(中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司佛山市分公司,廣東 佛山 528000)
隨著我國 3G通信的迅猛發(fā)展,三大基礎(chǔ)電信運營商的3G移動通信基站總數(shù)已經(jīng)超過100萬個。據(jù)統(tǒng)計,每個基站的平均年耗電量約為15萬度[1]。一方面,運營商已有基站數(shù)量巨大,另一方面新建3G基站不斷增多,基站耗電約占到通信運營商整體運維總耗電量的 70%左右,基站節(jié)能是運營商整個節(jié)能減排的關(guān)鍵。如何有效降低基站運行費用,是企業(yè)精細(xì)化管理和管理創(chuàng)新面臨的重要課題,也是加快建設(shè)節(jié)約型企業(yè),降耗增效,促進(jìn)企業(yè)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展迫切需要解決的重大問題。因此,如何對3G通信基站進(jìn)行節(jié)能減排是亟需解決的、具有實用價值的研究課題。
一方面為積極響應(yīng)政府號召,最大限度地減少通信行業(yè)對環(huán)境的影響,提高通信設(shè)備的能源使用效率;另一方而通信業(yè)的迅猛發(fā)展帶動了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大,各種通信設(shè)備不斷增加,通信設(shè)備所需的能源日益增長,電信企業(yè)而臨著巨大的成木壓力,能源消耗已嚴(yán)重影響到電信企業(yè)的效益和發(fā)展[2]。因此通信業(yè)的節(jié)能減排勢在必行。積極探索基站維護(hù)服務(wù)的精細(xì)化管理方案,多措并舉,通過技術(shù)創(chuàng)新和管理方式的創(chuàng)新運用,使得基站能耗運行成本大大降低。
本文首先對3G通信基站能耗情況[3]進(jìn)行了分析,然后對基站設(shè)備系統(tǒng)、供電系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了綠色節(jié)能研究。實踐證明,方案簡單可行,對通信運營具有一定效果。
3G通信基站能耗情況如下圖1所示。由圖1可以看出,無線通信設(shè)備用電占了總用電量的40%~50%。通信電源電源系統(tǒng)平均耗電占整體機房總用電量的 5%~10%??照{(diào)系統(tǒng)用電占總用電量的 40%左右。無線通信設(shè)備用電王要在網(wǎng)設(shè)備數(shù)量及其功耗,同時業(yè)務(wù)信道載頻負(fù)荷的變化也會引起基站系統(tǒng)耗電很大的波動。通信電源系統(tǒng)在工作時產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)換的損耗、濾波的能量消耗,造成電能的損耗??照{(diào)系統(tǒng)是通信機房王要的耗能設(shè)備。
圖1 3G基站通信機房中電能的消耗分布圖
(1)不同設(shè)備對溫度敏感程度不一致,如蓄電池的工作最佳環(huán)境為 23~26℃,溫度升高后蓄電池壽命縮短;無線設(shè)備工作環(huán)境為30~50℃,溫度升高會影響通話質(zhì)量,形成掉話、串音,傳輸設(shè)備的工作環(huán)境能夠達(dá)到40~60℃,溫度升高會引起設(shè)備告警、傳輸誤碼等[4]。
(2)現(xiàn)有基站主要有磚混結(jié)構(gòu)機房和活動機房兩種,在設(shè)計需求中,所有基站沒有對熱負(fù)荷進(jìn)行計算,機房空調(diào)位置也沒有考慮熱平衡和熱循環(huán),如果考慮機房設(shè)備發(fā)熱量、熱循環(huán)面積等因素,綜合考慮設(shè)備允許工作溫度等,在基站設(shè)計上有很大節(jié)能空間。
(3)目前移動基站為保證防塵防潮的要求,全部采用密閉設(shè)計,這樣在照明上需要額外負(fù)荷,另外沒有與室外熱循環(huán),夏季高溫時,空調(diào)長期高負(fù)荷工作,這些都增加了基站能耗。
(4)基站設(shè)備低損耗運行,目前幾乎所有無線基站無線設(shè)備和電源都是全天候、滿業(yè)務(wù)運行,并未考慮在較少業(yè)務(wù)情況下實施節(jié)能減排處理。直流供電系統(tǒng)。
(1)減少主設(shè)備能耗
綜合考慮基站的新技術(shù)及成熟程度,推廣數(shù)字無線技術(shù)的應(yīng)用,以使得平滑向LTE演進(jìn),投資得以保護(hù),節(jié)省機房空間。
(2)減少空調(diào)能耗:由于頻段的提高使得覆蓋越困難、房租租賃費用,租用難度的提升,將使得無機房模式建網(wǎng)將會是未來建網(wǎng)的趨勢,另外主設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性將越來越好,從而逐漸消除或減少空調(diào)的使用,或引入室外新風(fēng)等方式來逐漸替代空調(diào)的使用,同時提升室外站比例、分布式基站比例,都可以大幅節(jié)省空調(diào)能耗。
(3)開發(fā)新能源在合適的站址利用太陽能、風(fēng)能等潔凈新能源替代原始供電,可以大大節(jié)省基站的能耗,各運營商可以根據(jù)周圍環(huán)境靈活的采用單能源供電,也可以采用風(fēng)/光/市電互補供電,從而擴大新能源供電的使用范圍。
(4)共建共享
響應(yīng)工信部和國資委的號召,增加基站的共建力度,減少基站的空調(diào)使用,并降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資。
目前無線基站機房通常采用更新機房設(shè)備、采用新技術(shù)改善機房環(huán)境用電兩方面入手,使通信機房的電量下降,有效降低整個通信網(wǎng)絡(luò)的能源消耗。
智能載頻關(guān)斷技術(shù)是分析基站話務(wù)量,通過軟件自動控制,實現(xiàn)節(jié)能的技術(shù)。話務(wù)量較小時,把分散在小區(qū)內(nèi)各個載頻的零散的話務(wù)量集中到某一個載頻上,這樣空閑的載頻將會被關(guān)閉,進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)小區(qū)內(nèi)的話務(wù)量增加,則激活原先關(guān)閉的載頻,使得載頻重新正常工作并接收話務(wù)。當(dāng)一個小區(qū)配置有多塊載頻板時,在業(yè)務(wù)低時,非BCCH載頻無業(yè)務(wù)情況下,采用智能載頻關(guān)斷技術(shù)可以節(jié)省基帶部分的功耗,以及PA的靜態(tài)功耗,以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。該方案適用于話務(wù)潮汐較為明顯的CBD地區(qū),如車站、學(xué)校等規(guī)模較大、人口較多的生活小區(qū)。同時小區(qū)配置必須至少為2載頻以上。
智能時隙關(guān)斷技術(shù)是通過硬件或軟件控制實現(xiàn)基于時隙業(yè)務(wù)負(fù)荷的PA偏置開關(guān)調(diào)整,PA偏置開關(guān)調(diào)整王要是控制PA的偏置電壓,以控制PA的偏置電流。當(dāng)BTS時隙處于空閑狀態(tài)時,功放仍然有靜態(tài)電流存在,需要消耗一定的功率。PA偏置關(guān)斷功能是在無射頻信號的時隙,將PA的偏置電壓關(guān)閉,使該時隙的功放無靜態(tài)電流。在有信號的時隙,將PA的偏置電壓打開,功放正常工作。PA可以只在有話務(wù)的時隙發(fā)射功率,沒有話務(wù)的時隙沒有功率損耗。這樣無話務(wù)負(fù)荷的時隙PA部分的功耗將為零,基于時隙的PA關(guān)斷可以做到各個時隙功放單獨開關(guān),從而最大限度的實現(xiàn)功放節(jié)能目標(biāo)。
通信電源系統(tǒng)在工作時產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)換的損耗,濾波的能量消耗使得電網(wǎng)波形失真,降低電網(wǎng)實際負(fù)荷能力,增加損耗。諧波的危害是容易引起組件附加損耗和發(fā)熱,降低設(shè)備使用壽命等,因此通過改善供電質(zhì)量及降低輸入電流諧波,提高功率因數(shù),達(dá)到節(jié)能的目的。
開關(guān)電源休眠技術(shù)是根據(jù)系統(tǒng)的電流負(fù)荷情況和當(dāng)前整流模塊的工作狀況,通過軟開關(guān)技術(shù),在保證系統(tǒng)安全的條件下,自動調(diào)整工作整流模塊的數(shù)量,在負(fù)荷較小時,使部分模塊處于休眠狀態(tài),把整流模塊調(diào)整到最佳負(fù)載效率下工作,從而降低系統(tǒng)的帶載損耗和空載損耗,達(dá)到節(jié)能的目的。
通信機房的空調(diào)系統(tǒng)占到通信機房總耗能的 40%左右??照{(diào)系統(tǒng)是保障通信設(shè)備正常運行的關(guān)鍵,在機房節(jié)能減排方案中,空調(diào)的節(jié)能是機房節(jié)能減排的重點。下面介紹幾種機房空調(diào)節(jié)能的相關(guān)技術(shù)。
(1)變頻技術(shù)
普通機房空調(diào)的壓縮機不會隨機房內(nèi)設(shè)備的熱負(fù)荷變化而產(chǎn)生變化,而機房專用空調(diào)主機變頻節(jié)能技術(shù)通過改變頻率,調(diào)整壓縮機功率,一方面降低了開關(guān)(壓縮機啟/停)損耗,由于它的壓縮機不會頻繁開啟,會使壓縮機保持穩(wěn)定的工作狀態(tài),這可以使空調(diào)整體達(dá)到節(jié)能的效果,同時,這種技術(shù)還可以減少噪聲,并延長空調(diào)的使用壽命。利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始,最大不會超過額定電流值,從而減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求,同時濾波電容的作用,提高了功率因素,減少了無功損耗。
(2)新風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)
新風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)是利用機房室外的自然環(huán)境為冷源,當(dāng)室外空氣溫度比室內(nèi)低一定程度時,依靠通風(fēng)將室內(nèi)的熱量帶走實現(xiàn)室內(nèi)散熱,從而達(dá)到降低室內(nèi)空氣的溫度,同時通過將正壓將部分空氣從排風(fēng)口帶走,降低機房內(nèi)部溫度,減少空調(diào)使用時間,延長了空調(diào)的使用壽命。通信機房內(nèi)空氣溫度低于室外溫度,并不能說明新風(fēng)系統(tǒng)一定能夠運行,這取決于室內(nèi)外溫度的差值情況。如果在室內(nèi)外溫度差范圍不大的情況下開啟新風(fēng)系統(tǒng),室內(nèi)溫度可能不會降低,同時由于空調(diào)頻繁啟動會給空調(diào)帶來傷害。因此在采用新風(fēng)節(jié)能技術(shù)時,要分析好室內(nèi)外溫度、濕度等取值范圍的合理性,以能更好的采用該技術(shù)實現(xiàn)通信機房的節(jié)能減排。
(3)空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控節(jié)能技術(shù)
隨著基站數(shù)量不斷增加,并且有很多基站是建設(shè)在偏遠(yuǎn)山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)山村,環(huán)境相對惡劣的地區(qū),由于站點的分散,很多基站都是無人值守的。而空調(diào)作為保障基站設(shè)備正常運行的關(guān)鍵設(shè)備,其正常運行非常關(guān)鍵。因此實施空調(diào)的遠(yuǎn)程監(jiān)控來降低空調(diào)耗能,對機房的節(jié)能減排具有一定效果。
空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控是通過對機房內(nèi)的空調(diào)安裝監(jiān)控接口板,利用SR設(shè)備將空調(diào)信息傳送給機房終端,進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測,相關(guān)數(shù)據(jù)信息的采集,通過遠(yuǎn)程控制來實現(xiàn)空調(diào)的節(jié)能。
如上文所述,結(jié)合圖2所示機房設(shè)備能耗分析,本文主要從主設(shè)備、空調(diào)及電源、建筑三個方面出發(fā)[5],對現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)和方案進(jìn)行綜合評估,為開展基站節(jié)能減排做參考。
圖2 3G基站通信機房設(shè)備節(jié)能分析圖
(1)主設(shè)備-采用智能載波調(diào)整技術(shù)
系統(tǒng)閑時,如果扇區(qū)負(fù)荷輕,則自動關(guān)閉扇區(qū)指定部分載頻,以達(dá)到省電的目的,系統(tǒng)至少保留一個基礎(chǔ)頻點,供用戶使用,如果要閉塞的載頻上有用戶,系統(tǒng)會等用戶結(jié)束通話后,閉塞載頻,在此期間,此載頻不能接入新的用戶。如果扇區(qū)負(fù)荷重,為了避免擁塞,則自動解閉扇區(qū)下自動關(guān)閉的載頻,扇區(qū)的負(fù)荷門限可配置。應(yīng)用時要注意衡量對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和業(yè)務(wù)體驗的影響,試點應(yīng)先避開話務(wù)敏感基站,再根據(jù)應(yīng)用情況考慮是否推廣。該技術(shù)尚未在中國電信移動網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用,目前處于試點階段。節(jié)約化建設(shè),采用 BBU+RRU模式。搭理推廣分布式基站的建設(shè),把基站分為基帶單元(BBU)和射頻拉遠(yuǎn)模塊(RRU)兩部分,該種建網(wǎng)方式可以采用自然散熱技術(shù),安裝UPS,無需安裝空調(diào)設(shè)備、電源設(shè)備和蓄電池,大大節(jié)省能耗,可以廣泛用于新建基站。
(2)空調(diào)及電源設(shè)備-采用空調(diào)節(jié)電器
空調(diào)節(jié)電器一方面通過擴大空調(diào)開啟溫度范圍,達(dá)到降低空調(diào)啟停頻率,減少空調(diào)瞬時電流從而節(jié)約能耗的目的;另一方面通過調(diào)整空調(diào)啟停溫度控制點降低空調(diào)工作時長達(dá)到節(jié)能的目的。適用范圍∶應(yīng)用于采用舒適型空調(diào)的基站機房中在壓縮機制冷量不足的情況下,不適于采用智能空調(diào)節(jié)電器控制。空調(diào)添加劑是一種含有抗氧化物、潤滑性強并和制冷劑兼容的液態(tài)產(chǎn)品,在空調(diào)冷凍油中加注添加劑后,可以對空調(diào)實施內(nèi)部清洗,提高壓縮機的潤滑性能,防止空調(diào)內(nèi)部組件氧化,從而提高空調(diào)效率。適用范圍∶適用于使用壽命3年以上的空調(diào),對于使用年限超過10年的空調(diào),空調(diào)臨近報廢,不建議再使用空調(diào)添加劑變頻/數(shù)碼蝸旋節(jié)能空調(diào)變頻空調(diào)以及數(shù)碼蝸旋空調(diào)通過根據(jù)外界環(huán)境需要調(diào)整壓縮機工作狀態(tài)來達(dá)到降低壓縮機工作負(fù)荷,從而達(dá)到空調(diào)節(jié)能的目的。適用范圍∶適用于所有安裝空調(diào)的基站。
新風(fēng)一體化空調(diào):外界溫度下降到能夠滿足室內(nèi)熱負(fù)荷要求時,通過微處理控制器使壓縮機停止工作,并自動開啟電動排氣閘,引入外部冷空氣進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境溫度的控制,以達(dá)到設(shè)計要求此時,蒸發(fā)器風(fēng)扇工作,壓縮機及冷凝器風(fēng)扇處于停止工作狀態(tài)。因此,大大節(jié)省了能源。適用范圍∶適用于低溫時間較長,通風(fēng)條件較好,空氣質(zhì)量好的地區(qū)(如夏熱冬冷地區(qū)、溫和地區(qū)等)。開關(guān)電源設(shè)備自動節(jié)能控制功能。開關(guān)電源休眠節(jié)能技術(shù)”通過將冗余配置的整流模塊調(diào)整為“休眠”狀態(tài),減小空載損耗并提高剩余模塊的負(fù)載率,使工作的整流模塊運行于最佳效率點附近,從而提高了開關(guān)電源系統(tǒng)的運行效率、減少了能耗,達(dá)到節(jié)能的目的克服傳統(tǒng)N+1冗余模式下低負(fù)載率,效率低的問題。該休眠技術(shù)不同于傳統(tǒng)的僅關(guān)閉模塊DC/DC的“遙控關(guān)機”功能,而是通過在整流模塊內(nèi)增設(shè)直流側(cè)輔助電源,使其在休眠時能夠完全關(guān)閉功率電路(包括DC/DC及AC/DC),從而使休眠模塊達(dá)到最佳的節(jié)能狀態(tài)開關(guān)電源休眠節(jié)能技術(shù)。目前在電信行業(yè)有應(yīng)用,取得了較好節(jié)能效果,節(jié)能效果顯著,節(jié)能率可以達(dá)到6%-15%,節(jié)能效益較為可觀。
(3)建筑-采用智能通風(fēng)和智能換熱技術(shù)
智能通風(fēng)是根據(jù)空氣動力學(xué)的原理,在機房相對的兩面墻壁上按不同的高度開安裝出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口當(dāng)室內(nèi)外環(huán)境滿足開啟條件時,啟動風(fēng)機,不斷的引入低溫的室外空氣,排出高溫的室內(nèi)空氣,從而達(dá)到降溫節(jié)能的目的。通風(fēng)設(shè)備通常在室外溫度較低的時候才能工作,對基站所在地區(qū)的空氣質(zhì)量與環(huán)境狀況要求較高。在溫和地區(qū),空調(diào)能耗平均降低30%左右該項技術(shù)較成熟,主要適用于基站常年室內(nèi)外溫差較大(建議在 8℃以上),通風(fēng)條件比較好,空氣質(zhì)量好的地區(qū)不宜在外部環(huán)境和空氣質(zhì)量較差的地區(qū)安裝,如灰塵較大的道路和工廠旁,海邊或空氣污染較重的地區(qū)。智能換熱是由兩套獨立的循環(huán)風(fēng)道組成,室外冷空氣經(jīng)過管道,進(jìn)入室內(nèi)換熱器與強制循環(huán)流動的室內(nèi)熱空氣通過特制形狀的金屬換熱芯體進(jìn)行熱量交換,從而降低室內(nèi)溫度。該技術(shù)的關(guān)鍵部件是換熱芯體,又稱為能量回收裝置,室外空氣不進(jìn)入機房,在換熱芯體內(nèi)完成熱交換作用常用的回收裝置有∶金屬壁換熱器、熱管換熱器、轉(zhuǎn)輪式換熱器、靜止型板翅式換熱器等。其中靜止型板翅式換熱器因換熱效率較高,應(yīng)用較多。使用該技術(shù)對機房環(huán)境沒有影響,但節(jié)電效率較低。在溫和地區(qū),空調(diào)能耗平均降低 15%左右智能換熱設(shè)備適用于基站常年室內(nèi)外溫差大(建議在10℃以上),空氣質(zhì)量較差的地區(qū)。機房升溫十蓄電池恒溫技術(shù)?;緳C房內(nèi)對溫度最敏感就屬蓄電池了,在一定條件下,可以專門針對蓄電池加以保護(hù),針對蓄電池的不耐溫的特點,將電池裝入恒溫箱,可使箱內(nèi)電池溫度恒定在25℃,提升機房的溫度(如機房的溫度整體提升到30℃),消耗的電能較之前會大幅下降基站電池恒溫箱的箱體能夠能根據(jù)電池的形狀可以靈活組合,方便安裝和改造。適用范圍∶對空調(diào)制冷能耗較大的夏熱冬暖地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)以及溫和地區(qū)效果較好。
能減排是一個復(fù)雜的綜合性工程備需要節(jié)能降耗外,還應(yīng)改進(jìn)組網(wǎng)方式,除了基站設(shè)綜合考慮各節(jié)節(jié)點的環(huán)境節(jié)能減排,并制定、執(zhí)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),才能進(jìn)一步有效地降低整體網(wǎng)絡(luò)的能耗量,實現(xiàn)低碳、綠色環(huán)保的網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)。
本文首先介紹基站能耗分析、節(jié)能減排可行性分析與發(fā)展趨勢,然后對節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)行了綠色節(jié)能研究,并提出了節(jié)能減排方案。通過對大量基站節(jié)能減排管理和維護(hù)的實踐證明,方案簡單可行,效果理想。
[1]曹曉玲.基站節(jié)能減排的措施和途徑[J].通信與信息技術(shù).2011,(02):65-67.
[2]劉磊,徐大凱. GSM無線基站節(jié)能減排方法綜述[J].郵電設(shè)計技術(shù),2010, (02) :71-75.
[3]袁錦波.無線基站機房節(jié)能減排技術(shù)研究[J].數(shù)字技術(shù)及應(yīng)用,2011,(08):43-45.
[4]林玉龍.無線基站節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用[J].廣東通信技術(shù).2010.(04):28-30.
[5]張高記,昌建東,陳文學(xué).通信基站節(jié)能減排評估指標(biāo)及評估方法研究[J].電信科學(xué),2011(03).