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5G基站能耗监控解决方案

更新日期:2021-03-24   浏览量:363

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要随着5G时代的到来,通信业务种类和终端连接数呈爆发式增长,通信行业节能降耗面临着巨大的挑战.。相比于已商用的4G技术,5G需要支持更大的带宽,更多的通道数以满足ITU提出的性能需求,但这也导致了5G能耗的显著增加.基站节能技术是通过在时和频域上关闭相应的发射资源来实现基站能耗的有效降低,为了避免节能技术对网络覆盖和用户体验的影响,在网络运营过程中需要寻找节能效果和网络性能间的相互平衡。本文提供了一套从监测到管控用能的解决方案,可以良好的解决基站用能过高问题。

关键词5G基站;基站能耗管理;能耗监控;

 

 

1  5G基站建设现状

目前,国内已建成超71.8万个5G基站,5G终端连接数超过了2亿,运营商5G的投资也超过了几千亿,已经基本将5G网络覆盖到全国所有的地级以上城市,独立组网模式正实现规模部署,还将充分发挥网络切片等技术优势提供大宽带、低延时等方面的服务。

疫情为国民经济摁下了暂停键,如果要实现尽快恢复,必须采取措施。基建有助于扩大需求、稳增长、稳就业。防疫期间,全民隔离让全社会对数字技术的需求集中井喷。几亿人在线办公,全国所有学生在线上课,还有几乎所有的生活物资的交易,都是在网上实现的。在现实世界停摆的时候,数字世界建立了一套支撑现实世界的新“循环系统”。

有了云计算的支撑,大数据支撑的科学决策、各种算法支撑的人工智能,智联网支撑的万物互联,以及全面在线才有拥有可能。由此,全面支撑了疫情期间的社会治理、资源调配,科学决策,组织协同。

 在消费领域,5G+超高清、5G+AR/VR等技术应用非常广泛,如游戏娱乐、赛事直播、居住服务等新技术应用仍在探索和实践中。诸如教育、医疗应用等,可基于5G+人工智能+大数据技术下,以提供相应服务。此外,这两年的“5G+工业互联网”的发展也是非常迅猛的,全国在建项目超过了1100个,有很多非常好的应用场景得以实现,

 

2  5G基站用能情况

5G基站能耗是4G的3~5倍,单个5G基站,在没有用户接入的情况下,每小时耗电达到2.1千瓦;目前全市5G用户少,按每天7小时无用户计算,单站每月空耗用电就达到440度,每年达到5300度,通过厂家网管仅能关闭基站发射单元,减少1/3的能耗;5G基站用电*,需要及时观察5G基站电流电压变化。

有统计指出,每GB流量约消耗2千瓦时的电量,也就是说下载一部1GB的电影相当于2000瓦吹风机连续工作1小时。若按每度电1元计算,下载一部1GB的电影,运营商需支付2元电费,如今无限流量套餐流量上限动辄40GB,而可预见的5G资费只会降不会升,可想而知,随着5G流量需求暴增,运营商的电费成本压力越来越大。

而在移动通信网络中,基站是耗电大户,大约80%的能耗来自广泛分布的基站。越加密集的基站意味着更高的能耗,这是5G网络面临的一大成本挑战。

3  基站供电系统及用能分析

通常,基站的供电系统由市电引入,通过交流配电箱、开关电源转换为-48V直流后连接到基站设备,基站设备再通过馈线/光纤连接到铁塔上的天线。

 

基站设备的内部结构主要包含:BBU、射频(RF)单元、功率放大器(PA)、主电源、天线接口、扇热系统等,其中BBU包含控制单元、传输单元和基带处理单元等,主要负责信号滤波、OFDM、调制解调、频域处理(符号映射/解映射和MIMO均衡等)、CPRI、DPD(数字预失真处理)等功能。

 

根据以上结构,可以基站功耗分为三大类型:传输功耗、计算功耗和额外功耗。

传输功耗:指功率放大器(PA)和射频(RF)部分所消耗的电量,其主要执行基带信号与无线信号之间的信号转换,馈电线的功耗包括在传输功耗之内。

计算功耗:指BBU消耗的电量,包括数字部分处理、管理和控制、与核心网和其他基站间通信等相关功耗。

额外功耗:指从市电引入到基站直流供电的整个转换过程中的额外损失的电量,也包括机房空调、制冷设备所消耗的电量。

对于传统2G3G4G基站,由于基站的计算能力较小,通常传输功耗大于计算功耗,即BBU功耗小于PA和RF部分功耗,因此传统基站提升能效的办法主要集中在减少传输功耗,比如我们在闲时关闭部分载频和射频部分来实现节能减排。但5G时代情况不一样了。密集分布的小/微基站和Massive MIMO天线,是5G基站的两大主要特征。一方面,Massive MIMO本身是以更高的计算成本为代价降低传输功耗;而小基站覆盖范围小,PA更低,也意味着传输功耗更低。另一方面,由于5G传输速率将成倍提升,5G基站将处理海量数据,且随着5G业务的不断发展,5G BBU的计算功耗将逐渐上升。

因此,在5G时代,基站的计算功耗将大幅提升超过传输功耗。5G基站计算功耗上升,带来的不仅是耗电问题,还有扇热问题;同时,随着5G边缘计算和高速本地缓存的发展,未来那些挂在城市灯杆上的小基站将执行越来越多的数据存储和计算,这为5G部署提出了新的挑战。

5  5G基站能耗监控解决方案

基站智慧用电云平台通过对5G宏站和室分站点加装交/直流智能监控设备、无线采集设备以及系统管理平台,完成夜间无业务时段的下电操作,减少电能消耗,降低运营成本支出,以及提升通信设备供电线路状态的实时监测保护功能;系统后台对存储的供电线路历史电气性能数据进行梳理、汇总、分析,找出故障原因,给出解决建议对策,减少后续同类故障的发生率,提升供电线路运维管控能力。

5.1 方案主要特点

5.1.1 人防+物防

仪表24小时不间断监测,线路出现问题自动报警

维护检修系统派单,状态跟踪,结果核查

5.1.2 数据融合分析

历史数据保存便于问题排查

定点数据图形化展示,通过图表提供对未来情况的预测

5.1.3 远程控制

针对每个基站的使用情况设定下电策略,根据现场情况对设备进行远程操控

5.2 方案主要功能

5.2.1 首页功能

  • 地图显示对应基站的位置。包括基站的详细信息和设备配置情况。
  • 显示本月基站的报警情况和处理情况

 

5.2.2 实时监控

  • 显示基站的设备详情和设备在线失联状态
  • 显示具体设备的实时监测数据和历史曲线供查询
  • 提供分合闸功能供用户对仪表进行操作
  • 提供参数设置功能,用户能对仪表内置的报警值和保护开关等进行操作

 

 

5.2.3 隐患管理

 

5.2.4 设备启停调节

对不同的基站设置不同的分合闸策略,下发周期可以按照年~~~日来进行选择,提供下发命令的日志供用户进行查询

 

5.2.5 设备信息管理

对设备可以设置对应的进线和出线关系,来对每一个基站的使用功率进行实时监测,可以分析基站的使用负载。从而可以分析不同区域的基站使用情况。

5.2.6 温度控制管理

对各个基站的温度进行设置,当温度高于范围内,会开启空调,其实时间会关闭空调

6  能耗监控硬件设备选型

6.1 新建基站能耗监控选型

6.1.1交流基站配置

配置方案

数量

实现功能

备注

仪表

DTSD1352-xSyD

1

检测x个三相回路和y个单相回路的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能、复费率电能、电能冻结、2-31次谐波、极值统计、RS485通讯、LCD显示等。

DTSD1352-xSyD(x、y为回路数
xS:x个三相回路,需配置三相互感器
yD:y个单相回路,需配置单相互感器

通讯协议符合YD/T1363相关要求

互感器

三相

互感器

AKH-0.66/Z-15Y 

x

三个互感器为一整体,测量三相回路电流
额定电流100A,孔径:φ15

三相回路采用三相互感器时

单相

互感器

AKH-0.66/W-20Y

y

单个互感器,测量单相回路电流
额定电流250A,孔径:φ20

单相回路采用单相互感器时

单相

互感器

AKH-0.66/W-20Y

3x+y

单个互感器,测量单相回路电流
额定电流250A,孔径:φ20

所有回路均采用单相互感器时
如配置了AKH-0.66/Z-15Y,则不配置该项

 

6.1.2 直流基站配置

配置方案

数量

实现功能

备注

仪表

AMC16-DETT

1

检测6个直流回路的分路电压、电流、功率、电能、复费率电能、以及总功率总电能、RS485通讯、LED状态指示灯,具备市电检测、±12V霍尔传感器供电输出等功能。

电流回路需要接入0-5V的霍尔传感器
-48V DC供电(-48~-60VDC)
通讯协议符合YD/T1363相关要求

霍尔传感器

AHKC-EKA 50A/5V

x

额定电流50A/5V,孔径:φ20

通常用于分回路计量,数量不超过6个

AHKC-EKB 100A/5V

x

额定电流100A/5V,孔径:φ40

通常用于分回路计量,数量不超过6个

AHKC-K 200A/5V

x

额定电流200A/5V,孔径:64*16mm

通常用于总回路计量,数量不超过6个

 

6.2 改造基站能耗监控选型

 

6.2.1 交流基站配置

 

配置方案

数量

实现功能

备注

仪表

ADW350WA

1

检测3路单相回路或者1路三相回路的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能、复费率电能、电能冻结、2-31次谐波、极值/RS485通讯等;带有3路开关量输出,2路测温,以及2G/NB/4G等无线通讯方式。

3路开关量输出(选配K)

2路测温(选配T)

RS485(选配C)

GPRS无线通讯(选配2G)

NB-IOT无线通讯(选配NB)

4G无线传输(选配4G)

其中2G、NB、4G三选一

 

 

互感器

 

AKH-0.66/W-9N

3

单个互感器,测量单相回路电流
额定电流50A,孔径:φ9

电流规格为50A时

AKH-0.66/W-12N

3

单个互感器,测量单相回路电流
额定电流100A,孔径:φ20

电流规格为100A时

6.2.2 直流基站配置

配置方案

数量

实现功能

备注

仪表

ADW350WD

1

检测3路单相回路的电压、电流、有功功率、有功电能、复费率电能、电能冻结、极值/RS485通讯等;带有3路开关量输出,2路测温,以及2G/NB/4G等无线通讯方式。

3路开关量输出(选配K)

2路测温(选配T)

RS485(选配C)

GPRS无线通讯(选配2G)

NB-IOT无线通讯(选配NB)

4G无线传输(选配4G)

其中2G、NB、4G三选一

 

 

霍尔传感器

 

AHKC-BS

3

测量单相回路电流
100A/5V,孔径:10.5*20.5

供电:DC±15V(允许波动±20%)

 

7  案例分析

在广州某区5G基站应用,此站点共部署3个华为AAU,单项供电;电源输入240V8.9A,实时功耗在2.1KW。远程控制设备采用带4G全网通物联网电表,220V输入,额定电流60A,功耗13KW,采用电信4G网络远程控制,每分钟上报一次。

安装后测试,可以正常远程开闭,实时远程监控用电情况。按每天关闭7小时(00:00-07:00),每月可节省14.17*30=425度电,相当于每月可节省510元电费(1.2/度电)。

按照该地区共4855G基站计算,则每月可节省485*510=24.735万元。

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