2020-9-18 17:55

5G时代站点智慧能源网的演进探讨

Labs 导读

本文针对当前5G站点能源建设遇到的困难做了详尽的分析,提出了供电架构向智慧能源架构演进的思路,并对其可行性和经济社会效益进行了分析,同时对下一代站点能源产品提出了要求。

作者:

中国移动通信集团设计院有限公司 刘宝昌

中国移动通信集团采购共享中心 郑宏

1 5G时代站点能源的挑战与机遇

5G网络作为下一代通信技术,将提升更多行业的数字化水平,包含智能制造、远程医疗、远程教育、智能交通、智能物流、无人驾驶、无人机巡检等,成为我国推进供给侧结构性改革的新动能、振兴实体经济的新机遇、建设制造强国和网络强国的新引擎。

5G网络建设,站点基础设施先行,但当前站点能源的建设定位依然是配套,供电架构延续被动单向供电模式,因此市电电源、直流电源、ICT设备负载呈现出三个烟囱式的架构,如图1所示:

图1 站点供电架构现状

1.1通信负载供电需求分析

通信站点负载在5G时代对供电系统提出了更高的要求:

(1)站点功耗大——如何经济的进行站点建设?

(2)供电复杂——如何实现供电制式的软件定义?

(3)可靠性要求高——如何保证能源供给的高可用度?

1.1.1 通信负载功耗需求

首先,5G时代万物互联,“大连接、大带宽”的业务模式,注定使基站的功耗大幅增加;其次,5G高频覆盖导致站点加密,杆微站点增多,原有宏站电源不仅要供给本站的负载,还考虑拉远站点的能源供给;最后,随着网络向“以客户体验为中心”进行演进,核心网用户面设备和边缘计算设备会进一步下沉到基站侧,以保证自动驾驶、远程医疗等业务的端到端低时延,供电需求将更加复杂。

1.1.2 行业负载功耗需求

5G使能行业数字化,行业专用设备及终端需要部署在基站侧,一方面对供电制式提出了新的要求,如何兼容新的供电制式;另一方面由于行业终端大量接入,站点功耗将持续增加。

1.2电力供给发展分析

当前电力供给依然是低频模拟能量流,并且当前电网配置的储能电站、调峰电站,依然在电力供给侧进行优化;随着5G网络的快速发展,负载侧能源需求急剧上涨,电力供给压力凸显:

(1)接入站点市电扩容比例高、工期长:

主要城市包括各直辖市、省会城市及经济较好省份,因历史问题,转供电比例大,且无法保证持续扩容;

按照传统站点建设模式,30%站点市电容量不足,需进行市电增容;

市电增容审批流程周期长,同时严重依赖现有国网路由建设情况。

(2)汇聚机房市电增容费用高:

随着5G网络进一步扁平化,核心网用户面设备下沉、边缘计算服务器的部署,核心机房/汇聚机房功耗大幅增长,仅市电增容改造需8~10万元人民币的建设费用;

调研证明,电网的单相树状拓扑无法满足ICT领域急剧增加的负载功耗需求,在建设中存在错位现象,导致站点无法扩容。

因此,从电网的角度,期待站点电源自身可以实现阿米巴经营,即成为具备一定调度能力的分布式供电节点(市电、储能、新能源、燃料电池等),来满足通信网络的供电需求。

1.3站点电源现状分析

目前,站点电源的建设普遍存在短视的问题,以配套的思维来进行补丁式建设,管理手段也无法适配网络的演进,主要表现如下:

(1)为了简化能源部分的建设,存在多期重复建设的问题,站点资源硬件隔离无法共享,造成投资浪费;一方面站点配套资源持续堆积,站点租金、电费等持续上涨,另一方面站点资源难以整合利用,升级改造费用高。

(2)OPEX居高不下,能源及基础设施的管理依然处于较落后的状态;需要引入互联网的思维来重构现有站点运维系统,提升运维效率。

综上,站点能源建设上需要引入无线网络目标网的思路,避免投资的盲目性,提升投资效率;站点运维上需要引入IoT物联网技术、站点3D建模等新技术,将站点的实际情况精准的映射到网络中,同时通过对运维数据的挖掘,实现主动运维、提前预判。

基于负载侧的巨大变革、电网发展的不匹配以及站点能源系统本身存在的问题,需要构筑一个面向未来网络并可持续演进的站点能源系统,并以此为基础建设一个与移动网络紧耦合的智慧站点能源目标网,其特点应表现为:

(1)智能化:电源功能软件定义,支持与电网的交互、支持与负载的联动、支持储能的持续扩容,通过自适应的能源调度提升站点可用度;

(2)模块化:系统子部件要支持模块化演进,实现极简部署、按需扩容,保证投资效率的提升;

(3)高效化:高效体现为高效利用能源、高效维护;以最低瓦特成本为考核目标可靠站点建设和维护。

2 智慧站点能源目标网的可行性分析

目前,站点能源具备“分布式储能”能力,可引入“可再生能源”进行“分布式发电”降低碳排放,同时兼容拉远杆微站点的供电;根据杰里米·里夫金对能源互联网的定义,站点能源具备能源互联网中“可再生能源、分布式发电、分布式储能、能源互联”四要素,且自身就在ICT行业,应该作为能源互联网技术应用的“试验田”。

此外,近些年站点能源领域自身也在进行网络化和智能化的演进,现就当前的新技术和新趋势予以介绍。

2.1以站点电源为中心的智能站点网络

近些年,运营商面临流量和收入的剪刀差,OPEX居高不下,为提升站点的运维效率,全球运营商/铁塔公司均对站点的数字化、智能化进行了大量实践;据了解,中国铁塔公司通过部署FSU来提升站点运维的效率,但当前“只监不控”且未对运维数据进行有效的数据挖掘分析。

随着工控芯片的发展,高频整流电源的控制器能力迅速提升,具备整站管理的能力,可提升站点能源可用度,并且通过对运行数据的挖掘和分析可实现站点运维的闭环管理,实现精细化运维、前瞻性运维,指导站点进行精准投资。站点能源智能管控演进如图2所示:

图2 站点能源智能管控演进图

2.2软件定义的电源模块

整流电源模块实现了小型化,但面向未来网络演进,各种换能模块增多,如新能源模块、高压直流模块等,会导致备件管理增大;经调研,业内已有厂家推出软件定义的电源模块,通过软件的升级可实现太阳能转换、高压直流转换和整流转换。

如果能进一步完备软硬件的解耦和供电的分路隔离,即可实现软件定义按需输出的能源系统。

2.3高密化智能化的锂电储能

锂电池的发明,开启了电子设备便携化的进程,促进了移动网络终端的繁荣;随着电子产品、储能电站和电动汽车的广泛应用,锂电池价格持续下降,掀起了锂电替换铅酸的趋势,与传统铅酸电池相比较,锂电池主要优势如下:

(1)循环寿命更长:锂电池的循环寿命是铅酸的5~10倍;

(2)高温适应性强:35度工作温度对锂离子电池寿命和性能无影响;

(3)短时备电降额系数低:1C放电场景,锂电池可以100%能量输出,而传统铅酸电池仅有40%~55%。

(4)数字运维:锂电池的电池管理单元实现了对电芯的精细化、数字化管理;通过上报电池的荷电状态和健康度,可作为能源互联网中备电经营的基础;

(5)智能混用:现阶段锂电池和铅酸电池混搭场景较多,行业内除了原有的外置电池合路器外,已出现以固态变压器(双向DC/DC转换)为核心的内置合路器,通过锂电池架构上的创新赢得运维和使用上的便捷,保障了汇聚机房/核心机房锂电池备电的可靠性和安全性。

2.4他山之石的云调度

2018年滴滴出行运送乘客超过100亿人次,用户行程总里程达 488亿公里。通过兼备云计算、AI 技术、交通大数据和交通工程的智慧交通战略产品——“交通大脑”,减少 150.7万吨二氧化碳排放,相当于 80 万辆小汽车年均形势 1万公里的排放量。

通信需求和出行需求同为人类最基本的需求,能源供给又是支撑上述两个需求的基石,通过滴滴的实践可以看到,节省下的每一份能源都将汇流成海,站点能源运维同样需要一份“智慧大脑”,支撑站点管理和运维的升维。

综上,现有站点能源的管理和供电技术均有了革命性的进展,智慧站点能源目标的建设需要以此为据,找到新技术和经济性的平衡点,并且利用云、大数据的澎湃算力和AI的智能分析,摆脱现在站点能源建设和运维的落后状态,提升站点能效、简化运维,达到降本增效的目的。

3 智慧能源目标网的架构

基于调研,智慧能源目标网分为三层架构“AI平台——智能OSS——站点”,可以支撑“一站一策”的执行,使站点能源建设有依据、投资更精准,使运维有保障、管理维度更精细;改善以往建设中虽然建站标准清晰,但是未考虑站点实际运行情况,造成转维后进行补丁式建设的问题。智慧能源目标网架构如图3所示:

图3 智慧能源目标网架构图

3.1人工智能(AI)平台

首先,利用AI平台的云和AI的能力支撑“一站一策”的算力需求,通过对运维数据进行多维大数据分析和数据挖掘,简化站点的运维,具体功能需求如下:

(1)告警智能分析,通过对告警的关联分析,向运维人员的运维平板电脑发送可能系统拓扑图,可能故障点、潜在风险、物料需求等信息,一次上站解决站点问题;

(2)建立运维专家系统,将站点问题的解决方案收集整理,形成线上线下的闭环,简化运维难度;配置工业平板或头戴式智能终端,便于专家在运维中心指导现场运维,最大程度利用专家资源;

(3)挖掘站点故障题出现之前的运行数据异常情况,形成主动运维的依据,做到防患于未然;

(4)为能源与通信业务联动节能的策略提供依据。

3.2智能网管系统

传统网管更多是运维数据的上报和收集系统,没法直观展示站点运维情况;大量运行数据从产生到删除只是被存储,没有得到充分的利用,对站点改造前后的效果没有闭环分析;告警信息无分析,交流市电断开系统会出现4~5条告警,需要运维人员基于自身经验进行分析,对运维人员要求高,且维护效率低下。

智能网管,作为运维可视化的窗口,主要聚焦如下几点:

(1)整网运行的可视化呈现,提供多个角色的展示界面,对管理者只展示结果;对专家展示数据初步分析的结果和历史告警处理方法;通过工业平板或智能穿戴设备对站点工程师进行指导,最大化专家资源利用率;

(2)定制化运维报表的定期输出,有利于通过区域赛马实现站点能源等指标的持续提升;

(3)站点改造后的数据呈现,支持虚拟化站点子集设置,验证改造后的效果,支撑投资效果的验证,实现投资闭环管理;

(4)业务联动策略的下发,根据站点情况、业务需求等因素的综合分析结果下发智慧站点能源。

3.3智慧站点能源

智慧站点能源,作为站点路由器,适配5G建设及后续演进的需求,并结合站点的实际情况,进行站点能源的智能调度,具体功能要求如下:

(1)电网自适应和新型能源的接入,根据电网情况调整交流输入策略,市电稳定则限制交流输入功率,市电不稳则限制交流输入电流,最大程度保证站点可用度;新型能源接入,如太阳能、燃料电池等。

(2)存量电源、电池的并机管理,盘活存量站点资源;保证站点按照最优路径平滑演进到智能电源平台。

(3)负载和能源联动的执行,平台下发策略的执行以及和主设备业务的联动,实现站点资源的充分利用;

(4)聚焦能源多种输出,支撑行业终端的接入;支持高压直流输出,支撑拉远站点的能源供给;支持逆变模块的输出,支撑核心网设备、MEC设备的供电;

(5)智能配电单元,实现远程监测和开关,配合能源业务联动的实现;

(6)智能锂电池,通过固态变压器的部署支持储能持续扩容,满足现阶段新旧电池混用、后续持续扩容的需求;同时,在不影响现有储能的情况下,电源和智能锂电联动,实现负载削峰、错峰用电等功能;配合整网的储能调度,可为电网提供调频调峰服务,实现电力系统负载侧的联动。

综上,通过对智慧站点能源目标网的构筑,将提升管理、运维、建设等多方面的能力,为通信网络构筑能源供给的基石。

4 智慧能源目标网的效益分析

智慧能源网络的构筑,是通过ICT的信息化手段,能源互联网的思维构筑电信运营商能源专业的竞争力。以往站点能源供给的可靠性是通过堆积资源实现,智慧能源目标网的构建,不仅可以实现更高的可靠性,还可以显著的减少能源演进和建设方面的投资——通过集成获取站点可靠性增益,通过模块化降低能源目标网演进门槛。

4.1部署极简、运维极简和演进极简

4.1.1部署极简

要求在5G NR部署的过程中尽量做到不增加机柜,这就要求站点供电系统进一步提升功率密度,使得在同等空间内,能够容纳更高功率的供电、备电设备。

以目前主流使用的室外机柜为例,柜内总空间约30U,除电池18U,BBU两台4U,传输2U之后电源空间约4U,容量需求约24kW,要求每U功率密度约为6kW/U,目前主流电源产品的功率密度约2kW/U,需要提升至少3倍。

对于备电系统,建议采用更高能量密度的锂电替代传统铅酸电池,实现同等空间内收容更大容量的备电电池。传统电池仓7.5~8U的空间仅能收容一组200Ah铅酸电池,如更换为单组3.6U的150Ah锂电池,则可以实现1.5倍以上的容量增加。

以上述改造场景为例,20~30%的站点无需新增机柜,将节省大量的工程费用。

4.1.2运维极简

为降低运维成本,5G网络能源运维系统应首先完成站点设备的数字化改造,使站点设备信息都可以上传至运维管理系统,在站点侧通过电源控制器+无线传感器改造哑设备将会是主流技术,同时部分产品也将通过IoT技术实现组网。

其次运维管理系统需要从信息收集、集中展示转变为主动风险管理、主动运维,例如电池、温控设备的健康度管理,提前预警风险并精准维护,从而有效降低网络故障,改善KPI。

此外,运维管理系统应该具有智能分析能力,针对海量站点主动的智能提取关键信息,例如针对站点故障,运维管理系统应从历史状态数据、告警数据中建立故障发生模型,从而提取出故障根因,指导维护动作,提升效率。

通过运维工作的升维管理,站点可靠性提升,站点运维费用进一步明晰,有助于提升投资效率。

4.1.3演进极简

5G网络会经历几个阶段最终实现5G网络的全面覆盖:

阶段1:5G早期部署阶段,5G站点小批量部署同时伴随4G站点部署;

阶段2:全面的5G FR1频段部署及小批量FR2频段部署

阶段3:FR2频段连续覆盖部署

面向演进的模块化设计需要包括但不限于:功率、配电、多能源输入输出、备电、温控等,现阶段站点普遍采用多套电源简单叠加,分别为不同设备供电,重复投资。系统全模块化扩容具有无可比拟的优势:

(1)一次性部署,减少后续部署难度,缩短TTM。

(2)单个系统管理简单,故障定位快速准确,维护效率高,MTTR短。

(3)供电能力池化,容灾能力强,部件故障影响小。

智慧站点能源的模块化架构,将使站点升级更简单,减少不必要的工勘,减少部署时间,减小站点运维难度,提升站点的可靠性。

4.2能源智能调度

前文提及现有的站点能源可用度是通过多层冗余实现的,无法适应当前5G的建设和持续演进。

因此,需要通过智能化手段使电源系统同站点其他设备系统联动起来,优化各系统间的调度,提升利用率,避免大规模的工程改造。

例如:储能与用电功率联动,其工作原理如图4所示,在用电功率出现峰值时,调度站点储能放电,在用电功率降至市电容量以下时,启动电池充电。在市电容量普遍周期长、成本高的现状下,这种设计能带来大量的部署时间节省和成本节省,应成为供电系统的标配功能。

图4 储能与用电功率联动工作原理示意图

此外,通过智能化手段也可以解决5G AAU供电问题,由于功耗过大,传统电压制式配合细线缆给5G AAU供电时会导致线损大、供电距离受限的问题,相比于更换粗线缆,采用升压供电在工程上和成本上更有优势。但是考虑到AAU在不同带载率下功耗差异问题,升压需要具有一定的智能性:能够跟踪AAU的功耗变化匹配不同电压进行供电,才能保证在高负载时线损最小,同时在低负载时,自动调整输出电压使AAU正常工作。供电电压与供电距离选择如图5所示。

图5 供电电压与供电距离选择图

传统备电系统放电时,电压会随着放电过程持续下降,如图6所示。在AAU功耗较大、距离电源有一定距离时,电池电量无法充分放出,AAU提前因输入电压过低而终止工作,因此,备电系统也需支持恒压输出,保证停电时站点仍能正常工作。

图6 电池放电电压变化图

4.3高效用电

4.3.1叠加太阳能应用

目前,太阳能生命周期度电成本目前已经低至约3至5美分/度,远远低于火电成本,在5G时代会迎来太阳能在通信能源的规模应用,通过光伏&市电智能调度技术、光伏发电控制技术应用,可以进一步提升太阳能发电效率,加速绿色能源的规模应用。这不仅仅是企业社会责任的一部分,同时也可大幅降低电费,降低OPEX。

4.3.2从室内到室外

当前仍有一定比例的站点为室内站,制冷系统消耗大量电力,导致站点能耗居高不下,典型室内站整站能效约为60%。通过室外化改造,站点能效可提升至85%至90%,可大幅降低制冷能耗,降低OPEX。

4.3.3低效电源改造

在站点和核心机房当前仍存在大量低效老旧电源,电源效率低于90%,可通过98%高效电源替换改造,节省电源损耗,降低OPEX。

4.3.4系统间联动调度

通过系统间的联动调度可实现更高的系统效率。例如AAU同电源联动,供电电压根据AAU负载率调整保持线损最小;站点供电同业务联动,按需供电实现ECT(energy consumption per traffic)最低;AI技术引入,根据站点温度、湿度、能源状态、业务状态实时调整系统运行参数,达到系统效率最高。

4.3.5业务联动节能

当前网络的建设是以满足客户最大语音/数据需求为基础的分布式移动网络,但流量消费天然具有时间、地点等属性的波动性。

在保证KPI的情况下,通过业务侧的关时隙、关符号、关通道、关载波和关频段可以实现最高约10%~20的站点功耗节省;如通过多频多模的协同和基于AI的载波关断门限寻优,在业务低需求时对部分设备进行无关关闭,减少待机功耗;智慧能源站点可以支撑设备的远程关闭/开启,可以在业务需求和自然环境允许的情况下进一步关闭硬件,实现更高的收益。

5 总结和展望

本文提出了智慧能源目标网和智慧能源站点的核心思想,对其中的AI智能平台和智慧能源设备提出了功能要求。可通过对现有的站点能源进行重构,减少建站成本、提升运维效率,聚焦降本增效,通过能源多输入多输出的架构适配5G网络的建设需求。

另一方面,本思想理论可作为站点能源供电架构向能源互联网转型的参考,借鉴能源互联的思路,智慧站点将具备阿米巴虫自运营、自管理的能力,有助于实现能量和负载一体化的分布式管控和互联网化的能量运营。

总之,该思想理论在业务上为智慧城市运营商的转型保驾护航,在行业内初步实践能源互联网理论,为更多领域实现能源信息化提供了重要的理论和技术参考。

作者:刘宝昌 郑宏   来源:移动Labs

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本评论 更新于:2020-10-27 5:28:01