第5代移动通信技术(5th generation mobile networks，5G通信)相比于前代技术，具有“高带宽、高容量、高可靠性、低延时、低功耗”的特点，将提供更优秀的通信质量和更丰富的应用场景，推动经济和社会的快速发展。近年来5G技术的研发和推广方兴未艾，我国在5G技术积累、商用推广和设施建设方面位于世界前列。建设海量的5G基站保障了5G网络覆盖，但同时也会导致通信运营商的用电成本成倍上升。一方面，当前单个5G基站的满载功耗约为4kW，相当于4G基站的3倍；另一方面，5G基站的建设数量也将大大超过4G基站。高昂的用电成本或将成为制约5G通信进一步发展的瓶颈之一。因此，通信运营商需要寻找有效降低用电成本的办法。 5G基站参与需求响应是降低用电成本的潜在途径。5G基站建设时均装设了储能电池作为不间断电源（Uninterruptible power supply，UPS），同时基站设备功耗本身可调节，因此在保证供电可靠性和通信服务质量的同时具有一定的用电灵活性。通过充分发掘5G基站的用电灵活性，通信运营商可以参与到电网需求响应中，降低基站的用电价格或获取相应的需求响应补贴，从而有效缓解5G基站用电成本过高的问题。 对于电力系统而言，利用5G基站提供的灵活性资源，能够促进可再生能源消纳。为应对大量可再生能源并网带来的强不确定性，电力系统需要更多的灵活调节资源来实现发电和负荷的实时平衡。虽然单个5G通信基站的功率较小，但是5G基站的总数量庞大，属于典型的分布式资源。如果能够有效对海量5G基站进行协调调度，充分发挥其用电灵活性，则可以形成可观的聚合效应，为消纳可再生能源提供支撑。 5G基站参与需求响应，可实现电力系统与通信系统的有效互动，促成双方的合作共赢。当前仍鲜有文献对于5G基站参与需求响应进行探究，因此有必要梳理其关键性技术，分析其发展前景。本文的主要工作如下： 1）基于5G基站的用电特点，对于其参与需求响应的潜力进行分析； 2）对于实现5G基站参与需求响应的关键技术进行梳理； 3）对于5G基站作为需求侧资源参与电力系统互动的应用场景进行展望； 4）对于5G基站参与需求响应潜在的商业模式进行探讨。 研究内容一：5G基站需求响应潜力分析 本文首先对于5G基站的基本构成和5G基站负荷需求进行了分析。5G基站设备主要包括供电设备和通信设备两类，此外还需安装照明、空调设备等。其中，供电设备包含电源和储能电池；通信设备主要包括有源天线单元（Active antenna unit，AAU）、基带单元（Base band unit，BBU）和网络传输设备。5G基站的典型组成如下图所示。 5G基站用电设备中，耗电量最大的为AAU。AAU的功耗随基站的通信负载变化而变化。相比之下，其他用电设备（包括直流设备如BBU、传输设备等和交流设备如照明、空调等）的负荷随通信负载率的变化则较小。作为5G基站功耗的主要组成部分，AAU功耗随基站的通信负载变化的特点使得5G基站的用电特性显著受到通信负载的影响。 5G基站负荷受通信负载影响的特性使得其存在参与需求响应的潜力。一方面，基站设备的功耗具有一定的调节灵活性；另一方面，通信负载在一天中变化导致基站设备功耗在各个时段不同，相应地保障基站供电可靠性所需的储能电池最小备用容量在各个时段也不相同。可以根据基站的通信负载大小，动态地将储能电池的容量分为两部分：一部分作为供电后备；另一部分作为灵活调度资源。因此，可以将5G基站的储能电池当作一种容量时变的储能，参与到需求响应中。 研究内容二：5G基站参与需求响应关键技术 5G基站参与需求响应需要有一系列关键技术作为前提。本文的第二个主要研究内容是讨论需要开展的相关研究和技术实现，包括基站设备功耗管理、储能电池能量管理、储能电池可调度容量评估、通信负载预测和基站聚合与协同调度。 其中，基站设备功耗管理和储能电池能量管理是5G基站用电调控的直接技术；储能电池可调度容量评估用于评价在保障基站供电可靠性前提下，储能电池的调度可行域；通信负载预测用于估计5G基站用电负荷，服务于储能电池的可调度容量分析；基站聚合与协同调度用于实现海量5G基站的协同。 研究内容三：5G基站参与需求响应应用前景 本文的第三个主要研究内容是5G基站在需求响应中的应用前景。研究主要聚焦于分析在不同需求响应应用场景下，5G基站的响应潜力，能否参与响应，如何参与响应，以及参与响应收益的问题。 本文主要针对电力调峰、阻塞管理、调频辅助服务等典型的电力需求响应场景开展了分析。当然，5G基站也可以同时参与多种需求响应应用，在电网负荷侧扮演多种角色。 研究内容四：5G基站参与需求响应商业模式 本文的第四个主要研究内容是5G基站参与需求响应商业模式。其中的核心问题包括，参与需求响应如何产生收益，产生的收益如何归属和分配，所需付出的成本如何测算，以及参与各方能否获得足够回报。 本文从不同运维主体的视角，即以基站运营商为运维主体、以电网公司为运维主体、以第三方为运维主体，分别对上述问题进行了回答，展望了未来5G基站参与需求响应的商业模式。 5G通信网络的快速发展将会带来5G基站的大量建设。对于电力系统而言，数量庞大的5G基站是潜在的灵活性资源。促进5G基站参与需求响应，能够降低基站的用电成本，增加电力系统灵活性，从而实现通信系统和电力系统的互利共赢。本文首先分析了5G基站的基本构成设备，基站的用电特性表明了其具有较大的需求响应潜力。从基站设备功耗管理、储能电池能量管理、基站可调度容量评估、通信负载预测、基站协同调度等方面对于5G基站参与需求响应的关键技术进行了梳理。在此基础上，本文展望了5G基站在需求响应中包括调峰、阻塞管理、调频等的应用场景；探讨了5G基站参与需求响应潜在的商业模式。当前，5G基站与电力系统的互动仍处于起步阶段，为实现大规模的商业应用，还需在关键技术上取得突破，同时需要建立合理的市场机制与盈利模式。随着相关技术的发展和市场机制的建立，5G基站将作为一种负荷侧的灵活性资源，深度参与到电力系统运行中，在降低电力系统运行成本、促进可再生能源消纳、建设能源互联网方面发挥重要作用。希望本文能够为5G通信基站参与需求响应的相关研究和实际应用提供参考，促进电力系统和通信系统的共同发展。 本文所涉文字及图片版权均属中国电机工程学报编辑部所有，根据国家版权局最新规定，纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编我编辑部的作品，务必请提前联系中国电机工程学报编辑部编辑部。
