5G建设电源配套设计方案研究

来源:用户上传      作者:杨磊　王浩年　王瞳瞳

　　【摘要】 通过对5G基站电源配套需求和设计关键点进行分析，对设备选型和线缆截面所涉及的知识点进行阐述，有助于5G电源配套设计方案选择。另介绍了5G基站电源配套的多种创新产品和方案，从而提升设计成果时效性。
　　【关键词】 5G 电源配套 功耗 新产品
　　引言：
　　当前我国5G基站新型基础设施建设正在加速推进，伴随着大量5G基站设备投入使用，其高耗能问题日益突出，众所周知，5G基站相较4G基站在设备功耗方面有大幅增加，而且不同的5G基站建设场景，对电源配套的需求具有很大差异。所以在动力电源、机房配套的建设上，通信基础设施供应商面临巨大的挑战。能够提出更节约、更高效、更合理的电源配套设计方案，成为5G网络建设首要课题。
　　一、5G基站电源配套需求分析
　　（一）5G基站设备形态
　　目前5G基站建设初期的设备形态与4G基站采用“RRU+天线一体化”的设备形态相类似，采用典型的BBU与AAU按照射频拉远设计，即BBU（CU/DU）与AAU在物理上实现分离。在架构上，5G BBU集成了CU和DU的功能，即可理解为“CU/DU合设+AAU”的两层架构部署方案。在5G建设的中后期，根据5G不同应用场景的业务需求情况，逐步向CU云化、DU集中、AAU分散的三层分离架构演进。从基站接入方式来区分，主要分为D-RAN和C-RAN，即分布式无线接入和集中化无线接入方式两种。
　　1.对于D-RAN架构，5G BBU与AAU同站址建设，基站电源的配置需要满足BBU和AAU两者用电需求。以华为5G基站设备典型配置参数计算，则该基站单系统最大功耗将超过4kW（包括： BBU设备功耗1.15kW、3个AAU设备功耗2.91kW）。
　　2.对于C-RAN架构，基站设备BBU与AAU不是同址建设。其中，BBU可以集中部署，一般选择在核心局房、汇聚机房等传输资源和电源资源比较丰富的机房。而AAU则为光纤拉远天面站，采用共址站电源或新建供电方案。
　　（二）现网5G基站设备供电需求
　　5G设备厂家主要有华为、中兴、爱立信等，各设备参数如下表1所示。
　　目前，5G设备单系统最大功耗在4kW左右，约为4G单系统功耗的3.2倍，对电源设备及配套设施需求增加较大。另外，各设备的对电源供电端子和电力电缆的需求如下表2所示。
　　二、5G基站设备电源配套设计关键点
　　（一） 用电负荷计算
　　对于新建电源系统站点，配电系统设计容量一般通过计算所有用电设备最大负荷的累加值来获得。
　　对于共站址新建5G系统站点，配电系统设计容量的核算应将现网设备功耗、新增5G设备功耗和蓄电池补充电负荷累加计算获得。
　　1.配电设备容量计算
　　在5G基站电源配套设计中，需要通过计算以下几项指标，进而选择相应电源设备容量。
　　交流外市电容量=现网设备功耗（实际值）+5G设备功耗（最大值）+空调能耗值+蓄电池补充电功耗值
　　直流开关电源系统容量=现网设备功耗（实际值）+5G设备功耗（典型值）+蓄电池补充电功耗值
　　蓄电池容量=现网设备功耗（实际值）+5G设备功耗（典型值）
　　2.负荷系数确定
　　用电负荷是设备选型基础指标，需要正确计算。在计算过程中，应该结合设备运行特性，而不是简单累加，需要考虑负荷系数，否则配置电源设备较大。对于5G建设，用电设备冗余量是体现设计精度的要点。
　　结合工程特点，负荷系数主要考虑需用系数和同时系数，其各自的定义如下。
　　（1）需用系数：是一个综合系数，它标志着用电设备组投入运行时，从供电网络实际取用的功率与用电设备组设备功率之比;主要考虑设备未必全部在满负荷情况下运行。
　　（2）同时系数：在多台设备运行时，各设备同时运行时的最大功率与各设备最大运行功率之和的比值。常用系数取定：0.7～0.8。
　　其中：需用系数一般是经过大量实测数据积累得到的，并且随着工艺进步、技术发展而变化。各厂商在5G设备节能优化方面也都力求通过新材料、新技术加以改进。如，采用热管和石墨烯的先进散热技术，使用低功耗芯片、高效电路设计，推出新一代AAU和BBU，比早期产品功耗降低不少。某厂商预言，未来的AAU可以从最初1300 W降到800 W水平。
　　对于局房类项目，用电设备比较多，配电系统也比较复杂的情况下，通常计算在末端考虑需用系数，同时系数在变压器和干线（可能逐级）考虑同时系数。
　　（二）电力电缆的选择
　　按照用途分类，电力电缆包括交流、直流、接地线、密集母线等。下面主要介绍通信基站所涉及的交流、直流和接地线的选择。
　　1.交流线缆截面积选择方法
　　交流线的选择依据包括：机械强度允许的导线最小截面、允许温升、经济电流密度、允许电压损失和导线允许截流量。一般（常用）使用“导线允许载流量”。
　　交流线缆应用场景影响因素：若敷设环境有要求，需要考虑“C械强度”;若线缆距离比较长，则需要考虑“电压损失”;若敷设方式不同，则需要考虑不同的土壤热阻系数、不同敷设方式下多根并联、不同环境温度等不同敷设条件下的修正系数。
　　交流线缆选择基本步骤：
　　先计算出负载电流，然后查询参考电缆载流量表来选择导线截面积。
　　（1）单相负载设备
　　式中： P―设备功率（W），Ip―单相相电流（A），cosφ―功率因数
　　（2）三相负载设备
　　式中： P―基站总功率（W），Ip―相电流（A），cosφ―功率因数

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