站點(diǎn)能效分級(jí)，提升全網(wǎng)能效

章異輝

（華為技術(shù)有限公司，廣東 深圳518129）

0 引 言

節(jié)能減排是通信運(yùn)營(yíng)商長(zhǎng)期關(guān)注的主題。進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)、虛擬運(yùn)營(yíng)商對(duì)運(yùn)營(yíng)商通信業(yè)務(wù)收入產(chǎn)生威脅，降本增效更為緊迫。中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商能耗收入比是歐洲平均值的三倍，降低能源成本，等同于直接提升業(yè)務(wù)收入和盈利。降低能耗，提升全網(wǎng)能源效率，是當(dāng)前重要和緊迫的任務(wù)。

華為曾經(jīng)提出通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)電、配電、變換、負(fù)載、溫控、監(jiān)控管理六環(huán)節(jié)能耗模型和設(shè)備級(jí)、站點(diǎn)級(jí)、網(wǎng)絡(luò)級(jí)三層次節(jié)能戰(zhàn)略。在設(shè)備層，將整流模塊、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換模塊效率提升至98%以上；在站點(diǎn)層，推出一體化智能高效站點(diǎn)，最高可達(dá)95%以上，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)級(jí)高效；站點(diǎn)具備網(wǎng)元特性，使全網(wǎng)構(gòu)建站點(diǎn)能源網(wǎng)絡(luò)成為可能，通過(guò)能源網(wǎng)管看護(hù)能效KPI，提升全網(wǎng)能源效率。三層次節(jié)能，是運(yùn)營(yíng)商打造精益型能源網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能減排戰(zhàn)略。站點(diǎn)是能源網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元，選擇高能效站點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)節(jié)能的關(guān)鍵；對(duì)站點(diǎn)進(jìn)行能效分級(jí)，有利于運(yùn)營(yíng)商選擇部署能效最優(yōu)的站點(diǎn)。

1 電源已經(jīng)進(jìn)入高效時(shí)代，電源效率正式分級(jí)

20世紀(jì)90年代，高頻開(kāi)關(guān)電源全面替代相控電源，能源轉(zhuǎn)換效率大幅提升，電能轉(zhuǎn)換效率最高點(diǎn)達(dá)到90%以上，采用最高效率超過(guò)92%的整流模塊組成的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是高效通信電源。由于當(dāng)時(shí)電源技術(shù)局限性，缺乏模塊休眠功能，模塊平均負(fù)載率低，開(kāi)關(guān)電源實(shí)際效率僅為85%左右。

隨著科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，高頻開(kāi)關(guān)電源發(fā)展到第四代全數(shù)字電源。2008年以后，業(yè)內(nèi)96%以上高效電源紛紛問(wèn)世，由96%效率整流模塊組成的通信電源成為事實(shí)上的高效電源標(biāo)準(zhǔn)，而由92%效率的模塊組成的電源已經(jīng)被業(yè)內(nèi)稱為低效電源。相應(yīng)地，94%效率稱為標(biāo)效，98%效率稱為超高效。由于模塊休眠技術(shù)普遍應(yīng)用，在大多數(shù)場(chǎng)景下，電源實(shí)際工作效率與最高效率基本接近。按照全網(wǎng)PUE為2.0測(cè)算，電源效率每提升2%，全網(wǎng)能耗降低1%。三大運(yùn)營(yíng)商年耗電400億度，在網(wǎng)電源平均效率88%左右，如果全部用98%超高效電源替代，一年節(jié)省用電20億度以上，高效電源價(jià)值顯而易見(jiàn)。

近兩年來(lái)，全球跨國(guó)運(yùn)營(yíng)商以采購(gòu)高效電源為主，據(jù)華為公司對(duì)2013年電源發(fā)貨數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，高效模塊發(fā)貨量高達(dá)30萬(wàn)片以上，約占總發(fā)貨量的60%。其它主流電源廠家發(fā)貨也以高效電源為主流，標(biāo)志著電源已經(jīng)進(jìn)入高效時(shí)代。

能源效率是設(shè)備選型的重要參數(shù)，2013年通信電源標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)對(duì)電源進(jìn)行了能效分級(jí)，指導(dǎo)用戶選擇高能效產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)高效。

2 電源高效不等于站點(diǎn)高效，站點(diǎn)高效比設(shè)備高效更有價(jià)值

基站能耗占通信網(wǎng)絡(luò)總能耗的75%，根據(jù)六環(huán)節(jié)能耗模型分析，現(xiàn)網(wǎng)負(fù)載（即主設(shè)備）是站點(diǎn)能耗的關(guān)鍵，約占一半，如果以主設(shè)備能耗為不變量，主設(shè)備能耗占比就是站點(diǎn)能源效率。通信電源能耗占比較小，如果現(xiàn)網(wǎng)電源實(shí)際效率僅86%，電源能耗也僅占站點(diǎn)能耗的8%。如果采用98%效率超高效電源改造老舊電源，電源自身能耗降低80%以上，而整站能耗僅降低7%。

傳統(tǒng)站點(diǎn)由于空調(diào)對(duì)整個(gè)機(jī)房制冷，溫控能耗占比高達(dá)40%或更多，是站點(diǎn)能效關(guān)鍵影響因素。對(duì)于普遍PUE為2.0的站點(diǎn)，實(shí)際站點(diǎn)能源效率僅50%。大幅降低溫控能耗，是提升站點(diǎn)能源效率的關(guān)鍵。室外站點(diǎn)普遍采用分艙溫控方式，主設(shè)備艙多采用熱交換方式散熱，電池艙采用直通風(fēng)或空調(diào)，溫控能耗大幅降低。室外站點(diǎn)多采用緊湊的夾芯板機(jī)柜，顯熱和潛熱滲透都遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)室內(nèi)站點(diǎn)，加之RRU等主設(shè)備外置，不需要溫控散熱，相較室內(nèi)站點(diǎn)，室外站能源效率大幅提升，一般可達(dá)80%。傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)集成的室外站點(diǎn)，機(jī)柜、電源、電池、監(jiān)控等由多個(gè)供應(yīng)商分別提供，供應(yīng)商只對(duì)設(shè)備能源效率負(fù)責(zé)，現(xiàn)場(chǎng)組合安裝導(dǎo)致不同站點(diǎn)存在不同的配置不足或過(guò)度冗余，不能精確匹配，設(shè)備之間只有簡(jiǎn)單連接，不能協(xié)同工作，電源、溫控、監(jiān)控等多個(gè)控制器自身也消費(fèi)電能，能源浪費(fèi)無(wú)法避免，站點(diǎn)能源效率沒(méi)有高效保障。

3 站點(diǎn)一體化趨勢(shì)，站點(diǎn)級(jí)高效產(chǎn)品問(wèn)世

通過(guò)機(jī)柜、電源、溫控、主設(shè)備和電池等一體化熱仿真設(shè)計(jì)，優(yōu)化風(fēng)道和隔熱，根據(jù)主設(shè)備耐熱特性設(shè)計(jì)的新一代一體化站點(diǎn)，獲得最佳的能源效率是可以預(yù)想的。如華為推出的一體化智能高效站點(diǎn)，不但采用98%高效模塊最小化電能轉(zhuǎn)換能耗、采用高溫電池降低電池對(duì)溫控的需求，監(jiān)控模塊直接兼采集器功能，允許通過(guò)主設(shè)備帶內(nèi)通信，節(jié)省采集器、傳輸設(shè)備能耗，也避免了部署動(dòng)環(huán)監(jiān)控帶來(lái)的二次下站和監(jiān)控維護(hù)下站能耗。一體化站點(diǎn)能源效率最高可達(dá)95%以上，站點(diǎn)PUE（Power Usage Effectiveness）小于1.06。新一代站點(diǎn)兼容各種能源輸入，如接入太陽(yáng)能，SPUE將小于1，站點(diǎn)更綠色。

對(duì)于新一代一體化站點(diǎn)來(lái)說(shuō)，站點(diǎn)就是網(wǎng)元，不需要單獨(dú)實(shí)施動(dòng)環(huán)監(jiān)控工程，網(wǎng)管是站點(diǎn)的基本屬性，站點(diǎn)作為一個(gè)整體進(jìn)行遠(yuǎn)程集中管理。站點(diǎn)能效是站點(diǎn)的重要參數(shù)，可以直接采集并上報(bào)，遠(yuǎn)程可視、可優(yōu)化和管理。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，無(wú)需再分別關(guān)注站點(diǎn)內(nèi)的各種部件是否節(jié)能，不需要對(duì)電源、溫控、電池、機(jī)柜等能效進(jìn)行采集和管理，是站點(diǎn)建設(shè)和全網(wǎng)能效管理的方向。

4 定義站點(diǎn)能效指標(biāo)，牽引站點(diǎn)向更高效發(fā)展

站點(diǎn)能源效率SEE（Site Energy Efficiency）定義為站點(diǎn)輸入總能耗轉(zhuǎn)化為通信主設(shè)備（負(fù)載）能耗的比例。假定主設(shè)備能耗為EL，輸入電能EE，輸入太陽(yáng)能ES（指太陽(yáng)能電池板輸出的直流電能）、燃油所含能量EF，將能量單位統(tǒng)一到焦耳后可以計(jì)算：

隨著模塊整流效率不斷提高、溫控智能化、設(shè)備高溫化，SEE不斷向模塊最高轉(zhuǎn)換效率接近，數(shù)值越高，代表站點(diǎn)設(shè)計(jì)水平越高，能源損耗越少。以電能、光能為主的站點(diǎn)，站點(diǎn)能源效率很容易超過(guò)90%。采用油機(jī)的站點(diǎn)，由于燃油轉(zhuǎn)換效率低，整站能源效率很難超過(guò)30%。差市電場(chǎng)景下，油機(jī)參與發(fā)電時(shí)間長(zhǎng)短不一，站點(diǎn)能源效率與停電時(shí)長(zhǎng)相關(guān)，有較大變化，而采用支持快速充電的電混方案，通過(guò)合理配置電池或太陽(yáng)能，站點(diǎn)效率同樣可以達(dá)到90%以上。因此，采用電能和光能的站點(diǎn)，站點(diǎn)能效應(yīng)向整流模塊最高效率看齊；采用油機(jī)的站點(diǎn)，站點(diǎn)能效應(yīng)向油機(jī)最高燃油能量轉(zhuǎn)換效率逼近。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，不但需要評(píng)價(jià)供應(yīng)商站點(diǎn)設(shè)計(jì)水平，還需要評(píng)價(jià)站點(diǎn)是否綠色節(jié)能。PUE是評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源是否節(jié)能的指標(biāo)，同樣適用于通信站點(diǎn)。在沒(méi)有太陽(yáng)能等可再生能源利用的情況下，站點(diǎn)PUE（簡(jiǎn)稱為SPUE）是SEE的倒數(shù)。

當(dāng)站點(diǎn)有太陽(yáng)能應(yīng)用時(shí)，SPUE可能小于1，例如，純太陽(yáng)能站點(diǎn)的SPUE等于0。從SEE和SPUE的定義來(lái)看，SEE可用于評(píng)價(jià)供應(yīng)商站點(diǎn)設(shè)計(jì)水平，是站點(diǎn)選型的依據(jù)，幫助提升全網(wǎng)能效；SPUE評(píng)價(jià)站點(diǎn)環(huán)保程度，雖不體現(xiàn)站點(diǎn)設(shè)計(jì)水平，卻是運(yùn)營(yíng)商站點(diǎn)節(jié)能減排重要指標(biāo)，幫助實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)節(jié)能。

5 站點(diǎn)能效分級(jí)，提升全網(wǎng)能源效率

為了幫助運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)級(jí)節(jié)能，有必要建立站點(diǎn)能效分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，方便運(yùn)營(yíng)商選擇更高能效等級(jí)的站點(diǎn)方案，不但能引導(dǎo)業(yè)內(nèi)站點(diǎn)設(shè)計(jì)能效逐步提升，同時(shí)也能減少低效站點(diǎn)應(yīng)用。由于SEE直接反映能量轉(zhuǎn)換效率，宜作為站點(diǎn)能效分級(jí)的依據(jù)。參照民用空調(diào)、冰箱能效分級(jí)，一體化站點(diǎn)能效建議分為五級(jí)，如圖1所示。

圖1 站點(diǎn)能效分級(jí)建議

由于站點(diǎn)環(huán)境有較大差別，不同溫度條件下，站點(diǎn)溫控系統(tǒng)消耗的能源有較大區(qū)別，SEE會(huì)有一定變化。對(duì)于不同設(shè)計(jì)的一體化站點(diǎn)，站點(diǎn)能效應(yīng)可以被設(shè)計(jì)、測(cè)量和比較，需要嚴(yán)格定義站點(diǎn)能源效率SEE的測(cè)量方法，如制定高溫、常溫和低溫組合條件，按時(shí)間段測(cè)定輸入總能源和主設(shè)備能耗，如果涉及燃油等非電能量，統(tǒng)一到焦耳單位進(jìn)行測(cè)算，如1 kg柴油含46MJ能量，1 kWh電能含3.6 MJ能量，如果柴油發(fā)電機(jī)油耗為250 g／kWh，燃油轉(zhuǎn)換效率為31.3%，長(zhǎng)期使用柴油發(fā)電機(jī)供電的無(wú)市電站點(diǎn)，站點(diǎn)能效不超過(guò)該值。在站點(diǎn)存在停電的情況下，站點(diǎn)如能對(duì)油機(jī)進(jìn)行調(diào)度，如優(yōu)先電池放電，減少油機(jī)供電，能源效率可以大幅提升。

全球仍有數(shù)十萬(wàn)個(gè)無(wú)市電站點(diǎn)，我國(guó)部分區(qū)域也規(guī)模存在。有市電場(chǎng)景下的高效站點(diǎn)，如果采用油機(jī)供電，若站點(diǎn)不能對(duì)油機(jī)進(jìn)行能源調(diào)度，站點(diǎn)能效多為10%～15%；支持油機(jī)調(diào)度的混合供電站點(diǎn)，能源效率最高可大于30%。無(wú)市電區(qū)域油機(jī)供電能耗巨大，總能源成本是有市電站點(diǎn)的十倍，因而無(wú)市電場(chǎng)景下油機(jī)站點(diǎn)能效另行分級(jí)仍有重大意義。

站點(diǎn)能效分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)牽引的方向是提升能源轉(zhuǎn)換效率，包括優(yōu)先使用光能、提高光能轉(zhuǎn)換效率；最大化利用電能，減少油機(jī)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)；盡量少用或不用油機(jī)，在使用油機(jī)時(shí)最大化燃油轉(zhuǎn)換效率。選擇并部署更高SEE的站點(diǎn)，兼容太陽(yáng)能和發(fā)電機(jī)輸入與調(diào)度，在投資允許的條件下優(yōu)先使用可再生能源，降低站點(diǎn)PUE，提升全網(wǎng)能源效率（NEE，Network energy efficiency）。