摘要：第5代移動(dòng)通信技術(shù)(5thgenerationmobilenetworks，5G通信)發(fā)展方興未艾。5G網(wǎng)絡(luò)的普及需要建設(shè)大量的5G基站，這些海量的5G基站將在未來(lái)成為可觀的潛在靈活性資源。5G基站參與需求響應(yīng)，即對(duì)于5G基站中的供電設(shè)備和用電設(shè)備進(jìn)行調(diào)度，能夠在降低5G用電成本的同時(shí)，為電力系統(tǒng)提供靈活性資源，實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的雙贏。本文總結(jié)了5G基站的基本組成設(shè)備和用電特性，分析了其參與需求響應(yīng)的潛力;梳理了5G基站參與需求響應(yīng)所必需的關(guān)鍵技術(shù);展望了5G基站作為需求側(cè)資源參與電力系統(tǒng)互動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景;最后，對(duì)于5G基站參與需求響應(yīng)潛在的商業(yè)模式進(jìn)行探討。

　　關(guān)鍵詞：5G通信;5G基站;能源互聯(lián)網(wǎng);能量管理;儲(chǔ)能電池;需求響應(yīng)

　　0引言

　　第5代移動(dòng)通信技術(shù)(5thgenerationmobilenetworks，5G通信)相比于前代技術(shù)，具有“高帶寬、高容量、高可靠性、低延時(shí)、低功耗”的特點(diǎn)[1]，將提供更優(yōu)秀的通信質(zhì)量和更豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展。近年來(lái)5G技術(shù)的研發(fā)和推廣方興未艾。

　　通信論文范例：5G通信技術(shù)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

　　2015年，國(guó)際電信聯(lián)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(jì)劃(3rdgenerationpartnershipproject，3GPP)啟動(dòng)5G標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，并于2019年3月和2020年7月分別發(fā)布了Release15版本和Release16版本的5G標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)5G技術(shù)規(guī)范的全球統(tǒng)一。世界各國(guó)均積極推動(dòng)5G通信的技術(shù)研發(fā)和商業(yè)部署，美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)等紛紛公布各自的5G發(fā)展計(jì)劃。

　　截至2020年11月中旬，全球已有52個(gè)國(guó)家和地區(qū)的125家運(yùn)營(yíng)商推出了符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的5G商用服務(wù)[2]。我國(guó)在5G技術(shù)積累、商用推廣和設(shè)施建設(shè)方面位于世界前列。國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要明確提出“積極推進(jìn)第五代移動(dòng)通信(5G)和超寬帶關(guān)鍵技術(shù)研究，啟動(dòng)5G商用”的目標(biāo)。2019年6月6日，工信部正式向中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)廣電發(fā)放了5G商用牌照，標(biāo)志著我國(guó)正式進(jìn)入5G商用元年[3]。

　　作為保障5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重要環(huán)節(jié)，5G基站建設(shè)得到高度重視。2020年3月4日，中央政治局常務(wù)委員會(huì)明確提出“加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度”。截至2020年9月，我國(guó)已累計(jì)開(kāi)通5G基站69萬(wàn)座，占全球比重近7成，終端連接數(shù)超過(guò)1.8億個(gè)[4]。據(jù)估計(jì)，到2030年，我國(guó)建成5G基站數(shù)量將會(huì)突破千萬(wàn)[5]。建設(shè)海量的5G基站保障了5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致通信運(yùn)營(yíng)商的用電成本成倍上升。一方面，當(dāng)前單個(gè)5G基站的滿載功耗約為4kW，相當(dāng)于4G基站的3倍;另一方面，5G基站的建設(shè)數(shù)量也將大大超過(guò)4G基站。

　　因此，通信運(yùn)營(yíng)商需要尋找有效降低用電成本的辦法。當(dāng)前主要采取的方法為：在不影響通信服務(wù)的前提下，通過(guò)動(dòng)態(tài)關(guān)閉部分設(shè)備與功能，或者動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)備功耗，達(dá)到節(jié)能目的[6]。雖然上述思路已經(jīng)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?qū)⒊蔀橹萍s5G通信進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸之一。5G基站參與需求響應(yīng)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(yīng)為廣義上的需求響應(yīng)，包括了調(diào)度用戶側(cè)的靈活性資源參與到電力系統(tǒng)運(yùn)行中的一系列應(yīng)用，例如電網(wǎng)調(diào)峰、輔助服務(wù)等。

　　5G基站建設(shè)時(shí)均裝設(shè)了儲(chǔ)能電池作為不間斷電源(Uninterruptiblepowersupply，UPS)，同時(shí)基站設(shè)備功耗本身可調(diào)節(jié)，因此在保證供電可靠性和通信服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)具有一定的用電靈活性。通過(guò)充分發(fā)掘5G基站的用電靈活性，通信運(yùn)營(yíng)商可以參與到電網(wǎng)需求響應(yīng)中，降低基站的用電價(jià)格或獲取相應(yīng)的需求響應(yīng)補(bǔ)貼，從而有效緩解5G基站用電成本過(guò)高的問(wèn)題。

　　對(duì)于電力系統(tǒng)而言，利用5G基站提供的靈活性資源，能夠促進(jìn)可再生能源消納。為應(yīng)對(duì)大量可再生能源并網(wǎng)帶來(lái)的強(qiáng)不確定性，電力系統(tǒng)需要更多的靈活調(diào)節(jié)資源來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電和負(fù)荷的實(shí)時(shí)平衡[7]。雖然單個(gè)5G通信基站的功率較小，但是5G基站的總數(shù)量龐大，屬于典型的分布式資源。如果能夠有效對(duì)海量5G基站進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，充分發(fā)揮其用電靈活性，則可以形成可觀的聚合效應(yīng)，為消納可再生能源提供支撐。國(guó)內(nèi)外部分企業(yè)已經(jīng)開(kāi)展了控制通信基站與電網(wǎng)互動(dòng)的嘗試。日本最大的通信運(yùn)營(yíng)商N(yùn)TTDOCOMO公司開(kāi)展了“綠色基站”的技術(shù)驗(yàn)證[8];南非MTN公司采用華為PowerStar技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基站能量動(dòng)態(tài)管理[9];南方電網(wǎng)啟動(dòng)了“通信基站閑散儲(chǔ)能”示范項(xiàng)目。然而當(dāng)前各種項(xiàng)目仍以示范和技術(shù)驗(yàn)證為主，尚未開(kāi)展大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。主要原因如下：前代基站體量較小，且用電負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定，開(kāi)展需求響應(yīng)潛力不足;其次，部分關(guān)鍵技術(shù)仍不成熟;再次，缺乏有效的運(yùn)營(yíng)和商業(yè)機(jī)制，盈利模式不清晰。

　　此外，大多數(shù)項(xiàng)目在調(diào)度基站儲(chǔ)能電池時(shí)，電池可能無(wú)法同時(shí)兼顧UPS供能，難以協(xié)調(diào)供電可靠性和參與需求響應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性。5G基站參與需求響應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)與通信系統(tǒng)的有效互動(dòng)，促成雙方的合作共贏。當(dāng)前仍鮮有文獻(xiàn)對(duì)于5G基站參與需求響應(yīng)進(jìn)行探究，因此有必要梳理其關(guān)鍵性技術(shù)，分析其發(fā)展前景。本文介紹了構(gòu)成5G基站的基本設(shè)備，基于5G基站的用電特點(diǎn)分析了其參與需求響應(yīng)的潛力;梳理了實(shí)現(xiàn)5G基站參與需求響應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù);展望了5G基站作為需求側(cè)資源參與電力系統(tǒng)互動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景;最后，探討了5G基站參與需求響應(yīng)潛在的商業(yè)模式。

　　15G基站基本構(gòu)成與特點(diǎn)

　　為滿足大容量、低時(shí)延的通信要求，新設(shè)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(shí)，新設(shè)備也使得基站的用電負(fù)荷特性發(fā)生變化。

　　在5G技術(shù)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(nèi)補(bǔ)盲，功耗小。宏基站開(kāi)展需求響應(yīng)的潛力更大，本節(jié)主要對(duì)目前主流的商用5G宏基站進(jìn)行分析。1.15G基站的基本構(gòu)成5G基站設(shè)備主要包括供電設(shè)備和通信設(shè)備兩類，此外還需安裝照明、空調(diào)設(shè)備等。其中，供電設(shè)備包含電源和儲(chǔ)能電池;通信設(shè)備主要包括有源天線單元(Activeantennaunit，AAU)、基帶單元(Basebandunit，BBU)和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備。通信設(shè)備負(fù)責(zé)收發(fā)無(wú)線信號(hào)，對(duì)于信號(hào)進(jìn)行處理，并接入5G核心網(wǎng)，是移動(dòng)終端與5G網(wǎng)絡(luò)間的接口。BBU用于實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)字信號(hào)處理，功能包括快速傅里葉變換/逆變換、調(diào)制/解調(diào)、信道編碼/解碼等。

　　傳輸設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)接入，按照規(guī)定的協(xié)議與模式同5G主干網(wǎng)絡(luò)交互。AAU由天線陣列和前代基站的射頻單元集成而來(lái)。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(tǒng)天線，從而實(shí)現(xiàn)了多進(jìn)多出(Multiple-inMultiple-out，MIMO)技術(shù)[10]。AAU的發(fā)送(下行)功能將數(shù)字中頻信號(hào)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，使用射頻模塊將其調(diào)制為射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大器進(jìn)行放大后，由天線陣列發(fā)射;同時(shí)，接收(上行)功能接收空間中的無(wú)線電信號(hào)，并逆向?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

　　供電設(shè)備負(fù)責(zé)為基站中的通信設(shè)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(tǒng)中的交流電轉(zhuǎn)換為直流，供給各通信設(shè)備;儲(chǔ)能電池是后備供電途徑，當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生故障停電時(shí)，由儲(chǔ)能電池給設(shè)備供電，保障通信服務(wù)不受影響，提高可靠性。傳統(tǒng)鉛酸電池能量密度較低，很難適應(yīng)5G基站需求，使用性能優(yōu)良的鋰離子電池作為基站備用電源已經(jīng)逐漸成為主流。隨著近年來(lái)電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，回收梯次利用退役動(dòng)力電池作為基站儲(chǔ)能，能夠有效降低投資成本[12]。作為中國(guó)最大的基站運(yùn)營(yíng)商，中國(guó)鐵塔公司已經(jīng)在2018年已停止采購(gòu)鉛酸電池，統(tǒng)一采購(gòu)梯次利用的動(dòng)力鋰離子電池[1]。

　　1.25G基站負(fù)荷需求

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

　　5G基站用電設(shè)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(fù)載變化而變化。從用途上來(lái)看，AAU的功耗可以進(jìn)一步分為功率放大、小信號(hào)、數(shù)字中頻和電源功耗。圖3給出了不同通信負(fù)載率下的AAU功耗分布。不同負(fù)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(shè)備(包括直流設(shè)備如BBU、傳輸設(shè)備等和交流設(shè)備如照明、空調(diào)等)的負(fù)荷隨通信負(fù)載率的變化則較小。

　　25G基站參與需求響應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)

　　5G基站參與需求響應(yīng)需要有一系列關(guān)鍵技術(shù)作為前提。本節(jié)主要討論需要開(kāi)展的相關(guān)研究和技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包括基站設(shè)備功耗管理、儲(chǔ)能電池能量管理、儲(chǔ)能電池可調(diào)度容量評(píng)估、通信負(fù)載預(yù)測(cè)和基站聚合與協(xié)同調(diào)度。基站設(shè)備功耗管理和儲(chǔ)能電池能量管理是5G基站用電調(diào)控的直接技術(shù);儲(chǔ)能電池可調(diào)度容量評(píng)估用于評(píng)價(jià)在保障基站供電可靠性前提下，儲(chǔ)能電池的調(diào)度可行域;通信負(fù)載預(yù)測(cè)用于估計(jì)5G基站用電負(fù)荷，服務(wù)于儲(chǔ)能電池的可調(diào)度容量分析;基站聚合與協(xié)同調(diào)度用于實(shí)現(xiàn)海量5G基站的協(xié)同。

　　35G基站參與需求響應(yīng)應(yīng)用前景

　　本節(jié)主要對(duì)于5G基站在需求響應(yīng)中的應(yīng)用前景展開(kāi)討論;分析在不同需求響應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)景下，5G基站的響應(yīng)潛力，能否參與響應(yīng)，如何參與響應(yīng)，以及參與響應(yīng)的收益。本節(jié)主要涉及電力調(diào)峰、阻塞管理、調(diào)頻輔助服務(wù)等典型的電力需求響應(yīng)場(chǎng)景。

　　3.1參與電力調(diào)峰

　　隨著可再生能源滲透率的不斷提高，電力系統(tǒng)凈負(fù)荷的峰谷差增大，面臨愈發(fā)嚴(yán)峻的調(diào)峰問(wèn)題[42]。5G基站由于裝設(shè)了儲(chǔ)能電池，同時(shí)可以對(duì)于基站設(shè)備進(jìn)行功耗管理，具備參與電力調(diào)峰的能力。雖然單站的功率僅為千瓦級(jí)，但是作為“新基建”的重要組成部分，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)基本建成后，數(shù)量龐大的基站群將使得基站能耗在電力負(fù)荷中的比例大大提高，具有很強(qiáng)的調(diào)峰潛力。

　　基站參與電力調(diào)峰主要依靠?jī)?chǔ)能電池的充放電和基站設(shè)備的功耗管理。對(duì)于儲(chǔ)能電池，在評(píng)估得到未來(lái)時(shí)段用于滿足供電可靠性的最小儲(chǔ)能備用容量后，可將剩余容量參與到電力調(diào)峰中。在用電高峰時(shí)段放電，并在用電低谷時(shí)段充電，基于儲(chǔ)能的日內(nèi)調(diào)度進(jìn)行削峰填谷。同時(shí)，在用電高峰的時(shí)段，在不影響用戶通信質(zhì)量的情況下，開(kāi)展例如通道關(guān)斷、下行功率調(diào)控、多基站協(xié)同等設(shè)備功耗管理技術(shù)，可以進(jìn)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(fù)載達(dá)峰的時(shí)段也不相同。對(duì)于那些通信負(fù)載高峰與電力系統(tǒng)負(fù)荷高峰錯(cuò)開(kāi)的基站，在電力負(fù)荷高峰時(shí)段開(kāi)展功耗管理的效果更加明顯。在當(dāng)前國(guó)內(nèi)的峰谷電價(jià)機(jī)制下，在用電低谷時(shí)段充電，用電高峰時(shí)段放電，能夠通過(guò)峰谷價(jià)差實(shí)現(xiàn)套利，降低基站的用電成本。在國(guó)外基于節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)(Locationalmarginalprice，LMP)的實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制下，5G基站同樣具有很大的價(jià)差套利潛力。

　　45G基站參與需求響應(yīng)商業(yè)模式

　　5G基站參與需求響應(yīng)商業(yè)模式的核心問(wèn)題包括，參與需求響應(yīng)如何產(chǎn)生收益，產(chǎn)生的收益如何歸屬和分配，所需付出的成本如何測(cè)算，以及參與各方能否獲得足夠回報(bào)的問(wèn)題。本節(jié)將從不同運(yùn)維主體的視角，對(duì)于5G基站參與需求響應(yīng)的商業(yè)模式進(jìn)行分析和展望。

　　4.1基站運(yùn)營(yíng)商運(yùn)維模式為了實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，通信運(yùn)營(yíng)商有兩種途徑：一種是自建基站并進(jìn)行運(yùn)維;另一種是向基站運(yùn)營(yíng)公司租賃基站，并在基站內(nèi)安裝本通信公司的設(shè)備。在這里，我們將擁有自建基站的通信運(yùn)營(yíng)商和專門的基站運(yùn)營(yíng)公司統(tǒng)稱為基站運(yùn)營(yíng)商。在基站運(yùn)營(yíng)商運(yùn)維模式下，基站運(yùn)營(yíng)商擁有基站靈活性資源的所有權(quán)和運(yùn)維控制權(quán)，作為獨(dú)立主體參與和電力系統(tǒng)的互動(dòng)。電網(wǎng)公司在電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行中向基站運(yùn)營(yíng)商提出需求，基站運(yùn)營(yíng)商控制基站靈活性資源參與需求響應(yīng)。

　　5結(jié)論

　　5G通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展將會(huì)帶來(lái)5G基站的大量建設(shè)。對(duì)于電力系統(tǒng)而言，數(shù)量龐大的5G基站是潛在的靈活性資源。促進(jìn)5G基站參與需求響應(yīng)，能夠降低基站的用電成本，增加電力系統(tǒng)靈活性，從而實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的互利共贏。本文首先分析了5G基站的基本構(gòu)成設(shè)備，基站的用電特性表明了其具有較大的需求響應(yīng)潛力。

　　從基站設(shè)備功耗管理、儲(chǔ)能電池能量管理、基站可調(diào)度容量評(píng)估、通信負(fù)載預(yù)測(cè)、基站協(xié)同調(diào)度等方面對(duì)于5G基站參與需求響應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理。在此基礎(chǔ)上，本文展望了5G基站在需求響應(yīng)中包括調(diào)峰、阻塞管理、調(diào)頻等的應(yīng)用場(chǎng)景;探討了5G基站參與需求響應(yīng)潛在的商業(yè)模式。當(dāng)前，5G基站與電力系統(tǒng)的互動(dòng)仍處于起步階段，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，還需在關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，同時(shí)需要建立合理的市場(chǎng)機(jī)制與盈利模式。

　　隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)機(jī)制的建立，5G基站將作為一種負(fù)荷側(cè)的靈活性資源，深度參與到電力系統(tǒng)運(yùn)行中，在降低電力系統(tǒng)運(yùn)行成本、促進(jìn)可再生能源消納、建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)方面發(fā)揮重要作用。希望本文能夠?yàn)?G通信基站參與需求響應(yīng)的相關(guān)研究和實(shí)際應(yīng)用提供參考，促進(jìn)電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的共同發(fā)展。

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　　作者：雍培，張寧，慈松，康重慶