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5G网络能源国际标准解析及国内标准化概况

点击量:504发布时间:2020-06-12

1 引言


2019年6月6日,工业和信息化部向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电发放了基础电信业务经营许可证,批准4家企业经营5G业务,标志着我国5G将迎来大规模商用。随之带来的5G各类基础设施的建设,受到运营商、制造商、研究机构及社会各界广泛关注,其中5G能源即保障5G网络安全、稳定运行的重要基础设施也成为业界热点话题。


2 5G网络基础设施带来的挑战


5G网络由于高带宽、高流量、高发射功率,其单站能耗剧增。5G基站信号带宽为160MHz,可同时提供4G和5G服务。相比4G的60MHz,带宽增加2.67倍,峰值速率提升15倍,发射功率为原来的两倍(由4G的120W 提升为240W)。另外,收发通道数也增多,5G基站分高配(64通道)基站和低配(32/16等,以16通道为例)基站,而现网4G基站以8通道为主要配置,也导致5G网络设备能耗的增加。


对此,传统供电中出现了由于功耗的剧增而传输线缆上的线损大幅增大,即便供电系统正常工作,都无法使后端通信设备正常运行等现象。同时,由于单个设备的功率密度和能耗绝对值的升高而出现的局部热点问题。对此,业界提出了各种解决方案和产品,但缺乏统一的标准。基于此,国际电信联盟(ITU)及中国通信标准化协会(CCSA)等标准化机构均立项研究推动标准化工作,分别在ITU 由中国、法国电信、意大利电信和华为技术有限公司联合提出5G网络可持续供电方案建议书立项。在CCSA,由中国信息通信研究院牵头提出立项研究《5G基站供电和制冷技术研究》课题[1]。


3 ITU-T L.1210《5G网络可持续供电方案》标准解析


该标准的最终稿在2019年9月ITU-T第五研究组的全会上讨论通过,进入冻结程序,并于2019年12月发布。标准共有十一章节,各章节涵盖了除范围、规范性引用文件、术语定义、缩略语等常规部分外,其技术相关核心内容由5G网络概述、供电方案要求、能效要求、可靠性与维护要求、安全性要求、环境影响等部分组成[2]。


标准首先描述了5G网络不同的部署架构以及相应供电方案的需求,包括宏基站、小微基站(室外基站、室内基站、移动基站等)、物联网设备场景以及网络侧的边缘计算等场景需求。5G网络覆盖方式如图1所示。


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图1 5G 基站部署方案


基于基站部署架构,提出不同的供电方案及对应的维护、管理、能效等要求。标准的供电方案章节中包含了7个部分内容,分别为机房供电要求、基站供电要求、智能维护方面要求、可再生能源供电要求以及光电复合供电方案要求等,具体解析如下。


3.1 机房供电要求


在机房侧供电方面,提出了传统的-48V供电方案以及高达400V直流供电方案。此高达400V直流术语是从ITU-T L.1200《高达400V直流供电系统与信息通信设备供电接口要求》标准中引用。其电压范围包含了国内的336V直流供电系统电压范围以及240V直流供电系统电压范围。为什么与国内的称呼不同?国内沿用了-48V系统即用电池组电压标称值(如24节2V电池)作为系统名称的习惯,对于240V系统虽然其运行电压为276V,但电池组电压标称值为240V,因此称之为240V直流供电系统。同样对于336V系统,虽然正常运行电压380V,但与此系统相连的电池组,以单体电池2V为例,配置168节电池,因此称之为336V直流供电系统。而国际上其他国家,如欧洲国家为了强调高压直流供电系统的电压比传统的-48V系统高,采用了系统正常输出最高电压400V进行命名,体现出其高压,称之为高达400V直流供电系统。另外,在高压直流供电模式中考虑到现有的基站设备无法直接由高压直流供电,提出了利用降压方式给-48V设备供电或通过远供方式供电。


3.2 基站供电要求


对于基站侧供电方面,标准中首先分析了5G场景由于功率密度的增大和整体功率的升高带来的一些问题,如压降、配电开关容量不足、备电容量不足、制冷和维护等问题。同时,5G基站的建设还应考虑其他因素,如降低成本、快速建设、高效节能、与现有基站兼容的特性等。基于此,提出了C-RAN和D-RAN场景的供电方式。


针对C-RAN基站,BBU会池化,而AAU可能会本地供电或者远端供电,具体供电架构如图2所示。考虑到未来发展,C-RAN站点今后还会集成边缘计算设备。笔者认为,BBU池化不仅带来供电的一些特殊需求,也会带来制冷方面的挑战。但由于该标准不涉及制冷方面,本文不做赘述。


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图2 对于C-RAN 的供电方案


对于D-RAN场景供电模式具体架构如图3所示,主要是本地供电为主。


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图3 对于D-RAN 的供电方案


上述两种场景供电架构均考虑了多种输入能源类型、多种输出电压等级情况,与目前国内中国移动设计院推动的多输入、多输出一体化能源柜的理念非常类似,国内也有部分应用。此外,两种供电场景架构图中均有升压供电方式,具体电压值要求在标准中引用了ETSI EN 300 132-1中规定的最高可达-72V的电压。虽然引入这样一个新的电压等级对整个信息通信供电系统的标准化引入了不利因素,但该方案是解决目前压降问题的有效手段,因此与会专家同意写入标准中。


在提出上述机房和基站供电方案的基础上,为了提升整个系统能效,标准要求系统中应使用高效供电(如使用效率为97%及以上的整流模块产品)、高效制冷(如热交换系统来代替传统空调)和最大功率跟踪的太阳能控制系统等方式提升站点能效(SEE)值。SEE引用自ITU-T L.1350《通信基站能效测量指标》标准,等于基站输出能量除以输入总能量,即数据中心领域等应用的电能使用效率PUE参数的倒数。


除了能效,系统的另一个重要的特性是安全。关于安全,该标准主要提出高达400V的直流远供系统应具有绝缘监察装置,局端启动时应考虑远端设备的安全性,并且应具有交流输入异常时的保护功能等方面的要求。


在基站供电智慧化管理方面,标准提到了智能削峰方案和休眠管理功能要求。首先,提出错峰方案的主要原因是由于5G基站的高功耗,现有的市电容量可能无法满足负荷容量,需要利用锂电池储充放电的方式补充供电容量。在探讨过程中,有专家表示由于5G 网络还未大面积铺开应用,还未出现类似市电容量不足的情况,倘若出现上述情况这也不失为一种解决的方案,因此接受了该建议。另外,关于系统休眠技术,标准中提出系统应具备低负载时智能开启休眠模式从而降低能耗,当负载增大时智能切回正常运行模式的要求。


3.3 智能维护管理要求


主要围绕供电可用性管理、能效管理、远程维护、安全性管理和智能储能系统等几个大的方面提出相关要求。


系统可用性是表示可靠性的重要参数,不管是产品标准还是系统相关标准,均能够看到可靠性、可用性相关要求,最常见的是设备可用性要求。设备的可用性计算方法为:设备可用性=MTBF/ (MTBF+MTTR)。其中,MTBF(Mean Time Between Failure)为平均无故障时间,MTTR(Mean Time To Repair)为平均修复时间。对于系统的可靠性一般采用基于各组成部分可靠性值以及具体可靠性模型代入公式计算的方式[3]。而在本标准中,首次提出了站点能源可用性PAV的概念,其计算方式如公式(1)所示。


PAV =(TD -TI ) / TD                (1)


其中,TD为设计不间断工作时间;TI为运行间断时间。


本标准提出站点应对PAV参数进行管理,并对相关安全隐患应具备极早发现和预警功能。


能效是一个基站的重要参数,标准提出基站应实时监测SEE,并基于负荷状况以及各类设备的工作状态给出基于人工智能和大数据分析提出的相关优化策略建议。


对于远程维护的站点,基站应具备所有设备的数字感应能力,从而由自动维护代替人工维护。通过实时远程监控排除故障,并对已经发生的故障和潜在风险进行原因分析,极大地避免了不必要的现场勘察维护工作。


关于维护工作中的智能化安全性管理是重点保障资产安全,通过智能化手段具备更好的防盗功能,例如电池组的数字锁确保其离开基站现场无法使用等防盗措施。


在智能储能系统中提到,随着5G站点的数量剧增、容量增大、应用场地的多样性,推荐使用锂离子电池,并对锂电池提出以下要求。


(1)密度不应低于25Ah/U,且应能现场替换。

(2)应能恒压输出,以解决长距离供电问题。

(3)当并联工作不应降低输出功率。

(4)应与电源系统的监控管理部分实时通信,电源系统应实时监测电压、电流、温度和SOC等参数,并完成远程放电测试。清华大学推动的数字储能系统作为一种解决方案写入了该标准的资料性附录中。

(5)应使用磷酸铁锂(LFP)电池,且电池组应通过安全测试,如针刺试验、燃烧试验、水浸试验和热冲击试验等。


3.4 可再生能源系统要求


为了推动5G网络供电系统绿色可持续发展,标准提出系统应优先使用可再生能源,并根据运营成本,智能选择电网、储能、发电机等不同输入能源,供电系统架构如图4所示。


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图4 5G可再生能源供电系统架构图


3.5 电源和光纤网络复合供电要求


基于最大程度地重用现有的基础架构原则,标准中提出电源线路与光纤线路相结合。如图5所示,使用光电复合缆,将电源电缆安装在微导管内与光纤一并传输。


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图5 光电复合传送的供电架构


从总的配电结构来看,该供电方案回路分为两级配电:第一级配电环节的传输电压相对较高,称之为“主配电”,将功率从根源供电处传输到第二级配电处,可以采用树形供电和环形供电两种架构;二次配电主要是将输入的交流或高达400V直流电压降低到符合ICT 设备输入电压范围的电压,并给主设备供电。


4 5G网络能源国内标准化概况


中国通信标准化协会(CCSA)在国内率先研究了5G能源相关研究课题2018B30《5G基站供电和制冷技术研究》,主要包括5G多种场景下供电和制冷技术及今后标准化思路与方向等。在此基础上,于2019年12 月提出了5G供电与环境的基础设施系列标准立项,分别为《5G供电与环境的基础设施 第1部分 总则》《5G 供电与环境的基础设施 第2部分 室外自冷型刀片电源系统》《5G供电与环境的基础设施 第3部分 多输入多输出一体化能源柜》和《5G供电与环境的基础设施 第4部分 室内机架温控系统》。基于会议讨论,拟递交立项研究的标准有升压电源模、数字储能系统、机柜液冷、BBU机柜和边缘机房标准等,且应紧随行业发展与诉求,当5G网络对供电和环境提出新要求时扩展此系列标准。


从国内提出立项行业标准内容可总结出行业标准紧随行业发展。首先,对各运营企业使用量较大的产品进行规范化,从而有力提升5G网络供电和环境产品质量,进一步引导生产企业以及应用单位。已立项标准的第1部分总则标准,将从整体布局规划各部分标准的核心内容及相互联系等方面提出总体要求;第2部分刀片电源标准,为安装在室外的AAU进行供电的电源产品标准,主要针对目前国内几大运营企业均有大面积采购且几十家生产企业在推动的刀片电源产品提供相关标准支撑,做到产品质量保障工作有据可依;第3部分一体化机柜标准,针对电源设备和电池集成安装在同一个柜内的一体化机柜制定相关标准,该机柜为5G设备提供安装空间和不间断电源,同时将市电、新能源、存量电源等多路能源整合到一套系统内,能够实现多能源输入智能调度,优先利用新能源且在输出配电方面,实现多电压等级智能输出;第4部分机架温控系统,主要针对基站机房内高热密度场景下机架式制冷方案,以风冷为主,制冷设备安装在机架的底部或侧面。总体来看,5G能源国内标准化工作主要针对5G网络中产生的新兴产品入手,制定该系列标准。


笔者结合牵头研究编写国内国际相关标准和研究课题经历,以及标准化工作中的讨论情况,在重点解析ITU-T L.1210-2019《5G网络可持续供电方案》国际标准的基础上,详细介绍了国内行业标准立项和布局情况,给行业内各研究人员、设计技术人员、研发技术人员和运营维护人员提供参考。


参考文献


[1] Shuguang Qi, Xin Gong, Shang Li. Study on power feeding system for 5G network[C]. Itay, International Communications Energy Conference (INTELEC), 2018:1-5.

[2] 国际电信联盟. ITU-T L. 1210-2019《5G网路可持续供电方案》[R], 2019.

[3] 齐曙光. 通信机房新型供电模式可靠性与节能性分析[J]. 现代电信科技, 2012,42(10):6-11.

文章来源:中国信通院CAICT