摘要：“蓄電池備電+移動(dòng)油機(jī)應(yīng)急發(fā)電”是有市電區(qū)域最基本的基站后備動(dòng)力保障配置方案。對(duì)于頻繁需要上站應(yīng)急發(fā)電的基站疊加小功率太陽能系統(tǒng)，可大幅降低應(yīng)急發(fā)電成本，并持續(xù)獲得電費(fèi)節(jié)省，投資回報(bào)周期小于3年。傳統(tǒng)疊光方案存在太陽能利用不充分、影響電池充電管理等問題，采用兼容太陽能輸入的開關(guān)電源系統(tǒng)疊光，可以低成本實(shí)現(xiàn)高收益。支持疊光的通信電源系統(tǒng)有利于在運(yùn)維期間動(dòng)態(tài)調(diào)整配置，針對(duì)應(yīng)急發(fā)電上站次數(shù)較多的基站實(shí)施疊光，能最小化疊光投資，在提高動(dòng)力保障的同時(shí)長期節(jié)省電費(fèi)和應(yīng)急發(fā)電成本。
一、電池和應(yīng)急發(fā)電問題多，成為斷站第一因素
隨著互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，人們生活已經(jīng)離不開網(wǎng)絡(luò)，需要無處不在的移動(dòng)寬帶。基站穩(wěn)定運(yùn)行是通信網(wǎng)絡(luò)高可用的基礎(chǔ)，由于停電不可避免，基站需要有合理的后備動(dòng)力保障方案。蓄電池+移動(dòng)油機(jī)是最常用的后備動(dòng)力保障方式，停電時(shí)由蓄電池支持基站工作，當(dāng)蓄電池容量不足時(shí)，調(diào)派移動(dòng)油機(jī)上站發(fā)電，保障基站運(yùn)行不中斷。
由于居民對(duì)噪聲的普遍反對(duì)，以及站點(diǎn)所在建筑物出入管理原因，實(shí)際上城市站點(diǎn)很難上站應(yīng)急發(fā)電；農(nóng)村站點(diǎn)發(fā)電距離遠(yuǎn)、高山站上站困難，應(yīng)急發(fā)電保障度困難。通過對(duì)基站通信中斷原因分析，平均57%網(wǎng)絡(luò)中斷與基站配套相關(guān)，停電是引起網(wǎng)絡(luò)中斷的第一要因。
以某市某運(yùn)營商3453個(gè)站點(diǎn)為例，高山站無法應(yīng)急發(fā)電的有195個(gè)，業(yè)主原因經(jīng)常無法上站發(fā)電的有2004個(gè)，無法用移動(dòng)油機(jī)保障的站點(diǎn)占比高達(dá)64%。該運(yùn)營商單月停電2771站次，由于停電原因發(fā)生斷站1923次，停電斷站率高達(dá)69%。停電斷站涉及1322站點(diǎn)，平均每站斷站時(shí)長高達(dá)2.1小時(shí)。應(yīng)急發(fā)電次數(shù)802次，停電發(fā)電比例29%，其中包括40次應(yīng)急發(fā)電不及時(shí)導(dǎo)致基站運(yùn)行中斷。由此可見，停電后不能應(yīng)急發(fā)電或應(yīng)急發(fā)電不及時(shí)是造成通信網(wǎng)絡(luò)中斷的第一因素。
二、蓄電池+移動(dòng)油機(jī)，后備動(dòng)力保障成本很高
在基站容量一定的條件下，蓄電池容量取決于后備時(shí)長要求，后備時(shí)長必須大于應(yīng)急發(fā)電上站時(shí)間，并留有足夠的余量。對(duì)于頻繁停電的基站，如果具備小型固定油機(jī)安裝條件，可安裝固定油機(jī)，不具備固定油機(jī)安裝條件的基站，適當(dāng)增配電池，如郊縣、農(nóng)村、山區(qū)備電時(shí)長可分別增至5、7、10小時(shí)。對(duì)于通信負(fù)載平均功率為2kW的站點(diǎn)，備電7小時(shí)需要配置一組500Ah蓄電池，電池成本很高。移動(dòng)油機(jī)作為應(yīng)急保障電源，停電時(shí)安排發(fā)電人員上站發(fā)電，即使應(yīng)急發(fā)電人員尚未到達(dá)站點(diǎn)時(shí)市電已恢復(fù)，也需要支付應(yīng)急發(fā)電費(fèi)用。
應(yīng)急發(fā)電成本包括上站人工費(fèi)用、發(fā)電油費(fèi)、移動(dòng)油機(jī)攤銷成本。上站人工費(fèi)用與當(dāng)?shù)貏趧?dòng)力成本相關(guān)，一般在300元/次左右；發(fā)電燃油成本與發(fā)電時(shí)長、耗油率相關(guān)，一般平均每次發(fā)電消耗50元左右燃油；移動(dòng)油機(jī)攤銷成本包括油機(jī)折舊、油機(jī)維護(hù)成本分?jǐn)�，平均每次發(fā)電分?jǐn)?0元左右。農(nóng)村站點(diǎn)是停電高發(fā)區(qū)域，平均月上站次數(shù)可能超過一次，按應(yīng)急發(fā)電成本每次380元計(jì)，如果每月發(fā)電一次，每年單站應(yīng)急發(fā)電成本4560元，發(fā)電成本很高。
減少停電斷站、提高通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量是通信動(dòng)力系統(tǒng)建設(shè)與維護(hù)的第一要?jiǎng)?wù)。不論是增配蓄電池延長備電時(shí)長、提高應(yīng)急上站發(fā)電次數(shù)、安裝固定油機(jī)等，都可以降低停電斷站率，提高通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。由于蓄電池成本很高，增加1小時(shí)備電時(shí)長平均每站每年需要投入400元左右；每增加1次應(yīng)急上站發(fā)電需增加380元左右；安裝固定油機(jī)一次性投入成本很高。不論是電信運(yùn)營商還是鐵塔運(yùn)營商，都需要有以較低成本提高保障質(zhì)量的解決方案。
三、站點(diǎn)疊光，低成本提高供電質(zhì)量、降低運(yùn)維成本
站點(diǎn)疊光方案，指在站點(diǎn)電源基礎(chǔ)上疊加太陽能，安裝僅滿足通信負(fù)載功率需求的太陽能電池板，優(yōu)先使用太陽能供電的方案。太陽能是可再生能源典型代表，疊加太陽能可降低站點(diǎn)電費(fèi)。例如，對(duì)于平均直流負(fù)載功率為2kW的站點(diǎn)，假設(shè)日照時(shí)數(shù)為4小時(shí)（全國省會(huì)城市貴陽最低2.84小時(shí)、拉薩最高6.7小時(shí)，一半以上超過4小時(shí)），采用疊光方案可年省電2920度，需要安裝約2.5kWp的太陽能電池板。客戶采購太陽能電池板、太陽能模塊及其安裝服務(wù)成本為22000元，如果電價(jià)為1元/度，則疊光方案的投資回報(bào)周期為7.5年左右，決策投資相對(duì)困難。
疊光后，如果基站停電發(fā)生在有日照的時(shí)段，可以不需要應(yīng)急發(fā)電。由于深夜通信業(yè)務(wù)較少、夜晚上站發(fā)電相對(duì)危險(xiǎn)等因素，實(shí)際很少夜間發(fā)電。此外，由于移動(dòng)油機(jī)普遍不防雨且室內(nèi)發(fā)電危險(xiǎn)，雨天一般也不發(fā)電。因此，應(yīng)急發(fā)電多在沒有下雨的白天進(jìn)行，該時(shí)間段太陽能可用概率很高，即使陰天太陽能發(fā)電量很少，也可延長電池備電時(shí)長。經(jīng)過測算，采用疊光方案的站點(diǎn)，可以減少80%以上上站應(yīng)急發(fā)電成本，并降低由于應(yīng)急發(fā)電不及時(shí)帶來的斷站風(fēng)險(xiǎn)。
例如，某市某運(yùn)營商共432個(gè)基站，2014年12月份發(fā)電77次，只有一次為夜間發(fā)電，發(fā)電次數(shù)TOP 10基站平均發(fā)電15.64小時(shí)，平均發(fā)電次數(shù)3.8次，最長一次發(fā)電時(shí)長僅5.42小時(shí)，發(fā)電時(shí)長相對(duì)平均。在相同應(yīng)急保障條件下，對(duì)于應(yīng)急發(fā)電TOP 10站點(diǎn)具備安裝太陽能電池板條件的，可采用疊光措施，假定減少應(yīng)急發(fā)電次數(shù)比例為80%，單站一個(gè)月可以節(jié)省上站費(fèi)用1155元。由于12月份并非停電高峰，評(píng)估單站一年可節(jié)省1.4萬元以上發(fā)電費(fèi)用，遠(yuǎn)比省電價(jià)值更大，投資回報(bào)周期僅1.3年左右。如果批量采用疊光方案，還可能獲得國家和地方政府財(cái)政補(bǔ)貼，如浙江省對(duì)于太陽能發(fā)電量每度補(bǔ)貼0.42元，可以進(jìn)一步降低投資回報(bào)周期。由于應(yīng)急發(fā)電成本以人工費(fèi)用為主，人工費(fèi)用呈長期上升趨勢，隨著應(yīng)用時(shí)間的增加，疊光方案回報(bào)越來越高。
3~5年是合理的投資回報(bào)周期，按示例，疊光方案總投資2.2萬元，只要每年節(jié)省超過4400元，就值得投資。一個(gè)2kW站點(diǎn)年省電按2920元計(jì)，只需要能年節(jié)省1480元應(yīng)急發(fā)電費(fèi)用即可滿足5年投資回報(bào)要求。按每次發(fā)電成本380元計(jì)，對(duì)于年上站應(yīng)急發(fā)電需求4次以上的站點(diǎn)，都值得投資疊光方案。如果太陽能發(fā)電可獲得補(bǔ)貼，如0.42元/度，每年補(bǔ)貼1226元，加之站點(diǎn)都或多或少存在應(yīng)急發(fā)電需求，對(duì)所有具備安裝太陽能條件的站點(diǎn)普遍疊光，會(huì)具備非常好的投資回報(bào)。一個(gè)單運(yùn)營商2G/4G站點(diǎn)或兩個(gè)運(yùn)營商單制式共享站典型負(fù)載平均功率接近2kW，可配置一個(gè)3kW太陽能模塊和9×250Wp太陽能電池板，只需要凈占地面積13平米。當(dāng)安裝面積不足時(shí)，可以欠配安裝，如只安裝1.5kW太陽能電池板，停電時(shí)不足的功率由電池補(bǔ)充,使原來只能備電3小時(shí)的站點(diǎn)（300Ah電池）在陽光較好時(shí)備電時(shí)長延長至12小時(shí)以上，同樣能大幅減少應(yīng)急發(fā)電次數(shù)。
四、傳統(tǒng)疊光方案，電池管理風(fēng)險(xiǎn)需要謹(jǐn)慎控制
傳統(tǒng)疊光方案指在站點(diǎn)內(nèi)增加一套獨(dú)立的太陽能系統(tǒng)，太陽能模塊輸出的直流電直接與存量開關(guān)電源直流輸出并聯(lián)，太陽能系統(tǒng)與開關(guān)電源互相獨(dú)立。由于需要優(yōu)先使用太陽能，太陽能系統(tǒng)輸出的開路電壓應(yīng)高于開關(guān)電源。對(duì)于傳統(tǒng)疊光方案來說，太陽能系統(tǒng)輸出電壓設(shè)置非常關(guān)鍵，不合適的設(shè)置會(huì)導(dǎo)致部分甚至全部太陽能被浪費(fèi)。當(dāng)開關(guān)電源或太陽能系統(tǒng)電壓測量電路出現(xiàn)偏差時(shí)，也可能發(fā)生同樣的結(jié)果。此外，開關(guān)電源均充時(shí)，由于電源輸出電壓更高，這段時(shí)間內(nèi)太陽能無法被利用。
開關(guān)電源具備蓄電池管理功能，能限制最大充電電流以保護(hù)蓄電池使用壽命。當(dāng)太陽能系統(tǒng)輸出電壓高于設(shè)置值時(shí)，過高的電壓使電池過充。由于疊加的太陽能功率大于負(fù)載功率是常態(tài)，在蓄電池需要充電時(shí)，多余的太陽能功率也會(huì)對(duì)電池進(jìn)行充電，使電池充電電流大于開關(guān)電源設(shè)定的充電限流值，蓄電池實(shí)際充電電流與開關(guān)電源系統(tǒng)測量值不一致，不利于蓄電池充電管理。
開關(guān)電源都有溫度補(bǔ)償功能，電池溫度補(bǔ)償范圍為±2V，由于開關(guān)電源溫度補(bǔ)償功能無法與太陽能系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，溫度降低時(shí)電源浮充電壓升高，導(dǎo)致太陽能浪費(fèi)，而溫度升高時(shí)太陽能輸出電壓不變，使電池加速充電失水。如果取消開關(guān)電源溫度補(bǔ)償功能，太陽能可以得到充分應(yīng)用，但會(huì)影響蓄電池使用壽命。
為了充分利用太陽能，保護(hù)電池壽命，對(duì)于傳統(tǒng)疊光方案需要準(zhǔn)確配置太陽能電池板數(shù)量，謹(jǐn)慎設(shè)置太陽能系統(tǒng)和開關(guān)電源電壓，并取消電池溫度補(bǔ)償功能，在溫度變化不大的室內(nèi)站點(diǎn)使用。
五、電源兼容太陽能，消除電池管理風(fēng)險(xiǎn)
隨著電力電子技術(shù)與數(shù)字信息技術(shù)融合發(fā)展，電源模塊控制芯片內(nèi)含軟件和算法，使硬件功能可由軟件定義，稱為軟電源（SDP，Software Defined Power），可以很方便地實(shí)現(xiàn)不同功能模塊兼容。太陽能模塊與整流模塊兼容就是典型的軟電源特性，采用兼容太陽能的開關(guān)電源系統(tǒng)，就能在任何合適的站點(diǎn)在電源模塊位置插入太陽能模塊，不需要采購獨(dú)立的太陽能控制系統(tǒng)，除了太陽能電池板采購及安裝費(fèi)用外，只需要從開關(guān)電源廠家購買一個(gè)太陽能模塊即可。
由于太陽能模塊與整流模塊兼容，通過同一個(gè)監(jiān)控模塊控制，不論太陽能功率大小，也不論蓄電池需求電壓高或低，都會(huì)優(yōu)先調(diào)度使用太陽能，使太陽能全部得到利用。太陽能模塊和整流模塊的輸出電壓統(tǒng)一控制，并與電池溫度補(bǔ)償同步，蓄電池充放電管理功能完全不受影響。山西鐵塔聯(lián)合華為試點(diǎn)MTS站點(diǎn)電源疊光，疊光工程量就是安裝太陽能電池板的工作量，系統(tǒng)不需要調(diào)試就成功投產(chǎn)。因此，部署站點(diǎn)時(shí)宜優(yōu)選支持疊光功能的電源系統(tǒng)，引導(dǎo)全行業(yè)電源向多功能兼容方向發(fā)展。對(duì)于存量宜疊光站點(diǎn)，如果存量電源不是高效電源且無法直接替換高效模塊，優(yōu)先采用多功能高效電源改造。
六、應(yīng)急發(fā)電TOP N管理，實(shí)現(xiàn)低成本疊光
由于站點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)時(shí)很難預(yù)測未來應(yīng)急發(fā)電情況，對(duì)于投產(chǎn)后的站點(diǎn)可以采用基于短板改進(jìn)的應(yīng)急發(fā)電次數(shù)TOP N管理手段，通過站點(diǎn)網(wǎng)管系統(tǒng)對(duì)應(yīng)急發(fā)電次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選擇應(yīng)急發(fā)電次數(shù)多、合適安裝太陽能電池板的站點(diǎn)進(jìn)行疊光，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配置，最小化疊光成本。如山西試點(diǎn)的疊光站點(diǎn)就是停電次數(shù)較多的站點(diǎn)，經(jīng)測算，站點(diǎn)疊光年收益高達(dá)2.1萬元/年，非�？捎^。
如果全面采用支持疊光的電源系統(tǒng)，定期對(duì)區(qū)域內(nèi)基站應(yīng)急發(fā)電次數(shù)TOP N站點(diǎn)進(jìn)行疊光、疊油（不具備安裝太陽能條件，但可安裝固定油機(jī)的）、疊電（對(duì)于不能疊光、疊油的站點(diǎn)，可直接增配新電池或鋰電池）等手段優(yōu)化，逐漸消滅需要頻繁應(yīng)急發(fā)電的站點(diǎn)，大幅度減少應(yīng)急發(fā)電上站次數(shù)，降低應(yīng)急發(fā)電成本，并在節(jié)能的同時(shí)提高基站可靠性。到目前為止，疊光是以較低成本實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)供電高保障的首選方案。
中國鐵塔股份有限公司 高健 華為技術(shù)有限公司 章異輝
