Labs 导读
本文针对当前5G站点能源建设遇到的困难做了详尽的分析，提出了供电架构向智慧能源架构演进的思路，并对其可行性和经济社会效益进行了分析，同时对下一代站点能源产品提出了要求。
作者：
中国移动通信集团设计院有限公司 刘宝昌
中国移动通信集团采购共享中心 郑宏
1 5G时代站点能源的挑战与机遇
5G网络作为下一代通信技术，将提升更多行业的数字化水平，包含智能制造、远程医疗、远程教育、智能交通、智能物流、无人驾驶、无人机巡检等，成为我国推进供给侧结构性改革的新动能、振兴实体经济的新机遇、建设制造强国和网络强国的新引擎。
5G网络建设，站点基础设施先行，但当前站点能源的建设定位依然是配套，供电架构延续被动单向供电模式，因此市电电源、直流电源、ICT设备负载呈现出三个烟囱式的架构，如图1所示：
图1 站点供电架构现状
1.1通信负载供电需求分析
通信站点负载在5G时代对供电系统提出了更高的要求：
（1）站点功耗大——如何经济的进行站点建设？
（2）供电复杂——如何实现供电制式的软件定义？
（3）可靠性要求高——如何保证能源供给的高可用度？
1.1.1 通信负载功耗需求
首先，5G时代万物互联，“大连接、大带宽”的业务模式，注定使基站的功耗大幅增加；其次，5G高频覆盖导致站点加密，杆微站点增多，原有宏站电源不仅要供给本站的负载，还考虑拉远站点的能源供给；最后，随着网络向“以客户体验为中心”进行演进，核心网用户面设备和边缘计算设备会进一步下沉到基站侧，以保证自动驾驶、远程医疗等业务的端到端低时延，供电需求将更加复杂。
1.1.2 行业负载功耗需求
5G使能行业数字化，行业专用设备及终端需要部署在基站侧，一方面对供电制式提出了新的要求，如何兼容新的供电制式；另一方面由于行业终端大量接入，站点功耗将持续增加。
1.2电力供给发展分析
当前电力供给依然是低频模拟能量流，并且当前电网配置的储能电站、调峰电站，依然在电力供给侧进行优化；随着5G网络的快速发展，负载侧能源需求急剧上涨，电力供给压力凸显：
（1）接入站点市电扩容比例高、工期长：
主要城市包括各直辖市、省会城市及经济较好省份，因历史问题，转供电比例大，且无法保证持续扩容；
按照传统站点建设模式，30%站点市电容量不足，需进行市电增容；
市电增容审批流程周期长，同时严重依赖现有国网路由建设情况。
（2）汇聚机房市电增容费用高：
随着5G网络进一步扁平化，核心网用户面设备下沉、边缘计算服务器的部署，核心机房/汇聚机房功耗大幅增长，仅市电增容改造需8~10万元人民币的建设费用；
调研证明，电网的单相树状拓扑无法满足ICT领域急剧增加的负载功耗需求，在建设中存在错位现象，导致站点无法扩容。
因此，从电网的角度，期待站点电源自身可以实现阿米巴经营，即成为具备一定调度能力的分布式供电节点（市电、储能、新能源、燃料电池等），来满足通信网络的供电需求。
1.3站点电源现状分析
目前，站点电源的建设普遍存在短视的问题，以配套的思维来进行补丁式建设，管理手段也无法适配网络的演进，主要表现如下：
（1）为了简化能源部分的建设，存在多期重复建设的问题，站点资源硬件隔离无法共享，造成投资浪费；一方面站点配套资源持续堆积，站点租金、电费等持续上涨，另一方面站点资源难以整合利用，升级改造费用高。
（2）OPEX居高不下，能源及基础设施的管理依然处于较落后的状态；需要引入互联网的思维来重构现有站点运维系统，提升运维效率。
综上，站点能源建设上需要引入无线网络目标网的思路，避免投资的盲目性，提升投资效率；站点运维上需要引入IoT物联网技术、站点3D建模等新技术，将站点的实际情况精准的映射到网络中，同时通过对运维数据的挖掘，实现主动运维、提前预判。
基于负载侧的巨大变革、电网发展的不匹配以及站点能源系统本身存在的问题，需要构筑一个面向未来网络并可持续演进的站点能源系统，并以此为基础建设一个与移动网络紧耦合的智慧站点能源目标网，其特点应表现为：
（1）智能化：电源功能软件定义，支持与电网的交互、支持与负载的联动、支持储能的持续扩容，通过自适应的能源调度提升站点可用度；
（2）模块化：系统子部件要支持模块化演进，实现极简部署、按需扩容，保证投资效率的提升；
（3）高效化：高效体现为高效利用能源、高效维护；以最低瓦特成本为考核目标可靠站点建设和维护。
2 智慧站点能源目标网的可行性分析
目前，站点能源具备“分布式储能”能力，可引入“可再生能源”进行“分布式发电”降低碳排放，同时兼容拉远杆微站点的供电；根据杰里米·里夫金对能源互联网的定义，站点能源具备能源互联网中“可再生能源、分布式发电、分布式储能、能源互联”四要素，且自身就在ICT行业，应该作为能源互联网技术应用的“试验田”。
此外，近些年站点能源领域自身也在进行网络化和智能化的演进，现就当前的新技术和新趋势予以介绍。
2.1以站点电源为中心的智能站点网络
近些年，运营商面临流量和收入的剪刀差，OPEX居高不下，为提升站点的运维效率，全球运营商/铁塔公司均对站点的数字化、智能化进行了大量实践；据了解，中国铁塔公司通过部署FSU来提升站点运维的效率，但当前“只监不控”且未对运维数据进行有效的数据挖掘分析。
随着工控芯片的发展，高频整流电源的控制器能力迅速提升，具备整站管理的能力，可提升站点能源可用度，并且通过对运行数据的挖掘和分析可实现站点运维的闭环管理，实现精细化运维、前瞻性运维，指导站点进行精准投资。站点能源智能管控演进如图2所示：
图2 站点能源智能管控演进图
2.2软件定义的电源模块
整流电源模块实现了小型化，但面向未来网络演进，各种换能模块增多，如新能源模块、高压直流模块等，会导致备件管理增大；经调研，业内已有厂家推出软件定义的电源模块，通过软件的升级可实现太阳能转换、高压直流转换和整流转换。
如果能进一步完备软硬件的解耦和供电的分路隔离，即可实现软件定义按需输出的能源系统。
2.3高密化智能化的锂电储能
锂电池的发明，开启了电子设备便携化的进程，促进了移动网络终端的繁荣；随着电子产品、储能电站和电动汽车的广泛应用，锂电池价格持续下降，掀起了锂电替换铅酸的趋势，与传统铅酸电池相比较，锂电池主要优势如下：
（1）循环寿命更长：锂电池的循环寿命是铅酸的5~10倍；
（2）高温适应性强：35度工作温度对锂离子电池寿命和性能无影响；
（3）短时备电降额系数低：1C放电场景，锂电池可以100%能量输出，而传统铅酸电池仅有40%~55%。
（4）数字运维：锂电池的电池管理单元实现了对电芯的精细化、数字化管理；通过上报电池的荷电状态和健康度，可作为能源互联网中备电经营的基础；
（5）智能混用：现阶段锂电池和铅酸电池混搭场景较多，行业内除了原有的外置电池合路器外，已出现以固态变压器（双向DC/DC转换）为核心的内置合路器，通过锂电池架构上的创新赢得运维和使用上的便捷，保障了汇聚机房/核心机房锂电池备电的可靠性和安全性。
2.4他山之石的云调度
2018年滴滴出行运送乘客超过100亿人次，用户行程总里程达 488亿公里。通过兼备云计算、AI 技术、交通大数据和交通工程的智慧交通战略产品——“交通大脑”，减少 150.7万吨二氧化碳排放，相当于 80 万辆小汽车年均形势 1万公里的排放量。
通信需求和出行需求同为人类最基本的需求，能源供给又是支撑上述两个需求的基石，通过滴滴的实践可以看到，节省下的每一份能源都将汇流成海，站点能源运维同样需要一份“智慧大脑”，支撑站点管理和运维的升维。
综上，现有站点能源的管理和供电技术均有了革命性的进展，智慧站点能源目标的建设需要以此为据，找到新技术和经济性的平衡点，并且利用云、大数据的澎湃算力和AI的智能分析，摆脱现在站点能源建设和运维的落后状态，提升站点能效、简化运维，达到降本增效的目的。
3 智慧能源目标网的架构
基于调研，智慧能源目标网分为三层架构“AI平台——智能OSS——站点”，可以支撑“一站一策”的执行，使站点能源建设有依据、投资更精准，使运维有保障、管理维度更精细；改善以往建设中虽然建站标准清晰，但是未考虑站点实际运行情况，造成转维后进行补丁式建设的问题。智慧能源目标网架构如图3所示：
图3 智慧能源目标网架构图
3.1人工智能（AI）平台
首先，利用AI平台的云和AI的能力支撑“一站一策”的算力需求，通过对运维数据进行多维大数据分析和数据挖掘，简化站点的运维，具体功能需求如下：
（1）告警智能分析，通过对告警的关联分析，向运维人员的运维平板电脑发送可能系统拓扑图，可能故障点、潜在风险、物料需求等信息，一次上站解决站点问题；
（2）建立运维专家系统，将站点问题的解决方案收集整理，形成线上线下的闭环，简化运维难度；配置工业平板或头戴式智能终端，便于专家在运维中心指导现场运维，最大程度利用专家资源；
（3）挖掘站点故障题出现之前的运行数据异常情况，形成主动运维的依据，做到防患于未然；
（4）为能源与通信业务联动节能的策略提供依据。
3.2智能网管系统
传统网管更多是运维数据的上报和收集系统，没法直观展示站点运维情况；大量运行数据从产生到删除只是被存储，没有得到充分的利用，对站点改造前后的效果没有闭环分析；告警信息无分析，交流市电断开系统会出现4~5条告警，需要运维人员基于自身经验进行分析，对运维人员要求高，且维护效率低下。
智能网管，作为运维可视化的窗口，主要聚焦如下几点：
（1）整网运行的可视化呈现，提供多个角色的展示界面，对管理者只展示结果；对专家展示数据初步分析的结果和历史告警处理方法；通过工业平板或智能穿戴设备对站点工程师进行指导，最大化专家资源利用率；
（2）定制化运维报表的定期输出，有利于通过区域赛马实现站点能源等指标的持续提升；
（3）站点改造后的数据呈现，支持虚拟化站点子集设置，验证改造后的效果，支撑投资效果的验证，实现投资闭环管理；
（4）业务联动策略的下发，根据站点情况、业务需求等因素的综合分析结果下发智慧站点能源。
3.3智慧站点能源
智慧站点能源，作为站点路由器，适配5G建设及后续演进的需求，并结合站点的实际情况，进行站点能源的智能调度，具体功能要求如下：
（1）电网自适应和新型能源的接入，根据电网情况调整交流输入策略，市电稳定则限制交流输入功率，市电不稳则限制交流输入电流，最大程度保证站点可用度；新型能源接入，如太阳能、燃料电池等。
（2）存量电源、电池的并机管理，盘活存量站点资源；保证站点按照最优路径平滑演进到智能电源平台。
（3）负载和能源联动的执行，平台下发策略的执行以及和主设备业务的联动，实现站点资源的充分利用；
（4）聚焦能源多种输出，支撑行业终端的接入；支持高压直流输出，支撑拉远站点的能源供给；支持逆变模块的输出，支撑核心网设备、MEC设备的供电；
（5）智能配电单元，实现远程监测和开关，配合能源业务联动的实现；
（6）智能锂电池，通过固态变压器的部署支持储能持续扩容，满足现阶段新旧电池混用、后续持续扩容的需求；同时，在不影响现有储能的情况下，电源和智能锂电联动，实现负载削峰、错峰用电等功能；配合整网的储能调度，可为电网提供调频调峰服务，实现电力系统负载侧的联动。
综上，通过对智慧站点能源目标网的构筑，将提升管理、运维、建设等多方面的能力，为通信网络构筑能源供给的基石。
4 智慧能源目标网的效益分析
智慧能源网络的构筑，是通过ICT的信息化手段，能源互联网的思维构筑电信运营商能源专业的竞争力。以往站点能源供给的可靠性是通过堆积资源实现，智慧能源目标网的构建，不仅可以实现更高的可靠性，还可以显著的减少能源演进和建设方面的投资——通过集成获取站点可靠性增益，通过模块化降低能源目标网演进门槛。
4.1部署极简、运维极简和演进极简
4.1.1部署极简
要求在5G NR部署的过程中尽量做到不增加机柜，这就要求站点供电系统进一步提升功率密度，使得在同等空间内，能够容纳更高功率的供电、备电设备。
以目前主流使用的室外机柜为例，柜内总空间约30U，除电池18U，BBU两台4U，传输2U之后电源空间约4U，容量需求约24kW，要求每U功率密度约为6kW/U，目前主流电源产品的功率密度约2kW/U，需要提升至少3倍。
对于备电系统，建议采用更高能量密度的锂电替代传统铅酸电池，实现同等空间内收容更大容量的备电电池。传统电池仓7.5~8U的空间仅能收容一组200Ah铅酸电池，如更换为单组3.6U的150Ah锂电池，则可以实现1.5倍以上的容量增加。
以上述改造场景为例，20~30%的站点无需新增机柜，将节省大量的工程费用。
4.1.2运维极简
为降低运维成本，5G网络能源运维系统应首先完成站点设备的数字化改造，使站点设备信息都可以上传至运维管理系统，在站点侧通过电源控制器+无线传感器改造哑设备将会是主流技术，同时部分产品也将通过IoT技术实现组网。
其次运维管理系统需要从信息收集、集中展示转变为主动风险管理、主动运维，例如电池、温控设备的健康度管理，提前预警风险并精准维护，从而有效降低网络故障，改善KPI。
此外，运维管理系统应该具有智能分析能力，针对海量站点主动的智能提取关键信息，例如针对站点故障，运维管理系统应从历史状态数据、告警数据中建立故障发生模型，从而提取出故障根因，指导维护动作，提升效率。
通过运维工作的升维管理，站点可靠性提升，站点运维费用进一步明晰，有助于提升投资效率。
4.1.3演进极简
5G网络会经历几个阶段最终实现5G网络的全面覆盖：
阶段1：5G早期部署阶段，5G站点小批量部署同时伴随4G站点部署；
阶段2：全面的5G FR1频段部署及小批量FR2频段部署
阶段3：FR2频段连续覆盖部署
面向演进的模块化设计需要包括但不限于：功率、配电、多能源输入输出、备电、温控等，现阶段站点普遍采用多套电源简单叠加，分别为不同设备供电，重复投资。系统全模块化扩容具有无可比拟的优势：
（1）一次性部署，减少后续部署难度，缩短TTM。
（2）单个系统管理简单，故障定位快速准确，维护效率高，MTTR短。
（3）供电能力池化，容灾能力强，部件故障影响小。
智慧站点能源的模块化架构，将使站点升级更简单，减少不必要的工勘，减少部署时间，减小站点运维难度，提升站点的可靠性。
4.2能源智能调度
前文提及现有的站点能源可用度是通过多层冗余实现的，无法适应当前5G的建设和持续演进。
因此，需要通过智能化手段使电源系统同站点其他设备系统联动起来，优化各系统间的调度，提升利用率，避免大规模的工程改造。
例如：储能与用电功率联动，其工作原理如图4所示，在用电功率出现峰值时，调度站点储能放电，在用电功率降至市电容量以下时，启动电池充电。在市电容量普遍周期长、成本高的现状下，这种设计能带来大量的部署时间节省和成本节省，应成为供电系统的标配功能。
图4 储能与用电功率联动工作原理示意图
此外，通过智能化手段也可以解决5G AAU供电问题，由于功耗过大，传统电压制式配合细线缆给5G AAU供电时会导致线损大、供电距离受限的问题，相比于更换粗线缆，采用升压供电在工程上和成本上更有优势。但是考虑到AAU在不同带载率下功耗差异问题，升压需要具有一定的智能性：能够跟踪AAU的功耗变化匹配不同电压进行供电，才能保证在高负载时线损最小，同时在低负载时，自动调整输出电压使AAU正常工作。供电电压与供电距离选择如图5所示。
图5 供电电压与供电距离选择图
传统备电系统放电时，电压会随着放电过程持续下降，如图6所示。在AAU功耗较大、距离电源有一定距离时，电池电量无法充分放出，AAU提前因输入电压过低而终止工作，因此，备电系统也需支持恒压输出，保证停电时站点仍能正常工作。
图6 电池放电电压变化图
4.3高效用电
4.3.1叠加太阳能应用
目前，太阳能生命周期度电成本目前已经低至约3至5美分/度，远远低于火电成本，在5G时代会迎来太阳能在通信能源的规模应用，通过光伏&市电智能调度技术、光伏发电控制技术应用，可以进一步提升太阳能发电效率，加速绿色能源的规模应用。这不仅仅是企业社会责任的一部分，同时也可大幅降低电费，降低OPEX。
4.3.2从室内到室外
当前仍有一定比例的站点为室内站，制冷系统消耗大量电力，导致站点能耗居高不下，典型室内站整站能效约为60%。通过室外化改造，站点能效可提升至85%至90%，可大幅降低制冷能耗，降低OPEX。
4.3.3低效电源改造
在站点和核心机房当前仍存在大量低效老旧电源，电源效率低于90%，可通过98%高效电源替换改造，节省电源损耗，降低OPEX。
4.3.4系统间联动调度
通过系统间的联动调度可实现更高的系统效率。例如AAU同电源联动，供电电压根据AAU负载率调整保持线损最小；站点供电同业务联动，按需供电实现ECT（energy consumption per traffic）最低；AI技术引入，根据站点温度、湿度、能源状态、业务状态实时调整系统运行参数，达到系统效率最高。
4.3.5业务联动节能
当前网络的建设是以满足客户最大语音/数据需求为基础的分布式移动网络，但流量消费天然具有时间、地点等属性的波动性。
在保证KPI的情况下，通过业务侧的关时隙、关符号、关通道、关载波和关频段可以实现最高约10%~20的站点功耗节省；如通过多频多模的协同和基于AI的载波关断门限寻优，在业务低需求时对部分设备进行无关关闭，减少待机功耗；智慧能源站点可以支撑设备的远程关闭/开启，可以在业务需求和自然环境允许的情况下进一步关闭硬件，实现更高的收益。
5 总结和展望
本文提出了智慧能源目标网和智慧能源站点的核心思想，对其中的AI智能平台和智慧能源设备提出了功能要求。可通过对现有的站点能源进行重构，减少建站成本、提升运维效率，聚焦降本增效，通过能源多输入多输出的架构适配5G网络的建设需求。
另一方面，本思想理论可作为站点能源供电架构向能源互联网转型的参考，借鉴能源互联的思路，智慧站点将具备阿米巴虫自运营、自管理的能力，有助于实现能量和负载一体化的分布式管控和互联网化的能量运营。
总之，该思想理论在业务上为智慧城市运营商的转型保驾护航，在行业内初步实践能源互联网理论，为更多领域实现能源信息化提供了重要的理论和技术参考。 
