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1、计及通信负载的5G基站储能调控策略简要：摘要 5G 基站建设作为新基建的重要组成局部，正加快推进建设进程。随着 5G 基站建设数量剧增，基站备用储能将是一笔容量可观的储能资源。由于 5G 基站仍处于建设初期，其作为新的摘要 5G 基站建设作为“新基建的重要组成局部，正加快推进建设进程。随着 5G 基站建设数量剧增，基站备用储能将是一笔容量可观的储能资源。由于 5G 基站仍处于建设初期，其作为新的储能配置主体参与配电网协同互动的策略仍亟待研究。文中设计了以盘活通信基站闲置储能资源为目的的 5G 基站云储能系统，提出计及通信负载的基站储能可调度潜力分析方法，并建立了 5G 基站储能参与电网协同调度
2、模型。算例分析结果说明，文中所提 5G 基站储能调控策略可降低储能充放电对备电作用的影响，并利用基站通信负载的时间差异性与空间互补性，有效到达辅助电网削峰填谷、减少基站运营本钱的效果，使电网与通信运营商互利共赢。麻秀范; 孟祥玉; 朱秋萍; 段颖; 王志， 电工技术学报 发表时间：2022-09-06关键词：5G 基站备用储能 通信负载 云储能系统 可调度潜力0 引言近两年，我国明确提出加快“新基建开展步伐，5G 基站建设作为新基建之一，正稳步推进建设进程。5G 通信的频段较高，单个 5G 基站覆盖范围较 4G 基站小，且由于使用了更大规模的阵列天线、更高的带宽，其耗能明显高于 3G、4G 基
3、站，各大运营商都在积极探索降低电费的方法。5G 基站通常会配置储能作为备用电源来保证基站的不间断供电需求，据工信部预计 2023 年 5G 基站对备用电池需求量将到达 31.8 GWh，这是一笔非常大的储能资源。随着我国配电网更加坚强可靠，在市电正常供电时，通信基站储能电池一直处于闲置状态，造成了资源的浪费。因此，如何盘活碎片化闲置储能资源，使 5G 基站作为新的储能配置主体参与到与配电网的协同互动中来，从而实现电网与通信运营商的互利共赢将成为研究的重点。目前，在 5G 基站能效管理方面，国内外研究者多聚焦于基站休眠技术的研究1-4，其意在从源头降低基站的能耗，进而到达节约能源、降低运营商电费
4、本钱的目的。但这种方法在节能降费的同时往往伴随运营商通信效劳质量受损，5G 通信用户体验感降低等风险，因此亟待研究结合基站通信负载情况及不同时间空间尺度的动态功耗管理技术。在储能调控技术方面，越来越多的学者致力于研究使各类分布式储能资源参与电力系统协同调度的方法5-10。文献11提出电动汽车分布式储能概念，考虑电池、电网和车主使用约束，提出计及电动汽车 出 行 不 确 定 性 的 储 能 充 放 电 控 制 策 略 。 文 献 12-13基于规模化聚合管理分布式储能的研究思路，分别建立了电力市场环境下分布式储能聚合商参与电网协同调控模型。文献14总结了 5G 基站设备组成和用电特性，并对基站后
5、备储能作为灵活需求侧资源参与电力系统协调互动进行展望，但并未提出 5G 基站储能参与协调互动的具体调控方法。由于 5G 基站具备自身通信业务特性，其他形式的储能调控研究成果无法完全适配于 5G 基站储能调控，因此考虑通信基站后备储能特殊性的参与电网协同调度方法将成为研究重点。随着能源与信息领域深度融合的不断推进，通过构建储能云平台，利用能量信息化技术和先进通信技术对分散的储能资源进行数字化管控逐渐受到研究学者的关注15。文献16解释了云储能及其相关概念，详细阐述了云储能模式的各个要素及未来研究展望。文献17设计了本地自治的基站备用电池云储能系统，并提出了云储能系统的运营模式，但并未针对基站备用
6、电池的能量管控方法进行具体研究。总结来看，目前关于 5G 基站储能参与电网协同调度的具体方式研究还比拟缺乏，亟待对其进行进一步探索与完善研究。本文从聚合大规模、分布式的基站储能资源以参与电网协同互动的角度，设计了以盘活通信基站闲置储能资源为目的的 5G 基站云储能系统。提出考虑基站通信负载差异性的基站储能可调度潜力分析方法，并根据基站储能的可调度容量，使用最小化负荷曲线方差及最大化储能调控收益作为优化目标，建立 5G 基站储能参与电网协同调度模型。并通过算例分析验证了模型的有效性与合理性，为 5G 基站储能参与电网协同调度提供了策略参考。1 5G 基站云储能系统简介1.1 5G 基站云储能系统
7、控制架构5G 基站储能具有数量多，分散广，个体容量小的特点。假设由电网直接控制各单个基站储能的充放电行为，会给电网带来过重的计算负担及工作量18-19，也削弱了电网利用基站分布式小容量储能的意愿，因此由电网直接调控基站储能的可行性较低。本文在电网与各单个 5G 基站储能之间引入 5G 基站云储能调控平台这个类似中间代理商的角色，形成由电网-云储能调控平台-5G 基站三个主体构成的 5G 基站云储能系统，利用云储能的形式将小而分散的 5G 基站储能虚拟聚合，意在利用先进的通信技术打破物理连接局限，使电网灵活利用这种容量小、分散广的储能资源成为可能。在该控制架构下，大量且分散的 5G 基站储能以终
8、端形式接入云储能调控平台，并受其调控进行充放电响应。基站云储能调控平台作为 5G 基站储能和电网之间的交互平台，根据采集终端储能的状态参数，制定充放电方案并将其上传至电力系统调度中心，经电网平安校核并反响结果后将具体的充放电策略下达至各 5G 基站，起到了传递信息流的作用。5G 基站储能执行收到的调控指令信息，通过储能的充电与放电实现与电网之间能量流的传递。1.2 5G 基站云储能系统调控模式5G 基站储能参与电网优化运行的目的主要是为盘活闲置的基站备用电池储能资源，通过合理的充放电过程实现参与电网削峰填谷，并利用峰谷电价差获取一定的收益。其可选择的调控模式可大致分为以下两种：1)基站自主调控
9、在该调控模式下，基站仅考虑自身备用电池实际使用情况，根据当前电价控制基站储能的充放电行为，通过储能的低储高放获得收益。2)云储能调控平台运营方通过与通信运营商签订合同直接调控基站储能在该调控模式下，云储能调控平台运营方通过与通信运营商签订合同，获取基站储能设备的调控权，并通过与电网的信息交互按照电网实际运行需求下达调控指令，调整包括储能功率、启停等在内的充放电行为。考虑到 5G 基站个体容量小且数量多，基站依据电价自主调控储能，缺少与电网之间信息的交互，未必会真正满足电网实际运行需求。甚至由于对电价信息的敏感程度和响应速度的差异性出现过响应或响应滞后等结果，严重影响了基站储能参与电网优化运行的
10、效果。因此，本文对 5G 基站储能调控策略的研究采用基于合同的直接调控模式。1.3 5G 基站云储能系统调控流程基站云储能调控平台实现将分散的 5G 基站储能聚合以效劳电网，其与电网和 5G 基站的交互流程如图 1 所示。调控平台运营方在 5G 基站侧安装终端量测、通信和控制设备，对基站的运行状态、储能设备参数和基站负载状态等信息进行实时监测，并结合各 5G 基站的备用电池需求情况分析基站储能的可调度潜力，制定聚合后的基站储能调用出力方案并上报给电网。电网经平安校核反响给调控平台需求指令，调控平台根据指令制定具体的调控策略并下达至各 5G 基站，控制各基站储能的充放电行为。2 5G 基站储能可
11、调度潜力分析2.1 基站通信负载特性用户作为基站通信数据流量产生的来源，其日常使用行为在一定程度上导致了通信流量负载在不同时刻呈动态变化的特性。且用户在移动网络中随时可能处于移动状态，随着用户在空间位置上的移动，其通信过程也会在不同基站覆盖区之间移动。如图 2 所示，以目前应用成熟的 4G 基站通信负载时空特性举例说明20。可以看到，在时间特性方面，受用户生活习惯的影响，基站通信负载在一天 24 h 内处于波动状态，且存在明显负载顶峰和低谷;在空间特性方面，工作时段办公区域的基站通信负载明显高于居民区域，而非工作时段，居民区域的基站通信负载明显高于办公区域。我们身边的众多场所如商业区，办公区，
12、住宅区等区域均随人类移动行为而存在明显的用户数量波动性，这使得处于不同地理区域的基站通信负载情况存在明显差异性与一定程度的互补性。随着 4G 时代向 5G 时代迈进，定然会催生出依托于 5G 高传输速率、低延迟等优势的新业务及应用，但其对于人类移动行为的影响比拟有限，故处于不同功能区域的 5G 基站通信负载也会存在一定程度的差异与互补。目前 5G 基站储能的容量主要参考基站峰值负载所对应的峰值功耗进行配置，由于基站通信负载并不是时刻都处于峰值状态，故其储能的配置存在一定冗余，这也为基站储能参与电网协调互动提供了可挖掘的调度潜力。2.2 基站储能可调度容量模型5G 基站储能最主要的功能是作为备用
13、电源来保证基站的不间断供电需求，因此 5G 基站储能充放电方案的制定，需要根据基站对备用电源需求的紧要程度，以最小化市电突然停供对基站连接用户的影响为前提，进行制定。基站负载表示了基站承当业务量的多少，可以由基站接入用户数、占用带宽比、占用子带宽数等表示21。本文以基站接入的用户数目表示基站负载量，并引入一个基站负载率指标lload 为 load = all L L l (1)式中，L 为基站当前接入用户数;Lall 为基站可承当最大用户接入量。基站负载率指标lload 定义为基站当前接入用户量和基站最大用户接入量的比值，反映了基站当前负载状态的繁重程度，由于用户接入基站时不允许超负载，故 0
14、,1 lload 。根据lload 的大小对基站负载状态进行划分，见表 1。其中，基站负载状态指标阈值 n 可根据基站自身情况及调控需求灵活调整。由于基站负载状态直接影响其对于备用电源需求的紧要程度，对于处于重负载状态的基站，其接入用户数目大，承当业务量多，对备用电源的容量稳定性和备电可靠性要求很高，而储能调控参与电网互动会影响其作为备用电源的可靠性，故本文不考虑对处于重负载状态的基站储能进行调控。对于处于零负载状态和正常状态的基站，因其对备用电源需求的紧要程度相对较低，随着市电供电可靠性的提高，为了防止基站储能在市电供给正常时长期处于闲置状态而造成资源的浪费，考虑对此类基站储能进行合理调控，
15、提高资源利用率。为了提高基站储能调控的合理性，考虑通过限制基站储能充放电的荷电状态(State of Charge, SOC)范围将基站储能可调控容量与基站负载状态相关联，尽量降低储能调控对备电作用的影响。具体实现方法如图 3 所示。由图 3 可知，Sup 和 Sdown 分别为储能电池为防止过充过放设置的 SOC 上、下限值，Smin 和 Smax 分别为考虑基站负载状态而设定的储能充放电 SOC 上下限，其中 min load S k = l (2)式(2)将基站储能的放电 SOC 下限与基站负载状态相关联，k 为关联系数且 k 0,1 。当基站负载状态指标lload 值增大时，储能的放电 SOC 下限 Smin 随之增高，储能放电到约束的 SOC 值时便停止放电，尽可能提升储能的备电可靠性。对于基站储能充电上限的约束没有放电下限约束那么严格，因为基站储能处于容量充裕状态是有利于基站备电可靠性的，故可将 Smax 默认设置为 Smax=Sup。综合考虑储能的两
