4G時代末梢網元供電解決方案之探討

王 燁，何 俊

（1.中國電信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州310001；2.杭州信控科技有限公司，浙江 杭州310030）

0 引 言

隨著運營商4G牌照的發放，帶來了新一輪的網絡建設高峰，通信網絡規模日益擴大，網絡格局正發生著巨變。末梢網元是指處于通信網絡末梢，安裝于通信機房以外：如樓道、商務用房、樓頂、路邊、桿上、野外等場景的各類通信網元設備，包括無線類的室外基站、射頻拉遠、室內分布、直放站，數據類的一體化DSLAM、樓道交換機，以及交換接入類的EPON／GPON、室外AG等。分布式基站的建設模式及EPON／GPON技術的廣泛應用使得末梢網元數量迅速增加，造成網絡設備的分散。尤其是4G基站的密集分布，基站間隔縮短至500 m左右，如何有效解決通信網絡的供電保障和維護問題，是確保網絡設備安全可靠、穩定運行的一個重要課題。

本文從傳統供電模式存在的缺點出發，提出了集中式直流遠供電源、基于高溫電池和鐵鋰電池的室外UPS一體化電源等供電模式，為構建4G時代末梢網元設備提供可靠的供電模式。

1 幾種傳統供電模式和特點

1.1 供電方式一：市電直接供電

現在最常見的方式是直接從市電網取電，這種供電方式也是最簡便的一種，其直接投資成本低。但缺點也較多：

（1）電源質量差，容易造成故障；

（2）拉閘停電以及電力維修、電網故障會造成服務中斷；

（3）電網電壓波動大、畸變嚴重，容易引入浪涌和雷擊，影響設備功效，甚至損壞設備；

（4）若采用專線供電，專用電表、商用電價等造成高額的運營成本；

（5）安裝維護需供電局、外單位或市民協助，管理成本高。

1.2 供電方式二：市電＋UPS

針對供電方式一存在的問題，最直接的改進是考慮采用一種市電＋UPS的供電方式，即在各終端設備旁配備小型UPS不間斷電源或直流通信電源。

本地加裝UPS或通信電源解決方案的優點是：技術成熟、價格相對合理、已有大規模應用。但由于引入電池設備并安裝于弱電井、室外等環境，因此也存在許多不足：

（1）可部分緩解停電影響，但后備時間受所配電池容量影響，難以同宏站的工作時間同步；

（2）無電力供應處難于實現供電；

（3）UPS主機因環境因素容易損壞（弱電井或室外安裝，環境非常差，灰塵多，高低溫：－40～50℃）；

（4）需找地方安裝體積龐大的且笨重的UPS電源；

（5）公共電網引入的雷擊損壞依然存在；

（6）需要協調安裝地單位或市民等，接受取電單位的協調電價；

（7）體積大，沉重，占用安裝面積大，安裝地選址麻煩；

（8）核心部件——蓄電池受環境溫度影響，壽命非常短。一般1～2年需要整體更換，維護工作量大，費用高，需要不斷投入電池更新費用；

（9）UPS設備和蓄電池易被盜。

根據上述供電方式一、二存在的問題，提出以下幾種適合末梢網元設備的供電解決方案。

2 集中式直流遠供電源供電模式

2.1 系統簡介

集中式直流遠供電源系統利用機房穩定、可靠的供電保障系統，在機房內放置局端升壓設備，將－48 V直流電升壓至DC280 V～400 V，通過銅、鋁介質經分路分配單元，傳送至遠處的末梢網元處，通過遠端設備將電壓轉換成末梢網元所需電壓，進行供電及提供后備電源保障。將原有分散供電進行集中供電，集中管理。

集中式直流遠供電源系統主要由局端設備、遠端設備、分配（防雷）單元及傳輸介質組成：

（1）局端設備：將－48 V直流電隔離升壓到連續可調的280～400 Vdc，具備完整的監控、保護均流及冗余功能。

（2）遠端設備：將輸入的高壓直流變換成符合通信設備的適用電壓－48 V dc。

（3）分配（防雷）單元：分路配電及保護，隔離故障支路，分簡易型及智能型兩種，智能型具有更多的保護功能和相應的監控設置功能及支路故障隔離功能。

（4）輸電線纜：實現直流電壓的傳輸。集中式直流遠供電源系統如圖1所示。

圖1 直流遠供電源系統

2.2 系統組網注意事項

集中式直流遠供電源系統組網時需注意如下幾點：

（1）系統安全分級保護

在室內分布或其他容易被非電氣專業人員碰觸的場合，采用直流140 V及以下遠供電壓；在高于140V以上等級電壓饋電時，所采用線纜和施工、維護措施，要求按照有關電力電纜施工維護規程要求，做好人身安全防護工作。

（2）對電纜的安全保護

在日常傳輸中，存在電纜破損或被盜剪的可能，為此，采用供電浮地傳輸——碰觸一極不會觸電，系統應設置漏電、開路、短路、強電入侵、過載、過壓等完整的系統保護功能。

（3）針對一對多星型組網系統的安全保護

針對一對多的星型結構供電系統，宜采有電子型分配器，對每個分路完成開路、短路、過載等監測保護，保護速度在50 ms以內，能確保傳輸線路被人為破壞，引起傳輸鏈路二極短路或開路時，及時關閉供電。

2.3 直流遠程供電的優點

（1）降低管理成本

采用遠程供電的整個流程，在運營商安裝部門內部就能完成，無需“供電局、外單位或市民”的協助，大大降低了管理成本。

（2）降低新裝網點的工程成本

采用遠程供電系統，供電部分可以同通信終端設備一起安裝，不需向供電局申請專用線路，或向外單位接用市電，更不需找地方安裝體積龐大且笨重的UPS電源，大大地節省工程成本，加快了工程進度。

（3）降低運維成本

當供電設備點多面廣時，市電加UPS的供電方式涉及大量的運行維護成本；遠供電源是一種免維護產品，大大地降低維護成本，解決了因市電的波動、雷電干擾、停電時間長所帶來的種種問題，節省了大量的維護工作量，同時也避免了需要外單位人員協助才能維護的局面。

遠程供電模式在電力引入費用、停電影響、施工周期方面具有較大的優勢，而在特種光纜或電纜材料費需要額外負擔一部分費用，在施工方面需要鋪設線纜，但一般也大大低于電力引入的投資。而4G的網絡密集分布，線纜費用大大降低，和光纜同步鋪設或者直接采用光電復合纜，可以使得施工便利，從而使網絡的建設具有更大的靈活性，節省整體投資運行費用。

2.4 環保和節能減排效果

此外，遠程直流系統供電由于采用的是在宏站等具有機房空調等環境要求較好的機房內蓄電池組集中供電形式，一方面，降低了維護的人工工時，有效地提高供電的可靠性，從而提高通信質量；另一方面，由于采用集中直流供電形式，可以省卻末梢網元所需的大量UPS或通信電源。由于戶外環境溫度影響，蓄電池使用壽命普遍只有1－2年，而遠供系統使用的是通信電源組電池，使用壽命普遍達10年左右，從而可大幅度降低蓄電池的更新，減少鉛污染。

另外，由于采用遠程供電，遠端設備可以省卻小機房或帶空調的戶外機柜，可以大大降低運行電能，節能率可達40%以上。

3 以高溫電池為基礎的適合室外使用的一體化集成后備電源供電模式

戶外基站等通信設備的應用環境相當惡劣，對后備用的鉛酸蓄電池組提出了更高的要求，而且普通商用型UPS或逆變器針對戶內環境設計，存在系統效率低、高溫特性差、防護等級低等缺點，無法滿足戶外使用要求。

采用以高溫電池為基礎，結合脈沖充電模塊、室外高效UPS的一體化集成型后備電源作為此類網元設備的電源保障系統，是提供穩定、可靠電源保障，提升網絡品質、降低維護工作量和運行、維護費用的另一種解決方案。

3.1 系統組成

該系統由室外高效UPS／逆變器、高溫電池、脈沖充電模塊、防雷配電單元及機箱組成，系統組成如圖2所示。

圖2 系統組成示意

3.2 系統主要組件介紹和性能簡介

3.2.1 高能聚合物高溫蓄電池

高能聚合物高溫蓄電池具有如下優勢：

（1）采用高能聚合物新材料作為電解質，解決了傳統技術的失水問題。

（2）采用創新型高錫鉛鈣含銀耐腐蝕合金板柵，有效提高蓄電池的耐高溫特性。

采用特殊的活性物質及加工工藝，有效提高耐溫特性及深循環放電壽命，耐溫范圍可達－20℃～＋60℃。戶外使用壽命可達4～5年以上。

3.2.2 脈沖充電模塊

采用特有的專利脈沖充電技術，有很好的修復激活作用，可以消除“極板硫化”，能有效地防止電池組間的不均衡現象發生?？梢詼p少析氣量，最終減少失水?？梢苑乐剐铍姵卦缙谒p，大大延長電池的循環使用壽命。

圖3為該脈沖充電模塊給4節12 V電池組充電運行3年后的放電曲線，可以看出4節電池的放電特性基本趨于一致；而圖4為同期對比試驗組，采用傳統通信電源均浮充限流充電模式的電池組放電曲線，4節電池的放電特性一致性較差。

圖3 脈沖充電模式電池組的放電曲線

圖4 傳統充電模式電池組的放電曲線

3.2.3 智能化高效室外UPS

采用智能化高效室外UPS的優點：

采用智能化微電腦DSP控制技術，先進的控制理論和成熟穩定的高頻UPS模式，能快速響應外部環境的變化，實時提供不間斷的完全高品質的交流輸出。

采用先進的PWM＋SPWM脈寬調制技術，輸出為穩頻穩壓、濾除雜訊、失真度低的純凈正弦波，逆變效率＞90%。

采用獨特的專利風道處理技術并結合全數字化DSP控制技術，具備出色的隔熱、防塵、防潮功能，并保障系統能在－40℃ ～60℃的惡劣環境中穩定運行。

4 以鐵鋰電池為基礎的一體化集成后備電源供電模式

本系統采用鐵鋰電池組，并結合充電模塊、UPS（或逆變器）結合組成，此系統的優點在于體積小，重量輕，使用壽命長，但鐵鋰電池價格相對比較高昂，同時，對鐵鋰電池的BMS保護技術方面有待進一步完善和優化，使得鐵鋰電池的長壽命特點能發揮出來，并提高系統可靠性。

5 結束語

由以上討論可以看出，4G時代末梢網元設備的供電方式多種多樣，每種方式均有自己的優點和適用范圍。本文提供了直流遠供電源及基于高溫電池和鐵鋰電池的室外UPS一體化電源作為主要供電參考方式，旨在全方位保障網元設備的穩定、安全運行，進而提高通信網絡品質。在實際的工程中，建設單位應以實際的市電情況及環境條件，采用最合適的供電方式。