Labs 導讀
本文針對當前5G站點能源建設遇到的困難做了詳盡的分析，提出了供電架構向智慧能源架構演進的思路，并對其可行性和經濟社會效益進行了分析，同時對下一代站點能源產品提出了要求。
作者：
中國移動通信集團設計院有限公司 劉寶昌
中國移動通信集團采購共享中心 鄭宏
1 5G時代站點能源的挑戰與機遇
5G網絡作為下一代通信技術，將提升更多行業的數字化水平，包含智能制造、遠程醫療、遠程教育、智能交通、智能物流、無人駕駛、無人機巡檢等，成為我國推進供給側結構性改革的新動能、振興實體經濟的新機遇、建設制造強國和網絡強國的新引擎。
5G網絡建設，站點基礎設施先行，但當前站點能源的建設定位依然是配套，供電架構延續被動單向供電模式，因此市電電源、直流電源、ICT設備負載呈現出三個煙囪式的架構，如圖1所示：
圖1 站點供電架構現狀
1.1通信負載供電需求分析
通信站點負載在5G時代對供電系統提出了更高的要求：
（1）站點功耗大——如何經濟的進行站點建設？
（2）供電復雜——如何實現供電制式的軟件定義？
（3）可靠性要求高——如何保證能源供給的高可用度？
1.1.1 通信負載功耗需求
首先，5G時代萬物互聯，“大連接、大帶寬”的業務模式，注定使基站的功耗大幅增加；其次，5G高頻覆蓋導致站點加密，桿微站點增多，原有宏站電源不僅要供給本站的負載，還考慮拉遠站點的能源供給；最后，隨著網絡向“以客戶體驗為中心”進行演進，核心網用戶面設備和邊緣計算設備會進一步下沉到基站側，以保證自動駕駛、遠程醫療等業務的端到端低時延，供電需求將更加復雜。
1.1.2 行業負載功耗需求
5G使能行業數字化，行業專用設備及終端需要部署在基站側，一方面對供電制式提出了新的要求，如何兼容新的供電制式；另一方面由于行業終端大量接入，站點功耗將持續增加。
1.2電力供給發展分析
當前電力供給依然是低頻模擬能量流，并且當前電網配置的儲能電站、調峰電站，依然在電力供給側進行優化；隨著5G網絡的快速發展，負載側能源需求急劇上漲，電力供給壓力凸顯：
（1）接入站點市電擴容比例高、工期長：
主要城市包括各直轄市、省會城市及經濟較好省份，因歷史問題，轉供電比例大，且無法保證持續擴容；
按照傳統站點建設模式，30%站點市電容量不足，需進行市電增容；
市電增容審批流程周期長，同時嚴重依賴現有國網路由建設情況。
（2）匯聚機房市電增容費用高：
隨著5G網絡進一步扁平化，核心網用戶面設備下沉、邊緣計算服務器的部署，核心機房/匯聚機房功耗大幅增長，僅市電增容改造需8~10萬元人民幣的建設費用；
調研證明，電網的單相樹狀拓撲無法滿足ICT領域急劇增加的負載功耗需求，在建設中存在錯位現象，導致站點無法擴容。
因此，從電網的角度，期待站點電源自身可以實現阿米巴經營，即成為具備一定調度能力的分布式供電節點（市電、儲能、新能源、燃料電池等），來滿足通信網絡的供電需求。
1.3站點電源現狀分析
目前，站點電源的建設普遍存在短視的問題，以配套的思維來進行補丁式建設，管理手段也無法適配網絡的演進，主要表現如下：
（1）為了簡化能源部分的建設，存在多期重復建設的問題，站點資源硬件隔離無法共享，造成投資浪費；一方面站點配套資源持續堆積，站點租金、電費等持續上漲，另一方面站點資源難以整合利用，升級改造費用高。
（2）OPEX居高不下，能源及基礎設施的管理依然處于較落后的狀態；需要引入互聯網的思維來重構現有站點運維系統，提升運維效率。
綜上，站點能源建設上需要引入無線網絡目標網的思路，避免投資的盲目性，提升投資效率；站點運維上需要引入IoT物聯網技術、站點3D建模等新技術，將站點的實際情況精準的映射到網絡中，同時通過對運維數據的挖掘，實現主動運維、提前預判。
基于負載側的巨大變革、電網發展的不匹配以及站點能源系統本身存在的問題，需要構筑一個面向未來網絡并可持續演進的站點能源系統，并以此為基礎建設一個與移動網絡緊耦合的智慧站點能源目標網，其特點應表現為：
（1）智能化：電源功能軟件定義，支持與電網的交互、支持與負載的聯動、支持儲能的持續擴容，通過自適應的能源調度提升站點可用度；
（2）模塊化：系統子部件要支持模塊化演進，實現極簡部署、按需擴容，保證投資效率的提升；
（3）高效化：高效體現為高效利用能源、高效維護；以最低瓦特成本為考核目標可靠站點建設和維護。
2 智慧站點能源目標網的可行性分析
目前，站點能源具備“分布式儲能”能力，可引入“可再生能源”進行“分布式發電”降低碳排放，同時兼容拉遠桿微站點的供電；根據杰里米·里夫金對能源互聯網的定義，站點能源具備能源互聯網中“可再生能源、分布式發電、分布式儲能、能源互聯”四要素，且自身就在ICT行業，應該作為能源互聯網技術應用的“試驗田”。
此外，近些年站點能源領域自身也在進行網絡化和智能化的演進，現就當前的新技術和新趨勢予以介紹。
2.1以站點電源為中心的智能站點網絡
近些年，運營商面臨流量和收入的剪刀差，OPEX居高不下，為提升站點的運維效率，全球運營商/鐵塔公司均對站點的數字化、智能化進行了大量實踐；據了解，中國鐵塔公司通過部署FSU來提升站點運維的效率，但當前“只監不控”且未對運維數據進行有效的數據挖掘分析。
隨著工控芯片的發展，高頻整流電源的控制器能力迅速提升，具備整站管理的能力，可提升站點能源可用度，并且通過對運行數據的挖掘和分析可實現站點運維的閉環管理，實現精細化運維、前瞻性運維，指導站點進行精準投資。站點能源智能管控演進如圖2所示：
圖2 站點能源智能管控演進圖
2.2軟件定義的電源模塊
整流電源模塊實現了小型化，但面向未來網絡演進，各種換能模塊增多，如新能源模塊、高壓直流模塊等，會導致備件管理增大；經調研，業內已有廠家推出軟件定義的電源模塊，通過軟件的升級可實現太陽能轉換、高壓直流轉換和整流轉換。
如果能進一步完備軟硬件的解耦和供電的分路隔離，即可實現軟件定義按需輸出的能源系統。
2.3高密化智能化的鋰電儲能
鋰電池的發明，開啟了電子設備便攜化的進程，促進了移動網絡終端的繁榮；隨著電子產品、儲能電站和電動汽車的廣泛應用，鋰電池價格持續下降，掀起了鋰電替換鉛酸的趨勢，與傳統鉛酸電池相比較，鋰電池主要優勢如下：
（1）循環壽命更長：鋰電池的循環壽命是鉛酸的5~10倍；
（2）高溫適應性強：35度工作溫度對鋰離子電池壽命和性能無影響；
（3）短時備電降額系數低：1C放電場景，鋰電池可以100%能量輸出，而傳統鉛酸電池僅有40%~55%。
（4）數字運維：鋰電池的電池管理單元實現了對電芯的精細化、數字化管理；通過上報電池的荷電狀態和健康度，可作為能源互聯網中備電經營的基礎；
（5）智能混用：現階段鋰電池和鉛酸電池混搭場景較多，行業內除了原有的外置電池合路器外，已出現以固態變壓器（雙向DC/DC轉換）為核心的內置合路器，通過鋰電池架構上的創新贏得運維和使用上的便捷，保障了匯聚機房/核心機房鋰電池備電的可靠性和安全性。
2.4他山之石的云調度
2018年滴滴出行運送乘客超過100億人次，用戶行程總里程達 488億公里。通過兼備云計算、AI 技術、交通大數據和交通工程的智慧交通戰略產品——“交通大腦”，減少 150.7萬噸二氧化碳排放，相當于 80 萬輛小汽車年均形勢 1萬公里的排放量。
通信需求和出行需求同為人類最基本的需求，能源供給又是支撐上述兩個需求的基石，通過滴滴的實踐可以看到，節省下的每一份能源都將匯流成海，站點能源運維同樣需要一份“智慧大腦”，支撐站點管理和運維的升維。
綜上，現有站點能源的管理和供電技術均有了革命性的進展，智慧站點能源目標的建設需要以此為據，找到新技術和經濟性的平衡點，并且利用云、大數據的澎湃算力和AI的智能分析，擺脫現在站點能源建設和運維的落后狀態，提升站點能效、簡化運維，達到降本增效的目的。
3 智慧能源目標網的架構
基于調研，智慧能源目標網分為三層架構“AI平臺——智能OSS——站點”，可以支撐“一站一策”的執行，使站點能源建設有依據、投資更精準，使運維有保障、管理維度更精細；改善以往建設中雖然建站標準清晰，但是未考慮站點實際運行情況，造成轉維后進行補丁式建設的問題。智慧能源目標網架構如圖3所示：
圖3 智慧能源目標網架構圖
3.1人工智能（AI）平臺
首先，利用AI平臺的云和AI的能力支撐“一站一策”的算力需求，通過對運維數據進行多維大數據分析和數據挖掘，簡化站點的運維，具體功能需求如下：
（1）告警智能分析，通過對告警的關聯分析，向運維人員的運維平板電腦發送可能系統拓撲圖，可能故障點、潛在風險、物料需求等信息，一次上站解決站點問題；
（2）建立運維專家系統，將站點問題的解決方案收集整理，形成線上線下的閉環，簡化運維難度；配置工業平板或頭戴式智能終端，便于專家在運維中心指導現場運維，最大程度利用專家資源；
（3）挖掘站點故障題出現之前的運行數據異常情況，形成主動運維的依據，做到防患于未然；
（4）為能源與通信業務聯動節能的策略提供依據。
3.2智能網管系統
傳統網管更多是運維數據的上報和收集系統，沒法直觀展示站點運維情況；大量運行數據從產生到刪除只是被存儲，沒有得到充分的利用，對站點改造前后的效果沒有閉環分析；告警信息無分析，交流市電斷開系統會出現4~5條告警，需要運維人員基于自身經驗進行分析，對運維人員要求高，且維護效率低下。
智能網管，作為運維可視化的窗口，主要聚焦如下幾點：
（1）整網運行的可視化呈現，提供多個角色的展示界面，對管理者只展示結果；對專家展示數據初步分析的結果和歷史告警處理方法；通過工業平板或智能穿戴設備對站點工程師進行指導，最大化專家資源利用率；
（2）定制化運維報表的定期輸出，有利于通過區域賽馬實現站點能源等指標的持續提升；
（3）站點改造后的數據呈現，支持虛擬化站點子集設置，驗證改造后的效果，支撐投資效果的驗證，實現投資閉環管理；
（4）業務聯動策略的下發，根據站點情況、業務需求等因素的綜合分析結果下發智慧站點能源。
3.3智慧站點能源
智慧站點能源，作為站點路由器，適配5G建設及后續演進的需求，并結合站點的實際情況，進行站點能源的智能調度，具體功能要求如下：
（1）電網自適應和新型能源的接入，根據電網情況調整交流輸入策略，市電穩定則限制交流輸入功率，市電不穩則限制交流輸入電流，最大程度保證站點可用度；新型能源接入，如太陽能、燃料電池等。
（2）存量電源、電池的并機管理，盤活存量站點資源；保證站點按照最優路徑平滑演進到智能電源平臺。
（3）負載和能源聯動的執行，平臺下發策略的執行以及和主設備業務的聯動，實現站點資源的充分利用；
（4）聚焦能源多種輸出，支撐行業終端的接入；支持高壓直流輸出，支撐拉遠站點的能源供給；支持逆變模塊的輸出，支撐核心網設備、MEC設備的供電；
（5）智能配電單元，實現遠程監測和開關，配合能源業務聯動的實現；
（6）智能鋰電池，通過固態變壓器的部署支持儲能持續擴容，滿足現階段新舊電池混用、后續持續擴容的需求；同時，在不影響現有儲能的情況下，電源和智能鋰電聯動，實現負載削峰、錯峰用電等功能；配合整網的儲能調度，可為電網提供調頻調峰服務，實現電力系統負載側的聯動。
綜上，通過對智慧站點能源目標網的構筑，將提升管理、運維、建設等多方面的能力，為通信網絡構筑能源供給的基石。
4 智慧能源目標網的效益分析
智慧能源網絡的構筑，是通過ICT的信息化手段，能源互聯網的思維構筑電信運營商能源專業的競爭力。以往站點能源供給的可靠性是通過堆積資源實現，智慧能源目標網的構建，不僅可以實現更高的可靠性，還可以顯著的減少能源演進和建設方面的投資——通過集成獲取站點可靠性增益，通過模塊化降低能源目標網演進門檻。
4.1部署極簡、運維極簡和演進極簡
4.1.1部署極簡
要求在5G NR部署的過程中盡量做到不增加機柜，這就要求站點供電系統進一步提升功率密度，使得在同等空間內，能夠容納更高功率的供電、備電設備。
以目前主流使用的室外機柜為例，柜內總空間約30U，除電池18U，BBU兩臺4U，傳輸2U之后電源空間約4U，容量需求約24kW，要求每U功率密度約為6kW/U，目前主流電源產品的功率密度約2kW/U，需要提升至少3倍。
對于備電系統，建議采用更高能量密度的鋰電替代傳統鉛酸電池，實現同等空間內收容更大容量的備電電池。傳統電池倉7.5~8U的空間僅能收容一組200Ah鉛酸電池，如更換為單組3.6U的150Ah鋰電池，則可以實現1.5倍以上的容量增加。
以上述改造場景為例，20~30%的站點無需新增機柜，將節省大量的工程費用。
4.1.2運維極簡
為降低運維成本，5G網絡能源運維系統應首先完成站點設備的數字化改造，使站點設備信息都可以上傳至運維管理系統，在站點側通過電源控制器+無線傳感器改造啞設備將會是主流技術，同時部分產品也將通過IoT技術實現組網。
其次運維管理系統需要從信息收集、集中展示轉變為主動風險管理、主動運維，例如電池、溫控設備的健康度管理，提前預警風險并精準維護，從而有效降低網絡故障，改善KPI。
此外，運維管理系統應該具有智能分析能力，針對海量站點主動的智能提取關鍵信息，例如針對站點故障，運維管理系統應從歷史狀態數據、告警數據中建立故障發生模型，從而提取出故障根因，指導維護動作，提升效率。
通過運維工作的升維管理，站點可靠性提升，站點運維費用進一步明晰，有助于提升投資效率。
4.1.3演進極簡
5G網絡會經歷幾個階段最終實現5G網絡的全面覆蓋：
階段1：5G早期部署階段，5G站點小批量部署同時伴隨4G站點部署；
階段2：全面的5G FR1頻段部署及小批量FR2頻段部署
階段3：FR2頻段連續覆蓋部署
面向演進的模塊化設計需要包括但不限于：功率、配電、多能源輸入輸出、備電、溫控等，現階段站點普遍采用多套電源簡單疊加，分別為不同設備供電，重復投資。系統全模塊化擴容具有無可比擬的優勢：
（1）一次性部署，減少后續部署難度，縮短TTM。
（2）單個系統管理簡單，故障定位快速準確，維護效率高，MTTR短。
（3）供電能力池化，容災能力強，部件故障影響小。
智慧站點能源的模塊化架構，將使站點升級更簡單，減少不必要的工勘，減少部署時間，減小站點運維難度，提升站點的可靠性。
4.2能源智能調度
前文提及現有的站點能源可用度是通過多層冗余實現的，無法適應當前5G的建設和持續演進。
因此，需要通過智能化手段使電源系統同站點其他設備系統聯動起來，優化各系統間的調度，提升利用率，避免大規模的工程改造。
例如：儲能與用電功率聯動，其工作原理如圖4所示，在用電功率出現峰值時，調度站點儲能放電，在用電功率降至市電容量以下時，啟動電池充電。在市電容量普遍周期長、成本高的現狀下，這種設計能帶來大量的部署時間節省和成本節省，應成為供電系統的標配功能。
圖4 儲能與用電功率聯動工作原理示意圖
此外，通過智能化手段也可以解決5G AAU供電問題，由于功耗過大，傳統電壓制式配合細線纜給5G AAU供電時會導致線損大、供電距離受限的問題，相比于更換粗線纜，采用升壓供電在工程上和成本上更有優勢。但是考慮到AAU在不同帶載率下功耗差異問題，升壓需要具有一定的智能性：能夠跟蹤AAU的功耗變化匹配不同電壓進行供電，才能保證在高負載時線損最小，同時在低負載時，自動調整輸出電壓使AAU正常工作。供電電壓與供電距離選擇如圖5所示。
圖5 供電電壓與供電距離選擇圖
傳統備電系統放電時，電壓會隨著放電過程持續下降，如圖6所示。在AAU功耗較大、距離電源有一定距離時，電池電量無法充分放出，AAU提前因輸入電壓過低而終止工作，因此，備電系統也需支持恒壓輸出，保證停電時站點仍能正常工作。
圖6 電池放電電壓變化圖
4.3高效用電
4.3.1疊加太陽能應用
目前，太陽能生命周期度電成本目前已經低至約3至5美分/度，遠遠低于火電成本，在5G時代會迎來太陽能在通信能源的規模應用，通過光伏&市電智能調度技術、光伏發電控制技術應用，可以進一步提升太陽能發電效率，加速綠色能源的規模應用。這不僅僅是企業社會責任的一部分，同時也可大幅降低電費，降低OPEX。
4.3.2從室內到室外
當前仍有一定比例的站點為室內站，制冷系統消耗大量電力，導致站點能耗居高不下，典型室內站整站能效約為60%。通過室外化改造，站點能效可提升至85%至90%，可大幅降低制冷能耗，降低OPEX。
4.3.3低效電源改造
在站點和核心機房當前仍存在大量低效老舊電源，電源效率低于90%，可通過98%高效電源替換改造，節省電源損耗，降低OPEX。
4.3.4系統間聯動調度
通過系統間的聯動調度可實現更高的系統效率。例如AAU同電源聯動，供電電壓根據AAU負載率調整保持線損最小；站點供電同業務聯動，按需供電實現ECT（energy consumption per traffic）最低；AI技術引入，根據站點溫度、濕度、能源狀態、業務狀態實時調整系統運行參數，達到系統效率最高。
4.3.5業務聯動節能
當前網絡的建設是以滿足客戶最大語音/數據需求為基礎的分布式移動網絡，但流量消費天然具有時間、地點等屬性的波動性。
在保證KPI的情況下，通過業務側的關時隙、關符號、關通道、關載波和關頻段可以實現最高約10%~20的站點功耗節省；如通過多頻多模的協同和基于AI的載波關斷門限尋優，在業務低需求時對部分設備進行無關關閉，減少待機功耗；智慧能源站點可以支撐設備的遠程關閉/開啟，可以在業務需求和自然環境允許的情況下進一步關閉硬件，實現更高的收益。
5 總結和展望
本文提出了智慧能源目標網和智慧能源站點的核心思想，對其中的AI智能平臺和智慧能源設備提出了功能要求。可通過對現有的站點能源進行重構，減少建站成本、提升運維效率，聚焦降本增效，通過能源多輸入多輸出的架構適配5G網絡的建設需求。
另一方面，本思想理論可作為站點能源供電架構向能源互聯網轉型的參考，借鑒能源互聯的思路，智慧站點將具備阿米巴蟲自運營、自管理的能力，有助于實現能量和負載一體化的分布式管控和互聯網化的能量運營。
總之，該思想理論在業務上為智慧城市運營商的轉型保駕護航，在行業內初步實踐能源互聯網理論，為更多領域實現能源信息化提供了重要的理論和技術參考。 
