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2020/9/18 17:55

5G時代站點智慧能源網的演進探討

移動Labs  劉寶昌 鄭宏

Labs 導讀

本文針對當前5G站點能源建設遇到的困難做了詳盡的分析,提出了供電架構向智慧能源架構演進的思路,并對其可行性和經濟社會效益進行了分析,同時對下一代站點能源產品提出了要求。

作者:

中國移動通信集團設計院有限公司 劉寶昌

中國移動通信集團采購共享中心 鄭宏

1 5G時代站點能源的挑戰與機遇

5G網絡作為下一代通信技術,將提升更多行業的數字化水平,包含智能制造、遠程醫療、遠程教育、智能交通、智能物流、無人駕駛、無人機巡檢等,成為我國推進供給側結構性改革的新動能、振興實體經濟的新機遇、建設制造強國和網絡強國的新引擎。

5G網絡建設,站點基礎設施先行,但當前站點能源的建設定位依然是配套,供電架構延續被動單向供電模式,因此市電電源、直流電源、ICT設備負載呈現出三個煙囪式的架構,如圖1所示:

圖1 站點供電架構現狀

1.1通信負載供電需求分析

通信站點負載在5G時代對供電系統提出了更高的要求:

(1)站點功耗大——如何經濟的進行站點建設?

(2)供電復雜——如何實現供電制式的軟件定義?

(3)可靠性要求高——如何保證能源供給的高可用度?

1.1.1 通信負載功耗需求

首先,5G時代萬物互聯,“大連接、大帶寬”的業務模式,注定使基站的功耗大幅增加;其次,5G高頻覆蓋導致站點加密,桿微站點增多,原有宏站電源不僅要供給本站的負載,還考慮拉遠站點的能源供給;最后,隨著網絡向“以客戶體驗為中心”進行演進,核心網用戶面設備和邊緣計算設備會進一步下沉到基站側,以保證自動駕駛、遠程醫療等業務的端到端低時延,供電需求將更加復雜。

1.1.2 行業負載功耗需求

5G使能行業數字化,行業專用設備及終端需要部署在基站側,一方面對供電制式提出了新的要求,如何兼容新的供電制式;另一方面由于行業終端大量接入,站點功耗將持續增加。

1.2電力供給發展分析

當前電力供給依然是低頻模擬能量流,并且當前電網配置的儲能電站、調峰電站,依然在電力供給側進行優化;隨著5G網絡的快速發展,負載側能源需求急劇上漲,電力供給壓力凸顯:

(1)接入站點市電擴容比例高、工期長:

主要城市包括各直轄市、省會城市及經濟較好省份,因歷史問題,轉供電比例大,且無法保證持續擴容;

按照傳統站點建設模式,30%站點市電容量不足,需進行市電增容;

市電增容審批流程周期長,同時嚴重依賴現有國網路由建設情況。

(2)匯聚機房市電增容費用高:

隨著5G網絡進一步扁平化,核心網用戶面設備下沉、邊緣計算服務器的部署,核心機房/匯聚機房功耗大幅增長,僅市電增容改造需8~10萬元人民幣的建設費用;

調研證明,電網的單相樹狀拓撲無法滿足ICT領域急劇增加的負載功耗需求,在建設中存在錯位現象,導致站點無法擴容。

因此,從電網的角度,期待站點電源自身可以實現阿米巴經營,即成為具備一定調度能力的分布式供電節點(市電、儲能、新能源、燃料電池等),來滿足通信網絡的供電需求。

1.3站點電源現狀分析

目前,站點電源的建設普遍存在短視的問題,以配套的思維來進行補丁式建設,管理手段也無法適配網絡的演進,主要表現如下:

(1)為了簡化能源部分的建設,存在多期重復建設的問題,站點資源硬件隔離無法共享,造成投資浪費;一方面站點配套資源持續堆積,站點租金、電費等持續上漲,另一方面站點資源難以整合利用,升級改造費用高。

(2)OPEX居高不下,能源及基礎設施的管理依然處于較落后的狀態;需要引入互聯網的思維來重構現有站點運維系統,提升運維效率。

綜上,站點能源建設上需要引入無線網絡目標網的思路,避免投資的盲目性,提升投資效率;站點運維上需要引入IoT物聯網技術、站點3D建模等新技術,將站點的實際情況精準的映射到網絡中,同時通過對運維數據的挖掘,實現主動運維、提前預判。

基于負載側的巨大變革、電網發展的不匹配以及站點能源系統本身存在的問題,需要構筑一個面向未來網絡并可持續演進的站點能源系統,并以此為基礎建設一個與移動網絡緊耦合的智慧站點能源目標網,其特點應表現為:

(1)智能化:電源功能軟件定義,支持與電網的交互、支持與負載的聯動、支持儲能的持續擴容,通過自適應的能源調度提升站點可用度;

(2)模塊化:系統子部件要支持模塊化演進,實現極簡部署、按需擴容,保證投資效率的提升;

(3)高效化:高效體現為高效利用能源、高效維護;以最低瓦特成本為考核目標可靠站點建設和維護。

2 智慧站點能源目標網的可行性分析

目前,站點能源具備“分布式儲能”能力,可引入“可再生能源”進行“分布式發電”降低碳排放,同時兼容拉遠桿微站點的供電;根據杰里米·里夫金對能源互聯網的定義,站點能源具備能源互聯網中“可再生能源、分布式發電、分布式儲能、能源互聯”四要素,且自身就在ICT行業,應該作為能源互聯網技術應用的“試驗田”。

此外,近些年站點能源領域自身也在進行網絡化和智能化的演進,現就當前的新技術和新趨勢予以介紹。

2.1以站點電源為中心的智能站點網絡

近些年,運營商面臨流量和收入的剪刀差,OPEX居高不下,為提升站點的運維效率,全球運營商/鐵塔公司均對站點的數字化、智能化進行了大量實踐;據了解,中國鐵塔公司通過部署FSU來提升站點運維的效率,但當前“只監不控”且未對運維數據進行有效的數據挖掘分析。

隨著工控芯片的發展,高頻整流電源的控制器能力迅速提升,具備整站管理的能力,可提升站點能源可用度,并且通過對運行數據的挖掘和分析可實現站點運維的閉環管理,實現精細化運維、前瞻性運維,指導站點進行精準投資。站點能源智能管控演進如圖2所示:

圖2 站點能源智能管控演進圖

2.2軟件定義的電源模塊

整流電源模塊實現了小型化,但面向未來網絡演進,各種換能模塊增多,如新能源模塊、高壓直流模塊等,會導致備件管理增大;經調研,業內已有廠家推出軟件定義的電源模塊,通過軟件的升級可實現太陽能轉換、高壓直流轉換和整流轉換。

如果能進一步完備軟硬件的解耦和供電的分路隔離,即可實現軟件定義按需輸出的能源系統。

2.3高密化智能化的鋰電儲能

電池的發明,開啟了電子設備便攜化的進程,促進了移動網絡終端的繁榮;隨著電子產品、儲能電站和電動汽車的廣泛應用,鋰電池價格持續下降,掀起了鋰電替換鉛酸的趨勢,與傳統鉛酸電池相比較,鋰電池主要優勢如下:

(1)循環壽命更長:鋰電池的循環壽命是鉛酸的5~10倍;

(2)高溫適應性強:35度工作溫度對鋰離子電池壽命和性能無影響;

(3)短時備電降額系數低:1C放電場景,鋰電池可以100%能量輸出,而傳統鉛酸電池僅有40%~55%。

(4)數字運維:鋰電池的電池管理單元實現了對電芯的精細化、數字化管理;通過上報電池的荷電狀態和健康度,可作為能源互聯網中備電經營的基礎;

(5)智能混用:現階段鋰電池和鉛酸電池混搭場景較多,行業內除了原有的外置電池合路器外,已出現以固態變壓器(雙向DC/DC轉換)為核心的內置合路器,通過鋰電池架構上的創新贏得運維和使用上的便捷,保障了匯聚機房/核心機房鋰電池備電的可靠性和安全性。

2.4他山之石的云調度

2018年滴滴出行運送乘客超過100億人次,用戶行程總里程達 488億公里。通過兼備云計算、AI 技術、交通大數據和交通工程的智慧交通戰略產品——“交通大腦”,減少 150.7萬噸二氧化碳排放,相當于 80 萬輛小汽車年均形勢 1萬公里的排放量。

通信需求和出行需求同為人類最基本的需求,能源供給又是支撐上述兩個需求的基石,通過滴滴的實踐可以看到,節省下的每一份能源都將匯流成海,站點能源運維同樣需要一份“智慧大腦”,支撐站點管理和運維的升維。

綜上,現有站點能源的管理和供電技術均有了革命性的進展,智慧站點能源目標的建設需要以此為據,找到新技術和經濟性的平衡點,并且利用云、大數據的澎湃算力和AI的智能分析,擺脫現在站點能源建設和運維的落后狀態,提升站點能效、簡化運維,達到降本增效的目的。

3 智慧能源目標網的架構

基于調研,智慧能源目標網分為三層架構“AI平臺——智能OSS——站點”,可以支撐“一站一策”的執行,使站點能源建設有依據、投資更精準,使運維有保障、管理維度更精細;改善以往建設中雖然建站標準清晰,但是未考慮站點實際運行情況,造成轉維后進行補丁式建設的問題。智慧能源目標網架構如圖3所示:

圖3 智慧能源目標網架構圖

3.1人工智能(AI)平臺

首先,利用AI平臺的云和AI的能力支撐“一站一策”的算力需求,通過對運維數據進行多維大數據分析和數據挖掘,簡化站點的運維,具體功能需求如下:

(1)告警智能分析,通過對告警的關聯分析,向運維人員的運維平板電腦發送可能系統拓撲圖,可能故障點、潛在風險、物料需求等信息,一次上站解決站點問題;

(2)建立運維專家系統,將站點問題的解決方案收集整理,形成線上線下的閉環,簡化運維難度;配置工業平板或頭戴式智能終端,便于專家在運維中心指導現場運維,最大程度利用專家資源;

(3)挖掘站點故障題出現之前的運行數據異常情況,形成主動運維的依據,做到防患于未然;

(4)為能源與通信業務聯動節能的策略提供依據。

3.2智能網管系統

傳統網管更多是運維數據的上報和收集系統,沒法直觀展示站點運維情況;大量運行數據從產生到刪除只是被存儲,沒有得到充分的利用,對站點改造前后的效果沒有閉環分析;告警信息無分析,交流市電斷開系統會出現4~5條告警,需要運維人員基于自身經驗進行分析,對運維人員要求高,且維護效率低下。

智能網管,作為運維可視化的窗口,主要聚焦如下幾點:

(1)整網運行的可視化呈現,提供多個角色的展示界面,對管理者只展示結果;對專家展示數據初步分析的結果和歷史告警處理方法;通過工業平板或智能穿戴設備對站點工程師進行指導,最大化專家資源利用率;

(2)定制化運維報表的定期輸出,有利于通過區域賽馬實現站點能源等指標的持續提升;

(3)站點改造后的數據呈現,支持虛擬化站點子集設置,驗證改造后的效果,支撐投資效果的驗證,實現投資閉環管理;

(4)業務聯動策略的下發,根據站點情況、業務需求等因素的綜合分析結果下發智慧站點能源。

3.3智慧站點能源

智慧站點能源,作為站點路由器,適配5G建設及后續演進的需求,并結合站點的實際情況,進行站點能源的智能調度,具體功能要求如下:

(1)電網自適應和新型能源的接入,根據電網情況調整交流輸入策略,市電穩定則限制交流輸入功率,市電不穩則限制交流輸入電流,最大程度保證站點可用度;新型能源接入,如太陽能、燃料電池等。

(2)存量電源、電池的并機管理,盤活存量站點資源;保證站點按照最優路徑平滑演進到智能電源平臺。

(3)負載和能源聯動的執行,平臺下發策略的執行以及和主設備業務的聯動,實現站點資源的充分利用;

(4)聚焦能源多種輸出,支撐行業終端的接入;支持高壓直流輸出,支撐拉遠站點的能源供給;支持逆變模塊的輸出,支撐核心網設備、MEC設備的供電;

(5)智能配電單元,實現遠程監測和開關,配合能源業務聯動的實現;

(6)智能鋰電池,通過固態變壓器的部署支持儲能持續擴容,滿足現階段新舊電池混用、后續持續擴容的需求;同時,在不影響現有儲能的情況下,電源和智能鋰電聯動,實現負載削峰、錯峰用電等功能;配合整網的儲能調度,可為電網提供調頻調峰服務,實現電力系統負載側的聯動。

綜上,通過對智慧站點能源目標網的構筑,將提升管理、運維、建設等多方面的能力,為通信網絡構筑能源供給的基石。

4 智慧能源目標網的效益分析

智慧能源網絡的構筑,是通過ICT的信息化手段,能源互聯網的思維構筑電信運營商能源專業的競爭力。以往站點能源供給的可靠性是通過堆積資源實現,智慧能源目標網的構建,不僅可以實現更高的可靠性,還可以顯著的減少能源演進和建設方面的投資——通過集成獲取站點可靠性增益,通過模塊化降低能源目標網演進門檻。

4.1部署極簡、運維極簡和演進極簡

4.1.1部署極簡

要求在5G NR部署的過程中盡量做到不增加機柜,這就要求站點供電系統進一步提升功率密度,使得在同等空間內,能夠容納更高功率的供電、備電設備。

以目前主流使用的室外機柜為例,柜內總空間約30U,除電池18U,BBU兩臺4U,傳輸2U之后電源空間約4U,容量需求約24kW,要求每U功率密度約為6kW/U,目前主流電源產品的功率密度約2kW/U,需要提升至少3倍。

對于備電系統,建議采用更高能量密度的鋰電替代傳統鉛酸電池,實現同等空間內收容更大容量的備電電池。傳統電池倉7.5~8U的空間僅能收容一組200Ah鉛酸電池,如更換為單組3.6U的150Ah鋰電池,則可以實現1.5倍以上的容量增加。

以上述改造場景為例,20~30%的站點無需新增機柜,將節省大量的工程費用。

4.1.2運維極簡

為降低運維成本,5G網絡能源運維系統應首先完成站點設備的數字化改造,使站點設備信息都可以上傳至運維管理系統,在站點側通過電源控制器+無線傳感器改造啞設備將會是主流技術,同時部分產品也將通過IoT技術實現組網。

其次運維管理系統需要從信息收集、集中展示轉變為主動風險管理、主動運維,例如電池、溫控設備的健康度管理,提前預警風險并精準維護,從而有效降低網絡故障,改善KPI。

此外,運維管理系統應該具有智能分析能力,針對海量站點主動的智能提取關鍵信息,例如針對站點故障,運維管理系統應從歷史狀態數據、告警數據中建立故障發生模型,從而提取出故障根因,指導維護動作,提升效率。

通過運維工作的升維管理,站點可靠性提升,站點運維費用進一步明晰,有助于提升投資效率。

4.1.3演進極簡

5G網絡會經歷幾個階段最終實現5G網絡的全面覆蓋:

階段1:5G早期部署階段,5G站點小批量部署同時伴隨4G站點部署;

階段2:全面的5G FR1頻段部署及小批量FR2頻段部署

階段3:FR2頻段連續覆蓋部署

面向演進的模塊化設計需要包括但不限于:功率、配電、多能源輸入輸出、備電、溫控等,現階段站點普遍采用多套電源簡單疊加,分別為不同設備供電,重復投資。系統全模塊化擴容具有無可比擬的優勢:

(1)一次性部署,減少后續部署難度,縮短TTM。

(2)單個系統管理簡單,故障定位快速準確,維護效率高,MTTR短。

(3)供電能力池化,容災能力強,部件故障影響小。

智慧站點能源的模塊化架構,將使站點升級更簡單,減少不必要的工勘,減少部署時間,減小站點運維難度,提升站點的可靠性。

4.2能源智能調度

前文提及現有的站點能源可用度是通過多層冗余實現的,無法適應當前5G的建設和持續演進。

因此,需要通過智能化手段使電源系統同站點其他設備系統聯動起來,優化各系統間的調度,提升利用率,避免大規模的工程改造。

例如:儲能與用電功率聯動,其工作原理如圖4所示,在用電功率出現峰值時,調度站點儲能放電,在用電功率降至市電容量以下時,啟動電池充電。在市電容量普遍周期長、成本高的現狀下,這種設計能帶來大量的部署時間節省和成本節省,應成為供電系統的標配功能。

圖4 儲能與用電功率聯動工作原理示意圖

此外,通過智能化手段也可以解決5G AAU供電問題,由于功耗過大,傳統電壓制式配合細線纜給5G AAU供電時會導致線損大、供電距離受限的問題,相比于更換粗線纜,采用升壓供電在工程上和成本上更有優勢。但是考慮到AAU在不同帶載率下功耗差異問題,升壓需要具有一定的智能性:能夠跟蹤AAU的功耗變化匹配不同電壓進行供電,才能保證在高負載時線損最小,同時在低負載時,自動調整輸出電壓使AAU正常工作。供電電壓與供電距離選擇如圖5所示。

圖5 供電電壓與供電距離選擇圖

傳統備電系統放電時,電壓會隨著放電過程持續下降,如圖6所示。在AAU功耗較大、距離電源有一定距離時,電池電量無法充分放出,AAU提前因輸入電壓過低而終止工作,因此,備電系統也需支持恒壓輸出,保證停電時站點仍能正常工作。

圖6 電池放電電壓變化圖

4.3高效用電

4.3.1疊加太陽能應用

目前,太陽能生命周期度電成本目前已經低至約3至5美分/度,遠遠低于火電成本,在5G時代會迎來太陽能在通信能源的規模應用,通過光伏&市電智能調度技術、光伏發電控制技術應用,可以進一步提升太陽能發電效率,加速綠色能源的規模應用。這不僅僅是企業社會責任的一部分,同時也可大幅降低電費,降低OPEX。

4.3.2從室內到室外

當前仍有一定比例的站點為室內站,制冷系統消耗大量電力,導致站點能耗居高不下,典型室內站整站能效約為60%。通過室外化改造,站點能效可提升至85%至90%,可大幅降低制冷能耗,降低OPEX。

4.3.3低效電源改造

在站點和核心機房當前仍存在大量低效老舊電源,電源效率低于90%,可通過98%高效電源替換改造,節省電源損耗,降低OPEX。

4.3.4系統間聯動調度

通過系統間的聯動調度可實現更高的系統效率。例如AAU同電源聯動,供電電壓根據AAU負載率調整保持線損最;站點供電同業務聯動,按需供電實現ECT(energy consumption per traffic)最低;AI技術引入,根據站點溫度、濕度、能源狀態、業務狀態實時調整系統運行參數,達到系統效率最高。

4.3.5業務聯動節能

當前網絡的建設是以滿足客戶最大語音/數據需求為基礎的分布式移動網絡,但流量消費天然具有時間、地點等屬性的波動性。

在保證KPI的情況下,通過業務側的關時隙、關符號、關通道、關載波和關頻段可以實現最高約10%~20的站點功耗節;如通過多頻多模的協同和基于AI的載波關斷門限尋優,在業務低需求時對部分設備進行無關關閉,減少待機功耗;智慧能源站點可以支撐設備的遠程關閉/開啟,可以在業務需求和自然環境允許的情況下進一步關閉硬件,實現更高的收益。

5 總結和展望

本文提出了智慧能源目標網和智慧能源站點的核心思想,對其中的AI智能平臺和智慧能源設備提出了功能要求?赏ㄟ^對現有的站點能源進行重構,減少建站成本、提升運維效率,聚焦降本增效,通過能源多輸入多輸出的架構適配5G網絡的建設需求。

另一方面,本思想理論可作為站點能源供電架構向能源互聯網轉型的參考,借鑒能源互聯的思路,智慧站點將具備阿米巴蟲自運營、自管理的能力,有助于實現能量和負載一體化的分布式管控和互聯網化的能量運營。

總之,該思想理論在業務上為智慧城市運營商的轉型保駕護航,在行業內初步實踐能源互聯網理論,為更多領域實現能源信息化提供了重要的理論和技術參考。

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寫得不太好

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