电源设备进行动态调整，以适应基站内外不同的环境或负载条件。基站智慧能源管理系统可以极大地提高基站能效，同时帮助运维人员重点关注潜在的安全问题，如负载电流瞬时增大、局部温度过热等，防患于未然。
通过大量的数据整理和分析，智慧能源管理系统可以实现自身的不断优化，配合人工智能技术的发展，选择最适合自身基站的管理模式。智慧能源管理系统可以减轻运维人员的压力，有助于基站安全、高效、绿色运行。
4 结束语
5G的全面商用引领人们走进快速发展的数字化社会，可以预见，5G网络的需求将飞速增长，5G相关的应用场景会越来越多，5G基站的建设将越来越快。基于此，5G基站的节能降耗也会是大家持续关注的热点。随着公众关注度的提高，新技术和新产品的不断涌现将更好地助力我国5G网络发展和双碳目标的实现。
参考文献
[1] 王政. 赋能经济发展 服务百姓生活[N]. 人民日报, 2020-01-31(1).
[2] 新华社. 习近平主持召开中央财经委员会第九次会议强调 推动平台经济规范健康持续发展 把碳达峰碳中和纳入生态文明建设整体布局[N]. 人民日报, 2021-03-16(1).
[3] 工业和信息化部. YD/T 3568.2-2020通信基站基础设施技术要求 第2部分:供电系统[S], 2020.
[4] 工业和信息化部. YD/T 2435.3-2020通信电源和机房环境节能技术指南 第3部分: 电源设备能效分级[S], 2020.
[5] 工业和信息化部. YD/T 1968-2009通信局(站)用智能热交换系统[S], 2009.
[6] 工业和信息化部. YD/T 2770-2014通信基站用热管换热设备技术要求和试验方法[S], 2014.
Discussion on 5G base station power supply and refrigeration energy-saving technology
YU Bin1, YU Haibin2
(1. TL Certification Institute, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100088, China; 2. CTTL System Laboratory, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China)
Abstract: With the rapid development of the information and communication industry and “new infrastructure”, the infrastructure construction of China’s 5G network is developing rapidly. While 5G networks have the characteristics of high speed, large capacity, low latency, and high reliability, the single-site power consumption of 5G base stations has also increased several times. It is particularly important to realize energy-saving operation of 5G base stations. This article discusses the energy-saving technology of 5G base station power supply system and cooling system to help 5G ase station safe, reliable, green and low-carbon operation.
Keywords: 5G base station; power supply; refrigeration; energy saving
本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第6期
主办：中国信息通信研究院
《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。
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