基于“5G+物联网”的智慧能源新技术研究及应用
——通信基站智能化用电规划及管理

石 强，郭 翔，马翼飞，胡 滨，魏 巍

（中国铁塔股份有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

近年来，随着我国通信技术的飞速发展和广泛应用，5G技术已经成为当前无线通信技术领域的研究重点之一。我国对于通信技术十分关注，也在5G研究领域投入了大量的人力、物力、财力，以加强技术跟踪与预研[1]。物联网技术通过一系列高科技信息识别感应装置（温湿度传感器、精度测量仪等）将所有的被处理物品都进行信息化登记处理，并与现有的互联网相结合，构建全球性、远程性、便捷性的生产生活体系。

随着通信技术的进步，5G网络正在全面覆盖，5G基站的数量也在不断增加，随之而来的是基站能耗持续提高，不仅会增加运营成本，而且还会对“碳达峰”“碳中和”目标的实现造成影响[2]。传统基站节能技术在节能方面受限较大，节能效果并不明显。结合5G技术和物联网技术，提出一种基于5G技术和物联网技术的基站节能系统设计。该系统由软件平台和硬件系统构成，节能手段采用物理、定时、远程等方式，相比传统节能方式灵活且受环境影响小，能够更好地进行节能。

1 现状及需求分析

截至2021年底，全国所有的移动通信基站有996万个，5G基站就有142.5万个，基站耗电量占整体耗电量的70%。由于5G网络具有高带宽、高流量、高发射功率，因此其单站能耗比4G大幅增加。根据中国通信标准化协会发布的数据，目前通信运营商的5G基站主设备空载功耗为2.2～2.3 kW，满载功耗为3.7～3.9 kW，是4G单站功耗的2.5～3.5倍。随着5G网络的不断壮大，加上5G设备耗电较多，运营商电费成本大幅上升[3]。

2020年9月22日，中国政府在第75届联合国大会上表示，中国将采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现“碳中和”。各大通信运营商纷纷响应并落实中央决策部署，助力实现“碳达峰”和“碳中和”目标[4]。通过推动移动基站低碳运营，推广极简建站、潮汐节能等技术的应用，有序提高清洁能源占比。积极引领基站能效提升，采用符号关断、通道关断、载波关断等不同层级的节能策略，试点推广5G节能方案。此外，深入推进各类机房绿色低碳化重构，从而提高智慧能源管理水平[5-7]。

2021年6月17日，中国联通发布了《“碳达峰、碳中和”十四五行动计划》，提出“3+5+1+1”计划，聚焦5大绿色发展方向。一是推动移动基站低碳运营，推广极简建站、潮汐节能等技术，有序提高清洁能源占比。二是建设绿色低碳数据中心，通过供电降损简配、空调利用自然冷源等方式，提高系统能效。三是深入推进各类机房绿色低碳化重构。四是加快推进网络精简优化，老旧设备退网。五是提高智慧能源管理水平。

2021年7月15日，中国移动启动“C²三能——中国移动碳达峰碳中和行动计划”，落实中央决策部署，助力实现“碳达峰”“碳中和”目标。预计2025年，单位电信业务总量综合能耗、单位电信业务总量碳排放指标较2020年降幅均超过20%。

2021年8月25日，中国电信发布“节能降碳绿色发展——中国电信碳达峰、碳中和行动计划”，目标到“十四五”期末，实现单位电信业务总量综合能耗和单位电信业务总量碳排放下降23%以上。

在“双碳战略”背景下，随着5G网络的发展和用户规模的扩大，如何有效降低通信基站能耗已经成为当下亟须解决的问题。

2 技术方案

针对目前亟须解决的通信基站能耗问题，提出了一种使用在线式防雷防漏电自动重合闸产品和平台的“5G+物联网”智慧能源新方案。

2.1 总体方案

在线式防雷防漏电自动重合闸产品由无线通信部分和智能控制开关部分组合而成，可以根据不同的应用场景单独使用或按需自由组合，由数据网关接入统一管控平台实现对智能开关控制分路的统一管理。通信网关具备汇聚转发数据、控制管理智能开关等功能，而智能开关具有安全保护、数据监测、远程控制功能。该系统架构包括设备感知层、边缘控制层以及应用服务层，如图1所示。

图1 整体系统架构

顺应社会智能化的发展趋势及客户的需求变化，将传感、移动通信、云计算、机器学习以及网络安全等技术融入配电运行中，为客户提供先进的低压智能配电数字化系统。通过融合智能硬件、专业软件、数据分析及服务，设计先进的一站式数字化能源解决方案。

由被动式运维转变为主动式运维，由部分监测转变为全面监测，通过预警、预防、预测等功能主动进行风险疏解，为用户打造安全、可靠、稳定的配电系统。此外，采用能够测量及监测内部触头温度、外部端子排温度及运行环境温度的新一代智能断路器。智能断路器可以根据设备运行历史数据及工况计算出触头磨损情况，通过核心算法预测设备的老化程度，并在设备达到使用寿命前通过云端平台通知设备用户及维护负责人，及时检修维护或更换。

该方案中包含具备在线检测、电子派单、维护计划、电子巡检、资产快查、档案管理及能效分析等功能于一体的远程综合管理平台，可以协助企业快速实现精细化管理，降低运营成本和风险。通过“本地+云端+移动端”的融合实现线上线下无缝结合，有助于在第一时间决策和行动，实现配电室无人值守。基于大数据分析+专家或人工智能的优化策略，显著提升能源和设备资产的使用效率。

通过云端能源管理系统可以实现能耗分析、能耗预测、能耗排名、能耗对标、用能评估以及节能咨询等功能，有效帮助企业实现高效能源管理，同时减少能源浪费，实现节能目标，提升企业整体形象。

2.2 5G组网方案

基于安全可靠的运营商5G网络，将能耗数据、环境监测、安全监控数据通过5G智能信息网关实时上传到云平台，实现多元化能源的优化配置、协同供给及智慧调度，降低客户用能成本，提高终端能源利用率，保障安全、优质、可靠的电力供应，提供灵活、高效且便捷的优质服务。整体的应用组网方案如图2所示。

图2 组网方案

2.3 应用方案

本次应用方案主要针对以下需求进行实施设计：一是监测用电回路的电量，实现通信运营商绿色按需用电；二是提供能耗监测、远程控制、设备健康管理等基础数据服务； 三是监控电气回路安全，对于过温、漏电、雷击以及打火等问题提供有效预警和保护。应用方案构成如图3所示。

图3 应用方案

交流配电箱设计如图4所示。

图4 交流配电箱设计

交流配电区间为输入保护回路、输出保护回路、插座回路，主要功能为监测用电回路电气参数、自定义用电回路用电时间等规则。

直流配电箱设计如图5所示。

图5 直流配电箱设计

直流配电区间为输入保护回路、输出保护回路、浪涌保护回路、负载保护回路以及电池保护回路等，主要功能为提供线路保护、监测回路用电数据、通过智能断路器实现一次/二次下电以及自定义设备运行规则等。

2.4 智能用电管理平台

2.4.1 系统实时性

常规数据响应时间指现场采集监测设备上报数据的时间，一般小于等于10 s。常规数据查询响应时间小于5 s，模糊查询响应时间小于5 s，一般画面调出响应时间小于等于3 s，前置主备通道自动切换时间小于5 s，计算机远程网络通信实时数据传送时间小于5 s。

2.4.2 系统并发指标

系统支持3 000个以上用户同时在线，并发能力达到500个用户及以上。系统的年可用率大于等于99.5%，采用双机集群/热备方式，任何单一节点的故障都不会影响系统的正常运行。

系统平台各类设备的平均无障碍时间小于等于3.104 h，系统平台运行寿命大于等于10年，系统平台故障恢复时间小于等于2 h。正常状态下，主要节点CPU负载小于等于30%，网络总负载小于12%；最坏情况下主要节点CPU负载小于等于50%，网络总负载小于24%。

3 应用案例

3.1 智能能耗管理

5G网络技术的快速发展为智能物联网解决方案的推广提供重要先决条件，智慧型物联网断路器集电气保护、温度保护、电弧保护等多种保护为一体，配合云端平台能够实现能耗分析、安全预警、实时场景控制等功能。智能能耗管理界面如图6所示。

图6 智能能耗管理界面

3.2 智能运维管理

对于大量偏僻位置的基站，其用电易受外界偶然因素的影响而频繁误动作，需要依靠大量运维人员通过现场维护来保障通信电源供电的连续性。具体问题包括以下几点：雷击（感应）引起线路上的浪涌电流会造成开关跳闸；开关电源工作时产生的高次谐波会导致漏电开关跳闸；线路或设备的绝缘电阻下降引起漏电开关跳闸；电压不稳造成开关跳闸。智能运维管理界面如图7所示。

图7 智能运维管理界面

由于人工合闸上站成本高且送电不及时，因此需要设计自动化用电控制和管理方式，从而确保通信网络的稳定性。通过5G+智慧微断方案实现远程实时监管基站用电情况，减少维修人力成本，优化出勤次数。

4 案例说明

通过5G+智能微断实现了智能能耗管理、智能运维管理等功能，在保护人员安全、电能管控、设备管控等多方面进行创新性应用，推动智慧能源的发展。

5G作为新一代通信技术，正成为支撑能源转型的重要战略资源和新型基础设施。本方案采用5G数据通信网关接入统一管控平台实现对智能开关控制分路的统一管理，5G通信网关具备汇聚转发数据、控制、管理智能开关等功能，充分利用了5G设备的高速率、低时延、高可靠特性，实现实时管理和智能化等功能。

智慧型物联网断路器集电气保护、温度保护、电弧保护等多种保护为一体，兼具全电量测量、远程控制等功能，配合云端平台能够实现能耗分析、安全预警、实时场景控制等行业应用。随着行业数字化转型需求的不断提升，传统微断向智能微断的升级将是必然趋势。智能微断作为传统微断的替代者，不仅有着传统微断保护电路的作用，还能实现电能统计、设备远程控制、实时预警等功能，对于能耗管理、运维效率提升具有重要意义。

基于云计算架构构建支持电网级的海量物联通信平台，能支持亿级传感、计量设备的同时接入，满足了配用电实时自动化控制和交互所需的实时数据管理和数据通信需求，能够实现电力系统“五遥”功能。同时，系统的大数据平台架构具备线性可扩充性。

IEC 公共信息模型（Common Information Model，CIM）模型面向输电、配电、用电以及能源系统，面向对象的信息模型标准，也是未来能源互联网技术体系的重要组成部分。结合丰富的业务和技术经验，从底层代码开始完整实现了IEC CIM模型功能，包括对象模型、数据模型、图形模型、图数模一体模型工具以及模型可视化工具等。

5 结 论

在国家“双碳”目标推进背景下，基站及汇聚机房的智慧能源管理、智能运维管理有利于通信行业降本增效，实现更加绿色、低碳、可持续发展。通过将主进线开关替换为智能微断，可以做到对用电设备的用电实时监测，对存在的安全用电隐患能及时发出告警。在故障消除后，设备自身可以自动重合闸，实现远程控制，从而提升故障处理的时效，同时减少人员上站合闸的费用，达到节能减排、降本增效的目的。通过5G+智慧微断方案的运用，极端天气情况下保证用电设备100%正常运行，实现主动用电安全预警、远程遥控管理智慧能源设备等功能。

针对网络潮汐现象，通过智慧能源方案运用实时监控用电行为，基于智能算法及云平台大数据分析，根据不同基站场景提出针对性关断节能建议，并完成相关设备的用电量分析、电费统计、节能对比等功能，实现基站能耗数据的精细化管理。通过分层分级的节能技术应用，有效降低网络闲时能耗，网络协同持续提升节能效率。