摘要：“蓄電池備電+移動油機應急發(fā)電”是有市電區(qū)域最基本的基站后備動力保障配置方案。對于頻繁需要上站應急發(fā)電的基站疊加小功率太陽能系統(tǒng)，可大幅降低應急發(fā)電成本，并持續(xù)獲得電費節(jié)省，投資回報周期小于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電源系統(tǒng)疊光，可以低成本實現(xiàn)高收益。支持疊光的通信電源系統(tǒng)有利于在運維期間動態(tài)調整配置，針對應急發(fā)電上站次數(shù)較多的基站實施疊光，能最小化疊光投資，在提高動力保障的同時長期節(jié)省電費和應急發(fā)電成本。
一、電池和應急發(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，需要無處不在的移動寬帶�；痉�(wěn)定運行是通信網(wǎng)絡高可用的基礎，由于停電不可避免，基站需要有合理的后備動力保障方案。蓄電池+移動油機是最常用的后備動力保障方式，停電時由蓄電池支持基站工作，當蓄電池容量不足時，調派移動油機上站發(fā)電，保障基站運行不中斷。
由于居民對噪聲的普遍反對，以及站點所在建筑物出入管理原因，實際上城市站點很難上站應急發(fā)電；農村站點發(fā)電距離遠、高山站上站困難，應急發(fā)電保障度困難。通過對基站通信中斷原因分析，平均57%網(wǎng)絡中斷與基站配套相關，停電是引起網(wǎng)絡中斷的第一要因。
以某市某運營商3453個站點為例，高山站無法應急發(fā)電的有195個，業(yè)主原因經(jīng)常無法上站發(fā)電的有2004個，無法用移動油機保障的站點占比高達64%。該運營商單月停電2771站次，由于停電原因發(fā)生斷站1923次，停電斷站率高達69%。停電斷站涉及1322站點，平均每站斷站時長高達2.1小時。應急發(fā)電次數(shù)802次，停電發(fā)電比例29%，其中包括40次應急發(fā)電不及時導致基站運行中斷。由此可見，停電后不能應急發(fā)電或應急發(fā)電不及時是造成通信網(wǎng)絡中斷的第一因素。
二、蓄電池+移動油機，后備動力保障成本很高
在基站容量一定的條件下，蓄電池容量取決于后備時長要求，后備時長必須大于應急發(fā)電上站時間，并留有足夠的余量。對于頻繁停電的基站，如果具備小型固定油機安裝條件，可安裝固定油機，不具備固定油機安裝條件的基站，適當增配電池，如郊縣、農村、山區(qū)備電時長可分別增至5、7、10小時。對于通信負載平均功率為2kW的站點，備電7小時需要配置一組500Ah蓄電池，電池成本很高。移動油機作為應急保障電源，停電時安排發(fā)電人員上站發(fā)電，即使應急發(fā)電人員尚未到達站點時市電已恢復，也需要支付應急發(fā)電費用。
應急發(fā)電成本包括上站人工費用、發(fā)電油費、移動油機攤銷成本。上站人工費用與當?shù)貏趧恿Τ杀鞠嚓P，一般在300元/次左右；發(fā)電燃油成本與發(fā)電時長、耗油率相關，一般平均每次發(fā)電消耗50元左右燃油；移動油機攤銷成本包括油機折舊、油機維護成本分攤，平均每次發(fā)電分攤30元左右。農村站點是停電高發(fā)區(qū)域，平均月上站次數(shù)可能超過一次，按應急發(fā)電成本每次380元計，如果每月發(fā)電一次，每年單站應急發(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)絡質量是通信動力系統(tǒng)建設與維護的第一要務。不論是增配蓄電池延長備電時長、提高應急上站發(fā)電次數(shù)、安裝固定油機等，都可以降低停電斷站率，提高通信網(wǎng)絡質量。由于蓄電池成本很高，增加1小時備電時長平均每站每年需要投入400元左右；每增加1次應急上站發(fā)電需增加380元左右；安裝固定油機一次性投入成本很高。不論是電信運營商還是鐵塔運營商，都需要有以較低成本提高保障質量的解決方案。
三、站點疊光，低成本提高供電質量、降低運維成本
站點疊光方案，指在站點電源基礎上疊加太陽能，安裝僅滿足通信負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電費。例如，對于平均直流負載功率為2kW的站點，假設日照時數(shù)為4小時（全國省會城市貴陽最低2.84小時、拉薩最高6.7小時，一半以上超過4小時），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成本為22000元，如果電價為1元/度，則疊光方案的投資回報周期為7.5年左右，決策投資相對困難。
疊光后，如果基站停電發(fā)生在有日照的時段，可以不需要應急發(fā)電。由于深夜通信業(yè)務較少、夜晚上站發(fā)電相對危險等因素，實際很少夜間發(fā)電。此外，由于移動油機普遍不防雨且室內發(fā)電危險，雨天一般也不發(fā)電。因此，應急發(fā)電多在沒有下雨的白天進行，該時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長。經(jīng)過測算，采用疊光方案的站點，可以減少80%以上上站應急發(fā)電成本，并降低由于應急發(fā)電不及時帶來的斷站風險。
例如，某市某運營商共432個基站，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，平均發(fā)電次數(shù)3.8次，最長一次發(fā)電時長僅5.42小時，發(fā)電時長相對平均。在相同應急保障條件下，對于應急發(fā)電TOP 10站點具備安裝太陽能電池板條件的，可采用疊光措施，假定減少應急發(fā)電次數(shù)比例為80%，單站一個月可以節(jié)省上站費用1155元。由于12月份并非停電高峰，評估單站一年可節(jié)省1.4萬元以上發(fā)電費用，遠比省電價值更大，投資回報周期僅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政補貼，如浙江省對于太陽能發(fā)電量每度補貼0.42元，可以進一步降低投資回報周期。由于應急發(fā)電成本以人工費用為主，人工費用呈長期上升趨勢，隨著應用時間的增加，疊光方案回報越來越高。
3~5年是合理的投資回報周期，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2kW站點年省電按2920元計，只需要能年節(jié)省1480元應急發(fā)電費用即可滿足5年投資回報要求。按每次發(fā)電成本380元計，對于年上站應急發(fā)電需求4次以上的站點，都值得投資疊光方案。如果太陽能發(fā)電可獲得補貼，如0.42元/度，每年補貼1226元，加之站點都或多或少存在應急發(fā)電需求，對所有具備安裝太陽能條件的站點普遍疊光，會具備非常好的投資回報。一個單運營商2G/4G站點或兩個運營商單制式共享站典型負載平均功率接近2kW，可配置一個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。當安裝面積不足時，可以欠配安裝，如只安裝1.5kW太陽能電池板，停電時不足的功率由電池補充,使原來只能備電3小時的站點（300Ah電池）在陽光較好時備電時長延長至12小時以上，同樣能大幅減少應急發(fā)電次數(shù)。
四、傳統(tǒng)疊光方案，電池管理風險需要謹慎控制
傳統(tǒng)疊光方案指在站點內增加一套獨立的太陽能系統(tǒng)，太陽能模塊輸出的直流電直接與存量開關電源直流輸出并聯(lián)，太陽能系統(tǒng)與開關電源互相獨立。由于需要優(yōu)先使用太陽能，太陽能系統(tǒng)輸出的開路電壓應高于開關電源。對于傳統(tǒng)疊光方案來說，太陽能系統(tǒng)輸出電壓設置非常關鍵，不合適的設置會導致部分甚至全部太陽能被浪費。當開關電源或太陽能系統(tǒng)電壓測量電路出現(xiàn)偏差時，也可能發(fā)生同樣的結果。此外，開關電源均充時，由于電源輸出電壓更高，這段時間內太陽能無法被利用。
開關電源具備蓄電池管理功能，能限制最大充電電流以保護蓄電池使用壽命。當太陽能系統(tǒng)輸出電壓高于設置值時，過高的電壓使電池過充。由于疊加的太陽能功率大于負載功率是常態(tài)，在蓄電池需要充電時，多余的太陽能功率也會對電池進行充電，使電池充電電流大于開關電源設定的充電限流值，蓄電池實際充電電流與開關電源系統(tǒng)測量值不一致，不利于蓄電池充電管理。
開關電源都有溫度補償功能，電池溫度補償范圍為±2V，由于開關電源溫度補償功能無法與太陽能系統(tǒng)關聯(lián)，溫度降低時電源浮充電壓升高，導致太陽能浪費，而溫度升高時太陽能輸出電壓不變，使電池加速充電失水。如果取消開關電源溫度補償功能，太陽能可以得到充分應用，但會影響蓄電池使用壽命。
為了充分利用太陽能，保護電池壽命，對于傳統(tǒng)疊光方案需要準確配置太陽能電池板數(shù)量，謹慎設置太陽能系統(tǒng)和開關電源電壓，并取消電池溫度補償功能，在溫度變化不大的室內站點使用。
五、電源兼容太陽能，消除電池管理風險
隨著電力電子技術與數(shù)字信息技術融合發(fā)展，電源模塊控制芯片內含軟件和算法，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電源系統(tǒng)，就能在任何合適的站點在電源模塊位置插入太陽能模塊，不需要采購獨立的太陽能控制系統(tǒng)，除了太陽能電池板采購及安裝費用外，只需要從開關電源廠家購買一個太陽能模塊即可。
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，都會優(yōu)先調度使用太陽能，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MTS站點電源疊光，疊光工程量就是安裝太陽能電池板的工作量，系統(tǒng)不需要調試就成功投產。因此，部署站點時宜優(yōu)選支持疊光功能的電源系統(tǒng)，引導全行業(yè)電源向多功能兼容方向發(fā)展。對于存量宜疊光站點，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、應急發(fā)電TOP N管理，實現(xiàn)低成本疊光
由于站點規(guī)劃建設時很難預測未來應急發(fā)電情況，對于投產后的站點可以采用基于短板改進的應急發(fā)電次數(shù)TOP N管理手段，通過站點網(wǎng)管系統(tǒng)對應急發(fā)電次數(shù)進行統(tǒng)計，選擇應急發(fā)電次數(shù)多、合適安裝太陽能電池板的站點進行疊光，可以實現(xiàn)精準配置，最小化疊光成本。如山西試點的疊光站點就是停電次數(shù)較多的站點，經(jīng)測算，站點疊光年收益高達2.1萬元/年，非�？捎^。
如果全面采用支持疊光的電源系統(tǒng)，定期對區(qū)域內基站應急發(fā)電次數(shù)TOP N站點進行疊光、疊油（不具備安裝太陽能條件，但可安裝固定油機的）、疊電（對于不能疊光、疊油的站點，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急發(fā)電的站點，大幅度減少應急發(fā)電上站次數(shù)，降低應急發(fā)電成本，并在節(jié)能的同時提高基站可靠性。到目前為止，疊光是以較低成本實現(xiàn)站點供電高保障的首選方案。
中國鐵塔股份有限公司 高健 華為技術有限公司 章異輝
