摘要：第5代移動通信技術(5thgenerationmobilenetworks，5G通信)發展方興未艾。5G網絡的普及需要建設大量的5G基站，這些海量的5G基站將在未來成為可觀的潛在靈活性資源。5G基站參與需求響應，即對于5G基站中的供電設備和用電設備進行調度，能夠在降低5G用電成本的同時，為電力系統提供靈活性資源，實現通信系統與電力系統的雙贏。本文總結了5G基站的基本組成設備和用電特性，分析了其參與需求響應的潛力;梳理了5G基站參與需求響應所必需的關鍵技術;展望了5G基站作為需求側資源參與電力系統互動的應用場景;最后，對于5G基站參與需求響應潛在的商業模式進行探討。

　　關鍵詞：5G通信;5G基站;能源互聯網;能量管理;儲能電池;需求響應

　　0引言

　　第5代移動通信技術(5thgenerationmobilenetworks，5G通信)相比于前代技術，具有“高帶寬、高容量、高可靠性、低延時、低功耗”的特點[1]，將提供更優秀的通信質量和更豐富的應用場景，推動經濟和社會的快速發展。近年來5G技術的研發和推廣方興未艾。

　　通信論文范例：5G通信技術在泛在電力物聯網的應用

　　2015年，國際電信聯盟(Internationaltelecommunicationunion，ITU)正式將5G通信的法定名稱確定為“IMT-2020”。2017年，第三代合作伙伴計劃(3rdgenerationpartnershipproject，3GPP)啟動5G標準的制定工作，并于2019年3月和2020年7月分別發布了Release15版本和Release16版本的5G標準，推進5G技術規范的全球統一。世界各國均積極推動5G通信的技術研發和商業部署，美國、德國、日本、韓國等紛紛公布各自的5G發展計劃。

　　截至2020年11月中旬，全球已有52個國家和地區的125家運營商推出了符合3GPP標準的5G商用服務[2]。我國在5G技術積累、商用推廣和設施建設方面位于世界前列。國家“十三五”規劃綱要明確提出“積極推進第五代移動通信(5G)和超寬帶關鍵技術研究，啟動5G商用”的目標。2019年6月6日，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯通和中國廣電發放了5G商用牌照，標志著我國正式進入5G商用元年[3]。

　　作為保障5G網絡覆蓋的重要環節，5G基站建設得到高度重視。2020年3月4日，中央政治局常務委員會明確提出“加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度”。截至2020年9月，我國已累計開通5G基站69萬座，占全球比重近7成，終端連接數超過1.8億個[4]。據估計，到2030年，我國建成5G基站數量將會突破千萬[5]。建設海量的5G基站保障了5G網絡覆蓋，但同時也會導致通信運營商的用電成本成倍上升。一方面，當前單個5G基站的滿載功耗約為4kW，相當于4G基站的3倍;另一方面，5G基站的建設數量也將大大超過4G基站。

　　因此，通信運營商需要尋找有效降低用電成本的辦法。當前主要采取的方法為：在不影響通信服務的前提下，通過動態關閉部分設備與功能，或者動態調整設備功耗，達到節能目的[6]。雖然上述思路已經取得了一定效果，但是5G基站用電成本仍然顯著高于4G基站。高昂的用電成本或將成為制約5G通信進一步發展的瓶頸之一。5G基站參與需求響應是降低用電成本的潛在途徑。其中，本文中所指的電力需求響應為廣義上的需求響應，包括了調度用戶側的靈活性資源參與到電力系統運行中的一系列應用，例如電網調峰、輔助服務等。

　　5G基站建設時均裝設了儲能電池作為不間斷電源(Uninterruptiblepowersupply，UPS)，同時基站設備功耗本身可調節，因此在保證供電可靠性和通信服務質量的同時具有一定的用電靈活性。通過充分發掘5G基站的用電靈活性，通信運營商可以參與到電網需求響應中，降低基站的用電價格或獲取相應的需求響應補貼，從而有效緩解5G基站用電成本過高的問題。

　　對于電力系統而言，利用5G基站提供的靈活性資源，能夠促進可再生能源消納。為應對大量可再生能源并網帶來的強不確定性，電力系統需要更多的靈活調節資源來實現發電和負荷的實時平衡[7]。雖然單個5G通信基站的功率較小，但是5G基站的總數量龐大，屬于典型的分布式資源。如果能夠有效對海量5G基站進行協調調度，充分發揮其用電靈活性，則可以形成可觀的聚合效應，為消納可再生能源提供支撐。國內外部分企業已經開展了控制通信基站與電網互動的嘗試。日本最大的通信運營商NTTDOCOMO公司開展了“綠色基站”的技術驗證[8];南非MTN公司采用華為PowerStar技術，實現基站能量動態管理[9];南方電網啟動了“通信基站閑散儲能”示范項目。然而當前各種項目仍以示范和技術驗證為主，尚未開展大規模商業應用。主要原因如下：前代基站體量較小，且用電負荷相對穩定，開展需求響應潛力不足;其次，部分關鍵技術仍不成熟;再次，缺乏有效的運營和商業機制，盈利模式不清晰。

　　此外，大多數項目在調度基站儲能電池時，電池可能無法同時兼顧UPS供能，難以協調供電可靠性和參與需求響應的經濟性。5G基站參與需求響應，可實現電力系統與通信系統的有效互動，促成雙方的合作共贏。當前仍鮮有文獻對于5G基站參與需求響應進行探究，因此有必要梳理其關鍵性技術，分析其發展前景。本文介紹了構成5G基站的基本設備，基于5G基站的用電特點分析了其參與需求響應的潛力;梳理了實現5G基站參與需求響應的關鍵技術;展望了5G基站作為需求側資源參與電力系統互動的應用場景;最后，探討了5G基站參與需求響應潛在的商業模式。

　　15G基站基本構成與特點

　　為滿足大容量、低時延的通信要求，新設備的投用使得5G基站性能相比于前代基站取得了顯著提升。同時，新設備也使得基站的用電負荷特性發生變化。

　　在5G技術框架中，5G基站包含宏基站和微基站，其中宏基站用于廣域覆蓋，功耗大;微基站用于室內補盲，功耗小。宏基站開展需求響應的潛力更大，本節主要對目前主流的商用5G宏基站進行分析。1.15G基站的基本構成5G基站設備主要包括供電設備和通信設備兩類，此外還需安裝照明、空調設備等。其中，供電設備包含電源和儲能電池;通信設備主要包括有源天線單元(Activeantennaunit，AAU)、基帶單元(Basebandunit，BBU)和網絡傳輸設備。通信設備負責收發無線信號，對于信號進行處理，并接入5G核心網，是移動終端與5G網絡間的接口。BBU用于實現基帶數字信號處理，功能包括快速傅里葉變換/逆變換、調制/解調、信道編碼/解碼等。

　　傳輸設備用于實現5G網絡接入，按照規定的協議與模式同5G主干網絡交互。AAU由天線陣列和前代基站的射頻單元集成而來。其中，為了提高信道容量，5G通信使用多天線組成的天線陣列代替了傳統天線，從而實現了多進多出(Multiple-inMultiple-out，MIMO)技術[10]。AAU的發送(下行)功能將數字中頻信號通過數模轉換模塊轉換為模擬信號，使用射頻模塊將其調制為射頻信號，經過功率放大器進行放大后，由天線陣列發射;同時，接收(上行)功能接收空間中的無線電信號，并逆向將其轉化為數字信號。

　　供電設備負責為基站中的通信設備提供直流電。其中外部電源是主要的供電途徑，將配電系統中的交流電轉換為直流，供給各通信設備;儲能電池是后備供電途徑，當配電系統發生故障停電時，由儲能電池給設備供電，保障通信服務不受影響，提高可靠性。傳統鉛酸電池能量密度較低，很難適應5G基站需求，使用性能優良的鋰離子電池作為基站備用電源已經逐漸成為主流。隨著近年來電動汽車的快速發展，回收梯次利用退役動力電池作為基站儲能，能夠有效降低投資成本[12]。作為中國最大的基站運營商，中國鐵塔公司已經在2018年已停止采購鉛酸電池，統一采購梯次利用的動力鋰離子電池[1]。

　　1.25G基站負荷需求

　　5G基站的負荷需求根據供電的形式可以分為交流負荷和直流負荷。交流負荷主要包括照明負荷、空調負荷等維持基站室內環境的用電負荷;直流負荷是基站內負荷的主要形式，由AAU負荷、BBU負荷、傳輸設備負荷以及其他部分如直流電源損耗等組成。

　　5G基站用電設備中，耗電量最大的為AAU，占到總用電量的約90%[6]。AAU的功耗隨基站的通信負載變化而變化。從用途上來看，AAU的功耗可以進一步分為功率放大、小信號、數字中頻和電源功耗。圖3給出了不同通信負載率下的AAU功耗分布。不同負載率下，功率放大模塊的功耗變化最明顯：滿載條件下，可占到總功耗的58%;而空載條件下，僅占15%。相比之下，其他用電設備(包括直流設備如BBU、傳輸設備等和交流設備如照明、空調等)的負荷隨通信負載率的變化則較小。

　　25G基站參與需求響應關鍵技術

　　5G基站參與需求響應需要有一系列關鍵技術作為前提。本節主要討論需要開展的相關研究和技術實現，包括基站設備功耗管理、儲能電池能量管理、儲能電池可調度容量評估、通信負載預測和基站聚合與協同調度。基站設備功耗管理和儲能電池能量管理是5G基站用電調控的直接技術;儲能電池可調度容量評估用于評價在保障基站供電可靠性前提下，儲能電池的調度可行域;通信負載預測用于估計5G基站用電負荷，服務于儲能電池的可調度容量分析;基站聚合與協同調度用于實現海量5G基站的協同。

　　35G基站參與需求響應應用前景

　　本節主要對于5G基站在需求響應中的應用前景展開討論;分析在不同需求響應應用場景下，5G基站的響應潛力，能否參與響應，如何參與響應，以及參與響應的收益。本節主要涉及電力調峰、阻塞管理、調頻輔助服務等典型的電力需求響應場景。

　　3.1參與電力調峰

　　隨著可再生能源滲透率的不斷提高，電力系統凈負荷的峰谷差增大，面臨愈發嚴峻的調峰問題[42]。5G基站由于裝設了儲能電池，同時可以對于基站設備進行功耗管理，具備參與電力調峰的能力。雖然單站的功率僅為千瓦級，但是作為“新基建”的重要組成部分，未來5G網絡基本建成后，數量龐大的基站群將使得基站能耗在電力負荷中的比例大大提高，具有很強的調峰潛力。

　　基站參與電力調峰主要依靠儲能電池的充放電和基站設備的功耗管理。對于儲能電池，在評估得到未來時段用于滿足供電可靠性的最小儲能備用容量后，可將剩余容量參與到電力調峰中。在用電高峰時段放電，并在用電低谷時段充電，基于儲能的日內調度進行削峰填谷。同時，在用電高峰的時段，在不影響用戶通信質量的情況下，開展例如通道關斷、下行功率調控、多基站協同等設備功耗管理技術，可以進一步降低高峰電力需求。

　　不同基站由于覆蓋范圍不同，其通信負載達峰的時段也不相同。對于那些通信負載高峰與電力系統負荷高峰錯開的基站，在電力負荷高峰時段開展功耗管理的效果更加明顯。在當前國內的峰谷電價機制下，在用電低谷時段充電，用電高峰時段放電，能夠通過峰谷價差實現套利，降低基站的用電成本。在國外基于節點邊際電價(Locationalmarginalprice，LMP)的實時電價機制下，5G基站同樣具有很大的價差套利潛力。

　　45G基站參與需求響應商業模式

　　5G基站參與需求響應商業模式的核心問題包括，參與需求響應如何產生收益，產生的收益如何歸屬和分配，所需付出的成本如何測算，以及參與各方能否獲得足夠回報的問題。本節將從不同運維主體的視角，對于5G基站參與需求響應的商業模式進行分析和展望。

　　4.1基站運營商運維模式為了實現5G網絡覆蓋，通信運營商有兩種途徑：一種是自建基站并進行運維;另一種是向基站運營公司租賃基站，并在基站內安裝本通信公司的設備。在這里，我們將擁有自建基站的通信運營商和專門的基站運營公司統稱為基站運營商。在基站運營商運維模式下，基站運營商擁有基站靈活性資源的所有權和運維控制權，作為獨立主體參與和電力系統的互動。電網公司在電力系統實時運行中向基站運營商提出需求，基站運營商控制基站靈活性資源參與需求響應。

　　5結論

　　5G通信網絡的快速發展將會帶來5G基站的大量建設。對于電力系統而言，數量龐大的5G基站是潛在的靈活性資源。促進5G基站參與需求響應，能夠降低基站的用電成本，增加電力系統靈活性，從而實現通信系統和電力系統的互利共贏。本文首先分析了5G基站的基本構成設備，基站的用電特性表明了其具有較大的需求響應潛力。

　　從基站設備功耗管理、儲能電池能量管理、基站可調度容量評估、通信負載預測、基站協同調度等方面對于5G基站參與需求響應的關鍵技術進行了梳理。在此基礎上，本文展望了5G基站在需求響應中包括調峰、阻塞管理、調頻等的應用場景;探討了5G基站參與需求響應潛在的商業模式。當前，5G基站與電力系統的互動仍處于起步階段，為實現大規模的商業應用，還需在關鍵技術上取得突破，同時需要建立合理的市場機制與盈利模式。

　　隨著相關技術的發展和市場機制的建立，5G基站將作為一種負荷側的靈活性資源，深度參與到電力系統運行中，在降低電力系統運行成本、促進可再生能源消納、建設能源互聯網方面發揮重要作用。希望本文能夠為5G通信基站參與需求響應的相關研究和實際應用提供參考，促進電力系統和通信系統的共同發展。

　　參考文獻

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　　[4]中國電子信息產業發展研究院.5G融合應用發展白皮書(2020)[EB/OL].(2020-12-04).http://www.xinhuanet.com/tech/2020-12/04/c_1126821689.htmChinaCenterforInformationIndustryDevelopment.Whitepaperon5Gapplicationdevelopment(2020)[EB/OL].(2020-12-04).http://www.xinhuanet.com/tech/2020-12/04/c_1126821689.htm(inChinese).

　　作者：雍培，張寧，慈松，康重慶