為響應(yīng)國家電網(wǎng)號召，全力推進(jìn)新型數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，綜合能源事業(yè)部技術(shù)支持中心根據(jù)事業(yè)部業(yè)務(wù)和工作經(jīng)驗針對5G基站應(yīng)用場景提出綜合能源服務(wù)系統(tǒng)解決方案。
1. 概述
2018年12月，中央經(jīng)濟(jì)工作會議在北京舉行，會議重新定義了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，把5G、人工智能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)定義為“新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”。2019年是5G規(guī)模部署的元年， “加強(qiáng)新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”被列為2019年政府工作報告。2020年3月，中共中央政治局常務(wù)委員會召開會議提出，加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度?？傮w而言，中國5G商用提速，建設(shè)周期有望壓縮，預(yù)計2020年5G將全面覆蓋所有地級市城區(qū)，2020年新增建設(shè)的5G基站規(guī)模約為68萬站。
5G信息傳輸?shù)男蚀蠓奶嵘?，同時，傳輸?shù)木嚯x縮短，不同于4G基站，5G組網(wǎng)所需要的基站密度更高，在城市建設(shè)中，普遍存在選址難、布線難等問題，城市組網(wǎng)項目的周期更長，投資也更高。能耗方面，相比于4G基站，5G基站的能耗更高，密度更大，維護(hù)成本更高，其所面臨的難點和痛點均與供電供能息息相關(guān)：
（1） 轉(zhuǎn)供電方面：基站轉(zhuǎn)供電一直是困擾運(yùn)營商和鐵塔公司的難題，也是電費(fèi)高企的重要原因，僅靠運(yùn)用上和鐵塔公司進(jìn)行轉(zhuǎn)改直供電難度較大。
（2） 計量方面：基站運(yùn)營無法精準(zhǔn)計算各分路、分戶用電量及實時線損，電費(fèi)失真，盜竊電、跑冒滴漏。
（3） 電費(fèi)分?jǐn)偅喝筮\(yùn)營商不認(rèn)可基站分?jǐn)傠娰M(fèi)，電費(fèi)核對結(jié)算工作繁雜，管理成本增加。
（4） 電能管理：缺乏更專業(yè)的供能設(shè)備、遙信遙測遙控技術(shù)、蓄電池管理以及施工、運(yùn)維、搶修等先進(jìn)的電能管理技術(shù)和機(jī)制。
顯然，這些難點和痛點為電力企業(yè)參與5G建設(shè)，實現(xiàn)互利共贏提供了契機(jī)，技術(shù)層面體現(xiàn)了能源與信息的深度融合。
2. 5G+能源互聯(lián)網(wǎng)
能源互聯(lián)網(wǎng)信息采集和數(shù)據(jù)傳輸需要5G網(wǎng)絡(luò)高速的數(shù)據(jù)傳輸速率和低時延，以保證電網(wǎng)信息流的雙向傳輸；多元化的數(shù)據(jù)融合與信息展示平臺是數(shù)據(jù)匯聚點和能源互聯(lián)網(wǎng)信息加工后的展示，需要大數(shù)據(jù)技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，對數(shù)據(jù)處理結(jié)果有針對性地輸出和應(yīng)用；能源互聯(lián)網(wǎng)的高級應(yīng)用是對網(wǎng)上的各個單元提供服務(wù)和應(yīng)用平臺，需要5G網(wǎng)絡(luò)提供相應(yīng)的用戶體驗質(zhì)量保障和安全保障。
5G通訊技術(shù)在無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的創(chuàng)新促進(jìn)了5G與能源互聯(lián)網(wǎng)的深層次融合，解決了諸多工業(yè)領(lǐng)域中的快速信息轉(zhuǎn)換問題，利用5G的高速通訊解決綜合能源系統(tǒng)的高效組網(wǎng)問題，提升綜合能源服務(wù)的質(zhì)量和效率，探索“5G+綜合能源”的應(yīng)用場景，將是拓展5G應(yīng)用的重要方面。
3. 5G基站綜合能源服務(wù)系統(tǒng)解決方案
3.1 5G基站共享
作為5G建設(shè)的核心難點：投入成本太高、建設(shè)周期長、信號覆蓋距離有限等問題，導(dǎo)致5G基站的建設(shè)將更為密集。根據(jù)工信部統(tǒng)計，與4G同規(guī)模的5G組網(wǎng)基站數(shù)將至少是4G基站的兩倍，巨大的投資成為運(yùn)營商發(fā)展5G的巨大障礙，采用共享租賃基站的模式可有效解決5G基站發(fā)展建設(shè)的難點，并且可有效節(jié)約土地資源，符合國家發(fā)展利益。
整合電力系統(tǒng)現(xiàn)有變電站、供電所、開關(guān)站、配電室、鐵塔及中低壓線路電桿、電纜溝等基礎(chǔ)設(shè)施資源，盤活電網(wǎng)企業(yè)現(xiàn)有的閑置資源，實現(xiàn)運(yùn)營商攜帶主設(shè)，基站一天安裝開通，助力5G基站建設(shè)提速。
基站共享的技術(shù)模式主要針對的是拉遠(yuǎn)基站和小微基站。利用現(xiàn)有變電站、供電所、桿塔等資源建設(shè)拉遠(yuǎn)基站，利用分支箱、充電樁等建設(shè)小微基站。
技術(shù)方案示例如下：
1）5G基站與變電站：南京聯(lián)通聯(lián)合南京供電公司在小營變電站內(nèi)成功開通5G基站，是國內(nèi)首次在變電站內(nèi)建設(shè)5G基站，共享電力基礎(chǔ)設(shè)施部署5G基站，縮短了建設(shè)周期。
2）5G基站與輸電桿塔：南京供電公司聯(lián)合南京鐵塔公司利用輸電桿塔掛載5G基站。完成國內(nèi)首次利用輸電桿塔掛載5G基站，在同一座單管塔上同時掛設(shè)移動4G、5G及電力無線專網(wǎng)天線；東莞實現(xiàn)110千伏鐵塔通信基站安裝，塔下建設(shè)通信機(jī)房，實現(xiàn)“共享鐵塔”。
3.2 5G基站用能托管
5G基站用能托管模式全面針對運(yùn)營商在5G基站建設(shè)過程中的痛點和難點，為運(yùn)營商提供基站電源建設(shè)配套、老基站轉(zhuǎn)改直工程改造、基站運(yùn)維服務(wù)、基站儲能增值服務(wù)。提供更專業(yè)的供能設(shè)備、遙信遙測遙控技術(shù)、蓄電池管理以及施工、運(yùn)維、搶修等先進(jìn)的電能管理技術(shù)和機(jī)制。
1）基站電源建設(shè)配套：基于5G基站共享，承接運(yùn)營商基站電源建設(shè)和配套，主要包括雙回路直供市電、光纖鋪設(shè)引入、智能交直流配電柜安裝、直流分路計量表計安裝和調(diào)試、完備的空調(diào)/動環(huán)/防雷以及5G基站的UPS安裝調(diào)試。同時，基于基站電源建設(shè)配套，開展分布式微網(wǎng)供能工程，引入太陽能光伏、分散式風(fēng)電、儲能的綜合電源建設(shè)。
圖1 基站電源建設(shè)流程圖
2）轉(zhuǎn)改直工程改造：轉(zhuǎn)供電改直供電是降低運(yùn)營商用電成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過技術(shù)團(tuán)隊開發(fā)專業(yè)的收費(fèi)計費(fèi)平臺和一體化智能箱體，形成技術(shù)軟硬件支撐，協(xié)調(diào)供電公司和鐵塔集團(tuán)，建立電費(fèi)托管合同，電費(fèi)按約定統(tǒng)一結(jié)算。工程改造主要包括收費(fèi)計費(fèi)平臺服務(wù)、計費(fèi)表計安裝及維護(hù)等。
圖2 轉(zhuǎn)改直工程改造流程圖
3）基站運(yùn)維托管：依托“能源智云”云平臺，支撐基站代維托管服務(wù)，提供分戶計量，為運(yùn)營商提供電費(fèi)結(jié)算收費(fèi)管家式服務(wù)：
A-監(jiān)測與計量
基站綜合監(jiān)控以基站內(nèi)供能設(shè)備和用能設(shè)備監(jiān)控為主體，增加室內(nèi)監(jiān)控，更新基站監(jiān)控中心監(jiān)控軟件，全面監(jiān)控基站內(nèi)供能與用能信息，實現(xiàn)基站內(nèi)電氣主接線，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、異常事件上報，運(yùn)行參數(shù)顯示與設(shè)置，統(tǒng)計報表等供能。
基站異常事件主動上報能夠監(jiān)測基站配電系統(tǒng)的電壓異常、電流異常、負(fù)荷超載、缺相、三相不平衡、溫度異常、煙感異常、視頻異常等遙測信號告警信息。
電費(fèi)管理是以基站內(nèi)供、用能設(shè)備分路實時監(jiān)測與精準(zhǔn)計量為前提，對基站電費(fèi)進(jìn)行全面管理，具有電價管理、營銷算費(fèi)、收費(fèi)管理、繳費(fèi)查詢等供能。
竊電分析能夠依托云平臺基站電量大數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)用電異常，及時對疑似竊電基站進(jìn)行預(yù)警，及時安排巡檢，避免電費(fèi)損失。
B-離網(wǎng)供電方案
用于邊遠(yuǎn)地區(qū)基站，需要可靠性較高但成本又合理的獨立供電系統(tǒng)，但柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)輸成本高，燃料的使用和柴油發(fā)電機(jī)的技術(shù)支持等維護(hù)費(fèi)用較高，對環(huán)境的污染和破壞明顯，基于此，具有高可靠性的低成本風(fēng)光柴蓄混合能源系統(tǒng)是實現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)基站正常使用的重要途徑。
C-節(jié)能優(yōu)化
對基站機(jī)房的本體進(jìn)行節(jié)能，如嚴(yán)格的氣密性、墻體屋頂節(jié)能、門窗節(jié)能；對精密空調(diào)進(jìn)行節(jié)能調(diào)控，如加濕節(jié)能、除濕節(jié)能、運(yùn)行節(jié)能調(diào)控；對機(jī)房環(huán)境節(jié)能，如環(huán)境溫度精準(zhǔn)測量、環(huán)境溫度精準(zhǔn)控制；氣流組織節(jié)能，如冷通道封閉、機(jī)柜布局、機(jī)柜布線、送回風(fēng)系統(tǒng)等。
對機(jī)房開展降耗改造，采用熱管背板等技術(shù)開展精密空調(diào)節(jié)能改造，比傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)節(jié)能35%-40%。綜合能耗分析以基站監(jiān)測與計量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過大數(shù)據(jù)橫向、縱向分析基站能耗信息，為基站節(jié)能方案與優(yōu)化方式提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時為基站電能擴(kuò)容和新能源接入規(guī)劃提供支撐。
4）基站儲能增值服務(wù)：通過基站智能鋰電錯峰，也可以實現(xiàn)節(jié)省用電支出。對于直供電站點，采用鋰電池儲能，讓站點錯峰運(yùn)行。對于老基站的鉛酸電池根據(jù)情況提供改造服務(wù)。同時，依托“能源智云”平臺，建造儲能云平臺，與電網(wǎng)互動實現(xiàn)需求響應(yīng)。
圖3 基站儲能增值服務(wù)流程圖
3.3 5G基站節(jié)能技術(shù)方案
3.3.1 5G宏基站綜合節(jié)能技術(shù)方案
5G宏基站節(jié)能整體解決方案以末端節(jié)能技術(shù)為基礎(chǔ)，利用自動控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠(yuǎn)程管理軟件技術(shù)，為客戶（用能單位）搭建“節(jié)能綜合管理與控制系統(tǒng)”，實現(xiàn)節(jié)約客戶原有的冷源（空調(diào)）耗電的目的，并且可以提高能耗管理水平。
方案的主要由軟件平臺、節(jié)能控制柜（含控制、傳輸、計量、存儲、反饋5大模塊）和末端替代冷源（智能新風(fēng)機(jī)、基站熱管空調(diào)等）組成，系統(tǒng)架構(gòu)可用圖3來表示：
圖4 5G宏基站節(jié)能整體解決方案系統(tǒng)架構(gòu)圖
方案包含的技術(shù)原理主要由以下幾部分構(gòu)成：
（1）節(jié)能綜合管理與控制系統(tǒng)（軟件平臺）
利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)將所有末端節(jié)能控制節(jié)點連接起來，實現(xiàn)：
? 實時的能耗數(shù)據(jù)及環(huán)境采集計量
? 耗電數(shù)據(jù)和節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析
? 節(jié)能策略批量遠(yuǎn)程下發(fā)
? 節(jié)能狀態(tài)實時監(jiān)控與告警
（2）節(jié)能控制柜
節(jié)能控制柜是每一個節(jié)能控制節(jié)點的核心設(shè)備，它包含了控制模塊、傳輸模塊、計量模塊和反饋模塊，通過自動控制技術(shù)將本地的冷源設(shè)備(包括空調(diào)機(jī)、新風(fēng)機(jī)、熱管機(jī)等)進(jìn)行聯(lián)動，根據(jù)本地實時的溫度、濕度等環(huán)境狀態(tài)，自動控制相關(guān)冷源設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)。以新風(fēng)機(jī)、熱管空調(diào)機(jī)組等設(shè)備作為替代冷源，減少原有冷源（空調(diào)）的運(yùn)行時間，從而達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。計量模塊主要用于對節(jié)能控制節(jié)點的冷源設(shè)備能耗進(jìn)行計量，而反饋模塊主要用于對冷源設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測。傳輸模塊（包括：有線和無線傳輸模式）是節(jié)能控制柜與中心服務(wù)器之間的通訊橋梁，它通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程的“節(jié)能綜合管理與控制系統(tǒng)”相連，實時上傳節(jié)能控制節(jié)點的能耗、環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并接受來自于控制系統(tǒng)的節(jié)能策略或其它控制命令。
（3）末端節(jié)能技術(shù)
在末端節(jié)能節(jié)點，主要采用新風(fēng)技術(shù)（智能新風(fēng)機(jī)）、熱管空調(diào)技術(shù)、板式換熱技術(shù)、蓄電池恒溫技術(shù)等，為空間提供低能耗的替代冷源，通過以上所述的“節(jié)能綜合管理與控制系統(tǒng)”與“節(jié)能控制柜”進(jìn)行智能控制，以減少原有高能耗冷源（空調(diào)）的開啟時間，達(dá)到節(jié)能的目的。
3.3.2 5G拉遠(yuǎn)/微基站節(jié)能技術(shù)方案
區(qū)別于5G基站的“廠房”綜合節(jié)能， 5G拉遠(yuǎn)/微基站節(jié)能主要依靠先進(jìn)的5G基站技術(shù)，一方面通過提高5G基站的輻射范圍，減少5G基站的建設(shè)數(shù)量，另一方面通過改進(jìn)天線技術(shù)提升抗干擾能力、覆蓋范圍以及發(fā)射接收效率等，進(jìn)一步降低能源消耗。技術(shù)模式或產(chǎn)品包括高效低耗射頻濾波器技術(shù)和多功能5G基站天線技術(shù)。
（1）高效低耗射頻濾波器技術(shù)
射頻濾波器是5G基站的核心部件，經(jīng)過設(shè)計改良的陶瓷介質(zhì)濾波器相比于傳統(tǒng)的金屬腔濾波器，在5G應(yīng)用上的優(yōu)勢十分明顯，陶瓷介質(zhì)濾波器具備高效低能耗特點，具有高介電常數(shù)、高Q值、低損耗、體積小、重量輕、成本低、抗溫漂性能好等特點。
（2）多功能5G基站天線技術(shù)
由于單位空間內(nèi)信息量的大幅增加，5G技術(shù)即使采用了大規(guī)模MIMO技術(shù)使單位比特的能源大幅下降，但是總的能源消耗依舊是較大幅增加。為了解決這個問題，目前，可采用先進(jìn)立體天線技術(shù)應(yīng)用到5G大規(guī)模MIMO天線中。
4. 小結(jié)
作為能源行業(yè)智能化升級的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，5G技術(shù)將滲透到能源行業(yè)生產(chǎn)、消費(fèi)、銷售、服務(wù)等各個環(huán)節(jié)，推動研發(fā)、設(shè)計、營銷、服務(wù)等進(jìn)一步數(shù)字化、智能化、協(xié)同化，實現(xiàn)能源領(lǐng)域全生命周期、線上線下、消費(fèi)、生產(chǎn)全價值鏈的智能化管理。目前對于5G基站場景的解決方案實際應(yīng)用偏少，如何打造5G基站綜合能源服務(wù)系統(tǒng)典型解決方案，落地成行業(yè)示范性項目，是接下來重點關(guān)注的方向點。
