摘要：针对站点配套电源情况特殊的通信基站，使用常规的外电方案无法保证建设的工期和后期运行效果。设计了通信基站水氢发电机供电方案，通过对实际工程案例中成本、工期、稳定性等进行分析，验证了方案能够解决疑难站点的外电引入问题。结合无线网络发展趋势和未来基站的建设情况，展望了水氢发电机供电在远郊、高山、景区等场景的应用前景。

关键词：基站；水氢发电机；供电

1. 引言

第五代移动通信新空口技术（5G NR，5G New Radio）为更广泛的应用场景提供了支撑，其服务范围将延展至国民经济个社会生活的方方面面，极大地改善人民的生产、生活方式，促进社会在信息化和工业化程度上不断进步。5G NR因具有低时延、高速率、大容量和强稳定等优势，是下一阶段移动网络的发展趋势。随着5G网络深入发展，将弥补目前在长期演进（LTE，Long Term Evolution）技术中移动网络的不足，使当前受到网络性能限制而无法完整实现的应用场景需求。反过来，丰富的应用也要求运营商加大对网络基础设施建设的投资。

5G高频网络的建设，需要更多的基站提供信号连续覆盖。基站配套设施的完善和运维能力的增强，直接影响网络效果、通信质量，以及基站建成后的社会效益和经济效益。通信基站的站址应该选择在交通便利、环境适合、供电可靠的地方。但是在偏远郊区、高山密林、广阔农田等场景，存在信号的盲弱，会严重影响远程抄表、无人驾驶、智慧农业的实现。针对外电无法进入，或者进入成本高的站点，设计了使用水氢发电机供电的创新方案。通过对实际工程案例中成本、工期、稳定性等因素进行分析，验证了方案能够以较低的安装和运维成本，及较短的工期解决疑难站点的外电引入问题[1]。

2. 基站配套电源的要求

当前我国在积极发展5G，并在一定程度上取得了领先优势。与4G LTE网络不同，5G NR涵盖的频率范围包括了FR1/Sub-6GHz（0.45~6.0 GHz）和FR2/Above-6GHz（0.0242 5GHz~52.60 GHz），高频率下网络传输损耗加大，要提供高质量的连续覆盖和容量保证，必须建设更密集的基站，设计更具科学性的分层叠加型网络。配套电源对于站点的投资和工期有较大影响，特别是外电疑难站点问题的解决一直是工程建设中需要管控的重点。5G基站能耗提高，承载的应用更多且重要，对于配套电源的性能参数和保障能力也相应有更高的要求。

对于5G非独立组网（NSA，Non-Standalone）阶段的新建基站，交流负荷至少要满足16kW～20kW配置，市电引入要采用不小于4×25mm2的铜芯电缆或4×35mm2的铝芯电缆。环境恶劣的郊外和山野站，电缆应采用水泥包封直埋方式进行布放，敷设基本要求如下：

（1）室外直埋电缆敷设的深度为人行道最小70cm，车行道最小80cm；

（2）电缆上下应该均匀敷设10cm厚的细沙或者软土层作为基层，再铺设混凝土、石板或砖等作为保护层。

另外，外电三相交流电的单相输入电压允许在187V～243V之间波动，如果市电不稳，需要使用交流稳压器。基站应配置1套交直流供电系统，并做好后期扩容的冗余配置规划。对于没有固定油机的站点，一般要求安装2组阀控式铅酸蓄电池组或铁锂电池组，以满足交流断电后电池放电时间的要求：市区基站≥3小时，城郊及乡镇基站≥5小时，农村及山区基站≥7小时。

3. 水氢发电机供电方案

3.1 供电设备介绍

水氢发电机供电主要的动力源是水氢动力模块。这种新能源发电机的运行原理是将甲醇水燃料转化为氢气，并通过燃料电池将化学能转化为电能[2]。反应过程解决了质子交换膜燃料电池（PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell）中燃料供给的问题，使用甲醇水燃料制取高纯氢更加经济，并且模块提供了可观的转化率。

图1 水氢动力模块

水氢动力模块是把化学能直接转化为电能的发电装置，具有模块化、无污染、性能高、价格低、体积小、便捷安装、方便加料、供电稳定、放电时间久等特点。 对于配套环境不允许或者接入外电成本过高的通信基站，使用水氢发电机供电解决是一个可以尝试的方案。设备性能特点：

（1）发供电高效稳定

PEMFC的能量转换效率高达60%以上，而一般的内燃机发电机转换效率只有30%左右，同时甲醇水燃料的价格低廉，只有化石燃料价格的40%。

（2）运行平稳无污染

PEMFC在发电过程种不涉及燃烧，安全可靠无污染。水氢发电机除了燃料输送泵和风扇送风外没有其他机械运转部件，工作时整机震动轻微，声音强度可以控制在55分贝以内。发电过程中燃料消耗后排放物只含有水和少量二氧化碳，不产生硫化物、氮化物和粉尘颗粒物等有害物质，环境友好。

（3）模块组合成本低

模块化产品，体积小重量轻，可以按需定制，移动不受地域条件限制，能在极端环境下运行，环境适应能力强，非常适合安装在配套困难的基站。模块可以方便快捷地组装为所需规格的水氢发电机，运行寿命可达8年以上，已经广泛使用在汽车、会展、通信等行业。在基站中使用，产品稳定可靠，系统维护间隔长，能有效降低维护成本。发电机租赁

3.2 供电方案实现

水氢发电机供电可以使用交流和直流两种方案。传统的基站交流供电方式，需要将水氢发电机的输出进行逆变，不仅影响能效，还需要保留配电箱以及进行整流输出，安装调试麻烦[3]。采用直流供电，只需要将交流空调和照明设备等换为直流产品，同时增加水氢发电监控模块，与原有的基站动力环境监控模块通信。

图2 水氢发电机直流供电

为满足新建基站交流负荷至少16kW～20kW的配置要求，使用MRFC-EV10（单模块额定功率10kW）2台组合。模块重28kg，体积为484mm*280mm*800mm，单位甲醇发电量大于2.2Wh/g，热电联产效率大于80%，并可即时启动，满足基站建设使用标准。在恶劣环境、无外电条件下，可以增设备用燃料箱，来增加系统运行时间，节省人工成本。需要注意的是，甲醇燃料箱宜安装在加料方便处，并做好防震、防盗、防异物落入的保障[4]。机房内空间不足的情况下，可考虑布放在机房外并做好隐蔽。根基基站用电需求，合理设置冗余燃料箱数量。

3.3方案测试结果

选择了3个基站作为通信基站水氢发电机供电方案改造点。根据试点基站运行情况，得到测试数据如下。

基站A：山站，若引入外电，高压路由约600米，高压施工送电时间约1个月，新增变压器成本47万元，低压线路650米费用21万元，外电协调费23万元，合计造价91万元。实际水氢发电机供电20KW，组装测试总时间3天，总费用46.68万。运行6个月时间，共出现停电告警15次，同时收到电池熔丝告警达89次。维护人员核查数据后，怀疑是系统误报。查实 15次停电告警是因为机房交流空调当时没有更换，改造电力时使用了逆变器对供电系统造成的影响。后经过改造，将交流空调换为直流空调后，系统随后无告警。

基站B：偏远农场站，业主无法提供外电引入。水氢发电机供电20KW，组装测试总时间3天，总费用40.13万。设备安装完成后运行6个月时间，机器保持稳定运行，无停电告警。

基站C：景区站，若引入外电，高压路由约1000米，高压施工送电时间约1个月，新增变压器成本51万元，低压线路1100米费用42万元，外电协调费18万元，合计造价111万元。并且，常规外电方案无法在基站开通的规定工期内完成，因此使用水氢发电机供电。实际水氢发电机供电20KW，组装测试总时间4天，总费用43.25万。设备安装完成后运行6个月时间，机器运行稳定，没有出现停电告警。

4. 总结

    通信基站水氢发电机供电方案，在传统市电引入成本高、引入工期长的情况下，可以用很低的造价和很短的工期，完成机房电力的改造，实现基站稳定运行。PEMFC以甲醇为燃料，成本低廉、绿色环保、能效极高，只需要每60天左右进行一次人工添加燃料。5G基站对于配套电源有更高的要求，在偏远郊区、高山密林、广阔农田等场景，外电的进入比较困难，配合水氢发电机供电方案可以在这些环境下，快捷地实现设备运行，同时降低运营成本

[4]薛俊伟.应用于基站运维的NFC智能钥匙库管理系统[J].通信电源技术,2017,34(03):96-97+103.