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叠光创新,低成本实现基站动力高保障

http://www.c114.net ( 2016/2/19 10:06 )

摘要:“蓄电池备电+移动油机应急发电”是有市电区域最基本的基站后备动力保障配置方案。对于频繁需要上站应急发电的基站叠加小功率太阳能系统,可大幅降低应急发电成本,并持续获得电费节省,投资回报周期小于3年。传统叠光方案存在太阳能利用不充分、影响电池充电管理等问题,采用兼容太阳能输入的开关电源系统叠光,可以低成本实现高收益。支持叠光的通信电源系统有利于在运维期间动态调整配置,针对应急发电上站次数较多的基站实施叠光,能最小化叠光投资,在提高动力保障的同时长期节省电费和应急发电成本。

一、电池和应急发电问题多,成为断站第一因素

随着互联网快速发展,人们生活已经离不开网络,需要无处不在的移动宽带。基站稳定运行是通信网络高可用的基础,由于停电不可避免,基站需要有合理的后备动力保障方案。蓄电池+移动油机是最常用的后备动力保障方式,停电时由蓄电池支持基站工作,当蓄电池容量不足时,调派移动油机上站发电,保障基站运行不中断。

由于居民对噪声的普遍反对,以及站点所在建筑物出入管理原因,实际上城市站点很难上站应急发电;农村站点发电距离远、高山站上站困难,应急发电保障度困难。通过对基站通信中断原因分析,平均57%网络中断与基站配套相关,停电是引起网络中断的第一要因。

以某市某运营商3453个站点为例,高山站无法应急发电的有195个,业主原因经常无法上站发电的有2004个,无法用移动油机保障的站点占比高达64%。该运营商单月停电2771站次,由于停电原因发生断站1923次,停电断站率高达69%。停电断站涉及1322站点,平均每站断站时长高达2.1小时。应急发电次数802次,停电发电比例29%,其中包括40次应急发电不及时导致基站运行中断。由此可见,停电后不能应急发电或应急发电不及时是造成通信网络中断的第一因素。

二、蓄电池+移动油机,后备动力保障成本很高

在基站容量一定的条件下,蓄电池容量取决于后备时长要求,后备时长必须大于应急发电上站时间,并留有足够的余量。对于频繁停电的基站,如果具备小型固定油机安装条件,可安装固定油机,不具备固定油机安装条件的基站,适当增配电池,如郊县、农村、山区备电时长可分别增至5、7、10小时。对于通信负载平均功率为2kW的站点,备电7小时需要配置一组500Ah蓄电池,电池成本很高。移动油机作为应急保障电源,停电时安排发电人员上站发电,即使应急发电人员尚未到达站点时市电已恢复,也需要支付应急发电费用。

应急发电成本包括上站人工费用、发电油费、移动油机摊销成本。上站人工费用与当地劳动力成本相关,一般在300元/次左右;发电燃油成本与发电时长、耗油率相关,一般平均每次发电消耗50元左右燃油;移动油机摊销成本包括油机折旧、油机维护成本分摊,平均每次发电分摊30元左右。农村站点是停电高发区域,平均月上站次数可能超过一次,按应急发电成本每次380元计,如果每月发电一次,每年单站应急发电成本4560元,发电成本很高。

减少停电断站、提高通信网络质量是通信动力系统建设与维护的第一要务。不论是增配蓄电池延长备电时长、提高应急上站发电次数、安装固定油机等,都可以降低停电断站率,提高通信网络质量。由于蓄电池成本很高,增加1小时备电时长平均每站每年需要投入400元左右;每增加1次应急上站发电需增加380元左右;安装固定油机一次性投入成本很高。不论是电信运营商还是铁塔运营商,都需要有以较低成本提高保障质量的解决方案。

三、站点叠光,低成本提高供电质量、降低运维成本

站点叠光方案,指在站点电源基础上叠加太阳能,安装仅满足通信负载功率需求的太阳能电池板,优先使用太阳能供电的方案。太阳能是可再生能源典型代表,叠加太阳能可降低站点电费。例如,对于平均直流负载功率为2kW的站点,假设日照时数为4小时(全国省会城市贵阳最低2.84小时、拉萨最高6.7小时,一半以上超过4小时),采用叠光方案可年省电2920度,需要安装约2.5kWp的太阳能电池板。客户采购太阳能电池板、太阳能模块及其安装服务成本为22000元,如果电价为1元/度,则叠光方案的投资回报周期为7.5年左右,决策投资相对困难。

叠光后,如果基站停电发生在有日照的时段,可以不需要应急发电。由于深夜通信业务较少、夜晚上站发电相对危险等因素,实际很少夜间发电。此外,由于移动油机普遍不防雨且室内发电危险,雨天一般也不发电。因此,应急发电多在没有下雨的白天进行,该时间段太阳能可用概率很高,即使阴天太阳能发电量很少,也可延长电池备电时长。经过测算,采用叠光方案的站点,可以减少80%以上上站应急发电成本,并降低由于应急发电不及时带来的断站风险。

例如,某市某运营商共432个基站,2014年12月份发电77次,只有一次为夜间发电,发电次数TOP 10基站平均发电15.64小时,平均发电次数3.8次,最长一次发电时长仅5.42小时,发电时长相对平均。在相同应急保障条件下,对于应急发电TOP 10站点具备安装太阳能电池板条件的,可采用叠光措施,假定减少应急发电次数比例为80%,单站一个月可以节省上站费用1155元。由于12月份并非停电高峰,评估单站一年可节省1.4万元以上发电费用,远比省电价值更大,投资回报周期仅1.3年左右。如果批量采用叠光方案,还可能获得国家和地方政府财政补贴,如浙江省对于太阳能发电量每度补贴0.42元,可以进一步降低投资回报周期。由于应急发电成本以人工费用为主,人工费用呈长期上升趋势,随着应用时间的增加,叠光方案回报越来越高。

3~5年是合理的投资回报周期,按示例,叠光方案总投资2.2万元,只要每年节省超过4400元,就值得投资。一个2kW站点年省电按2920元计,只需要能年节省1480元应急发电费用即可满足5年投资回报要求。按每次发电成本380元计,对于年上站应急发电需求4次以上的站点,都值得投资叠光方案。如果太阳能发电可获得补贴,如0.42元/度,每年补贴1226元,加之站点都或多或少存在应急发电需求,对所有具备安装太阳能条件的站点普遍叠光,会具备非常好的投资回报。一个单运营商2G/4G站点或两个运营商单制式共享站典型负载平均功率接近2kW,可配置一个3kW太阳能模块和9×250Wp太阳能电池板,只需要净占地面积13平米。当安装面积不足时,可以欠配安装,如只安装1.5kW太阳能电池板,停电时不足的功率由电池补充,使原来只能备电3小时的站点(300Ah电池)在阳光较好时备电时长延长至12小时以上,同样能大幅减少应急发电次数。

四、传统叠光方案,电池管理风险需要谨慎控制

传统叠光方案指在站点内增加一套独立的太阳能系统,太阳能模块输出的直流电直接与存量开关电源直流输出并联,太阳能系统与开关电源互相独立。由于需要优先使用太阳能,太阳能系统输出的开路电压应高于开关电源。对于传统叠光方案来说,太阳能系统输出电压设置非常关键,不合适的设置会导致部分甚至全部太阳能被浪费。当开关电源或太阳能系统电压测量电路出现偏差时,也可能发生同样的结果。此外,开关电源均充时,由于电源输出电压更高,这段时间内太阳能无法被利用。

开关电源具备蓄电池管理功能,能限制最大充电电流以保护蓄电池使用寿命。当太阳能系统输出电压高于设置值时,过高的电压使电池过充。由于叠加的太阳能功率大于负载功率是常态,在蓄电池需要充电时,多余的太阳能功率也会对电池进行充电,使电池充电电流大于开关电源设定的充电限流值,蓄电池实际充电电流与开关电源系统测量值不一致,不利于蓄电池充电管理。

开关电源都有温度补偿功能,电池温度补偿范围为±2V,由于开关电源温度补偿功能无法与太阳能系统关联,温度降低时电源浮充电压升高,导致太阳能浪费,而温度升高时太阳能输出电压不变,使电池加速充电失水。如果取消开关电源温度补偿功能,太阳能可以得到充分应用,但会影响蓄电池使用寿命。

为了充分利用太阳能,保护电池寿命,对于传统叠光方案需要准确配置太阳能电池板数量,谨慎设置太阳能系统和开关电源电压,并取消电池温度补偿功能,在温度变化不大的室内站点使用。

五、电源兼容太阳能,消除电池管理风险

随着电力电子技术与数字信息技术融合发展,电源模块控制芯片内含软件和算法,使硬件功能可由软件定义,称为软电源(SDP,Software Defined Power),可以很方便地实现不同功能模块兼容。太阳能模块与整流模块兼容就是典型的软电源特性,采用兼容太阳能的开关电源系统,就能在任何合适的站点在电源模块位置插入太阳能模块,不需要采购独立的太阳能控制系统,除了太阳能电池板采购及安装费用外,只需要从开关电源厂家购买一个太阳能模块即可。

由于太阳能模块与整流模块兼容,通过同一个监控模块控制,不论太阳能功率大小,也不论蓄电池需求电压高或低,都会优先调度使用太阳能,使太阳能全部得到利用。太阳能模块和整流模块的输出电压统一控制,并与电池温度补偿同步,蓄电池充放电管理功能完全不受影响。山西铁塔联合华为试点MTS站点电源叠光,叠光工程量就是安装太阳能电池板的工作量,系统不需要调试就成功投产。因此,部署站点时宜优选支持叠光功能的电源系统,引导全行业电源向多功能兼容方向发展。对于存量宜叠光站点,如果存量电源不是高效电源且无法直接替换高效模块,优先采用多功能高效电源改造。

六、应急发电TOP N管理,实现低成本叠光

由于站点规划建设时很难预测未来应急发电情况,对于投产后的站点可以采用基于短板改进的应急发电次数TOP N管理手段,通过站点网管系统对应急发电次数进行统计,选择应急发电次数多、合适安装太阳能电池板的站点进行叠光,可以实现精准配置,最小化叠光成本。如山西试点的叠光站点就是停电次数较多的站点,经测算,站点叠光年收益高达2.1万元/年,非常可观。

如果全面采用支持叠光的电源系统,定期对区域内基站应急发电次数TOP N站点进行叠光、叠油(不具备安装太阳能条件,但可安装固定油机的)、叠电(对于不能叠光、叠油的站点,可直接增配新电池或锂电池)等手段优化,逐渐消灭需要频繁应急发电的站点,大幅度减少应急发电上站次数,降低应急发电成本,并在节能的同时提高基站可靠性。到目前为止,叠光是以较低成本实现站点供电高保障的首选方案。

中国铁塔股份有限公司 高健 华为技术有限公司 章异辉

   来源:C114中国通信网

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