通信樞紐樓能耗運行分析研究

樊春鋒，伍建萍（中國移動通信集團設計院有限公司陜西分公司，西安 710077）

?

通信樞紐樓能耗運行分析研究

樊春鋒，伍建萍
（中國移動通信集團設計院有限公司陜西分公司，西安 710077）

摘 要如何在業(yè)務量不斷增加，電源容量無法擴容的情況下，更好地解決供電能力緊張、機房裝機位不足、機房散熱等問題，是本論文的研究意義所在。本文通過對S省通信樞紐樓能耗運行分析，給出以上難點的合理化建議和建設指導原則。

關(guān)鍵詞樞紐樓；變壓器；能耗；紅色預警；搬遷

隨著網(wǎng)絡及設備技術(shù)的發(fā)展，單機架功耗逐年攀升，機房的能耗越來越大，特別是對現(xiàn)網(wǎng)已經(jīng)運行了10年以上的通信樞紐樓來說，電源容量和空調(diào)制冷量都是一個很大的挑戰(zhàn)。如何在業(yè)務量不斷增加、電源容量無法擴容的情況下，更好地解決供電能力緊張、機房散熱等問題，是本論文研究意義所在。

1　待解決問題

10年以上的省級通信樞紐樓亟待解決骨干、省干設備擴容電源容量受限的問題。作為省級通信樞紐樓歷來設置了大量骨干、省干的設備，如一干、省干、城域核心的OTN或PTN設備以及IP承載網(wǎng)、CMNet的骨干節(jié)點、省網(wǎng)核心節(jié)點等設備，這些設備的搬遷風險極大，舉步維艱，并且任何其他系統(tǒng)的建設都可能涉及這些設備的擴容。為此如何解決它們的供電方案是需要長遠布局的問題。

與此同時，凈利潤處于下行通道，電信運營商低成本高效運營益發(fā)重要，其中如何降低動力水電費是其中一個重要科目。根據(jù)某省移動運營商財報，動力水電費占企業(yè)總運營成本約5.5%，其中電費約占90%。通信樞紐樓內(nèi)網(wǎng)元系統(tǒng)多年建設和運維也積壓了不少能效比低的問題，有成本壓縮的空間。

本文以某省樞紐樓為例，通過大量實測的能耗數(shù)據(jù)分析，提出面向長遠的供電能力保證方案，充分保障骨干、省干設備擴容，同時進一步提升供電效能，降低企業(yè)運行成本。

2　某省通信樞紐樓能耗運行分析

2.1樞紐樓機房、供電系統(tǒng)及負荷情況現(xiàn)狀

樞紐樓總裝機面積為8 849 m2，機房總裝機位數(shù)為3087個，已裝機位數(shù)為2 727，裝機率為88%。該機樓按照網(wǎng)元設備分類包括：核心網(wǎng)機房、無線機房、傳輸機房、數(shù)據(jù)機房、網(wǎng)管機房。另，高低壓配電室、電力電池室均沒有足夠的擴容位置。

樞紐樓高壓采用兩路專線引入，容量均為8 000 kVA，當前市電擴容困難。

主用變壓器容量為6 400 kVA ，共安裝5臺1 600 kVA的變壓器，運行方式為4+1運行，發(fā)電機總裝機容量為8 325 kVA。

依據(jù)某省通信機房供電管理辦法，目前樞紐樓的總負載為4 315 kVA，主用變壓器平均負載率為67.4%，發(fā)電機平均負載率58.6%，其中變壓器已經(jīng)超過紅色預警線、發(fā)電機接近黃色預警線，變壓器和發(fā)電機負荷統(tǒng)計見圖1所示。

2.2能耗運行分析

2.2.1空調(diào)功耗和設備功耗相比較

樞紐樓采用分散式空調(diào)系統(tǒng)。通信設備負載占比60%，空調(diào)負載占比40%，各樓層空調(diào)和通信設備功耗比值見圖2，合計0.64，但局部超出1.0，反映部分樓層的空調(diào)配比或者氣流組織差，有待優(yōu)化。

2.2.2各網(wǎng)元功耗分布

樞紐樓所裝網(wǎng)元有核心網(wǎng)系統(tǒng)、無線接入系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、網(wǎng)管系統(tǒng)、業(yè)務網(wǎng)系統(tǒng)、企業(yè)信息化系統(tǒng)等。根據(jù)實際測量，各專業(yè)能耗分布如圖3所示。

從圖3可知，處于生命周期成熟期和衰退期的核心網(wǎng)電路域、BSC/RNC是能耗“大戶”。進一步分析傳輸機房可知，后建的傳輸OTN/PTN為主的機房能耗遠大于原SDH為主的機房能耗，實測平均單機柜功耗分別為1kW/機柜、0.59 kW/機柜。

2.2.3單機柜能耗

按照裝機時間點看， 老舊機房（早期安裝設備的樓層）單機柜能耗不足1.5 kW/機柜，新機房（近年安裝IT設備、大功率設備的樓層）單機柜能耗達到2.2 kW/機柜（安裝IT設備的網(wǎng)絡機柜未裝滿的情況）。這些統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)將為設備退服設備掉電功耗以及新增設備功耗的預測提供很好的參考。

圖1　變壓器、發(fā)電機負載率

2.3某省樞紐樓能耗運行分析小結(jié)

（1）在整體供電容量擴容困難的情況下，供電能力已經(jīng)成為網(wǎng)絡發(fā)展的瓶頸。該樞紐樓剩余裝機位360個，按照平均單機架功耗2 kW測算，樞紐樓裝滿的情況下，至少還要再增加720 kW的用電負荷。如果按照某省當前的供電系統(tǒng)紅色預警值，該機樓不允許增加任何設備。

（2）局部空調(diào)運行有待優(yōu)化。如機房局部熱島現(xiàn)象，氣流組織不合理；個別機房冷量過剩，空調(diào)功耗與設備功耗甚至超過1（合理值為0.4～0.6）；機房還有剩余裝機位置，但無空調(diào)室內(nèi)外機的安裝位置等問題。

（3）能耗較大的是核心網(wǎng)、支撐系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)。針對業(yè)務發(fā)展需求，未來需要重點滿足的是傳送網(wǎng)、IP承載網(wǎng)、CMNet的擴容負荷；核心網(wǎng)電路域、BSC/ RNC基本不再增加負荷，并且存在逐步退網(wǎng)的可能。

（4）新增設備的單機柜功耗可能進一步提升。

圖2　分散空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)和設備功耗比

圖3　各專業(yè)網(wǎng)元功耗分布

3　樞紐樓供電系統(tǒng)解決思路

通信樞紐樓的各網(wǎng)元，特別是骨干、省干的傳送網(wǎng)、IP承載網(wǎng)、CMNet還將持續(xù)有用電負荷增加需求。我們需要立足長遠，系統(tǒng)性地解決樞紐樓長期供電能力不足的問題。解決思路包括“挖掘”和降低新增負荷兩個層面，具體包括以下方案。

3.1保證安全可靠性，合理提高供電系統(tǒng)利用率

近年來，通信行業(yè)持續(xù)推進節(jié)能減排工作，深挖節(jié)能減排潛能，不斷完善節(jié)能減排管理體系，成效顯著。各基礎電信企業(yè)積極發(fā)揮行業(yè)核心作用，帶動產(chǎn)業(yè)鏈共同節(jié)能減排，積極發(fā)揮信息產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢，構(gòu)建綠色通信網(wǎng)絡，促進行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。因此無論是從節(jié)能減排行動上，還是業(yè)務發(fā)展需解決供電問題的內(nèi)驅(qū)上，該省《通信機房供電管理辦法》（簡稱）中諸多指標有待商榷和提升。

比如：在保證網(wǎng)絡運行安全可靠的基礎上，將變壓器紅色預警值調(diào)整為85%，橙色預警值調(diào)整為75%，黃色預警值調(diào)整為65%。調(diào)整后該樞紐樓供電能力可以由原來的主用4 160 kVA提升到5 440 kVA，主用變壓器的長期運行負載可以提升1 280 kVA，供電能力提升了31%。

3.2新型制冷方案，優(yōu)化氣流組織，降低空調(diào)能耗

3.2.1水冷系統(tǒng)取代風冷系統(tǒng)

10年以上的通信機房在沒有進行改造的情況下，空調(diào)大多數(shù)采用風冷型專用空調(diào)機組，風冷型機組具有安裝靈活、可靠安全的優(yōu)點，但也存在性能系數(shù)較低、運行性能不穩(wěn)定、受室外環(huán)境溫度變化波動較大、室內(nèi)外機組安裝管線較短、特別是室外機組占用大量建筑面積的缺點。

水冷系統(tǒng)不需要室內(nèi)、室外機的連接銅管，只需要一組冷卻水管道可以將所有的機組連接在一起，不存在室內(nèi)、室外機距離限制。占地面積相對較小，同時水循環(huán)管道不需要太厚的保溫處理，節(jié)省通道空間；擴容方便，這些方面都可以大大減少空調(diào)設備的投資及后期維護費用。水冷節(jié)能效率、性能系數(shù)高于風冷機組，在通信機房中推廣水冷型專用空調(diào)機組具有一定程度的節(jié)電降耗價值，特別是在通信樞紐樓或者數(shù)據(jù)中心節(jié)能效益顯著。

3.2.2機房空調(diào)氣流組織

采用“全封閉冷通道精確送風”時，減少了送風回路中的冷量損失，盡量靠近機架服務器區(qū)域，提高空調(diào)的工作效率，減少能耗，同時有效改善了機房出現(xiàn)的局部高溫情況。

在機房設計過程中，最好按照“冷熱分區(qū)”進行規(guī)劃設計，由以往的同方向變?yōu)椤氨硨Ρ?、面對面”安放，使冷熱風路分離，引導冷熱氣流，提高了空調(diào)的制冷效率。

除以上提出的主要技術(shù)變革外，還有新風交換技術(shù)、列間空調(diào)技術(shù)、更換空調(diào)的制冷劑、應用熱管技術(shù)等方式都得到了重視與選擇，在很大程度上提高空調(diào)的制冷效率，減少耗電量，節(jié)約系統(tǒng)的建設和維護投資。

3.3促進老舊設備、衰退期設備的退服、掉電

通信行業(yè)堅持政策引導與市場推動相結(jié)合，節(jié)能減排在政策、管理、技術(shù)等各方面均取得明顯成效。其中一項就是加強政策引導，積極推動老舊高耗能設備退網(wǎng)?？梢酝七M下面幾種類型設備的退服掉電：

普查現(xiàn)網(wǎng)由于技術(shù)改造等原因已經(jīng)退服未掉電的設備，實施退服掉電；促進老舊設備的替換、退服和掉電。促進生命周期衰退期設備，如BSC/RNC的整合、退服掉電。

按照這一解決思路，某省該樞紐樓摸排、退服掉電設備204 kW（理論）。

3.4降低樞紐樓新增動力負荷

“新技術(shù)”是以虛擬化、云計算為代表的新技術(shù)，這些技術(shù)實現(xiàn)服務器、存儲、網(wǎng)絡設備等資源的彈性分配和共享，提升整體利用率，從而降低了設備需求，降低了現(xiàn)在動力負荷。

“新配置”除了傳統(tǒng)上選擇能效比高的設備以外，主要是指去“電信化”的思路，和“定制”思路，如有研究和測試表明，對比現(xiàn)網(wǎng)通用設備，定制化的Web服務器單位性能功耗可降低約25%，計算服務器單位性能功耗可降低約30%，存儲服務器單位性能功耗可降低約7%。當然這是戰(zhàn)略性的舉措，需要舉整個集團之力共同推進。

“新結(jié)構(gòu)”，各專業(yè)都有本領域結(jié)構(gòu)優(yōu)化的舉措。如CMNet考慮第二平面的建設，如分布式多活數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)負荷的動態(tài)遷移和智能分發(fā)，這些舉措都可以有利于緩解甚至解決通信樞紐樓的動力負荷瓶頸。

從近期看某省公司已經(jīng)異址建設了省級私有云資源池?？梢詫屑~樓的部分系統(tǒng)，如網(wǎng)管、企信和一些互聯(lián)網(wǎng)類的業(yè)務平臺遷移到資源池，遷移后約退出440kW的負荷。

3.5設備搬遷，降低樞紐樓總負荷需求

純粹的搬遷產(chǎn)生不了效益，這一方案為次選。所以設備的搬遷常常伴隨的是老舊設備的替換或者新技術(shù)淘汰老舊技術(shù)，新結(jié)構(gòu)淘汰老舊結(jié)構(gòu)。當然，如果以上措施無法完全滿足樞紐樓必須保障的設備加電時，可以綜合考慮選擇業(yè)務影響小、搬遷投資小、操作實施難度小、功耗較大的一些系統(tǒng)進行搬遷。

4　研究結(jié)論

針對運行10年之久的通信樞紐樓來說，供電能力、機房裝機位置以及機房散熱等問題已經(jīng)成為網(wǎng)絡發(fā)展的巨大瓶頸。本文從某通信樞紐樓的能耗運行數(shù)據(jù)分析出發(fā)，立足長遠，結(jié)構(gòu)性提出通信樞紐樓供電能力不足的多層面的解決方案。即：在有限資源下，通過合理控制通信設備與空調(diào)設備的配置，安全提高電源預警容量門限，有序推動退服或老舊設備掉電，并綜合“新技術(shù)”、“新配置”、“新結(jié)構(gòu)”降低樞紐樓新增負荷，綜合保障了樞紐樓長足的用電需求。

參考文獻

［1］ GBT 13462-2008， 電力變壓器經(jīng)濟運行［S］.

［2］ QB-J-017-2013V1.0.0， 中國移動通信電源系統(tǒng)工程設計規(guī)范［S］.

Analysis and research of energy consumption operation for the communication Hub building

FAN CHUN-feng， WU Jian-ping
（China Mobile Group Design Institute Co.， Ltd. Shanxi Branch， Xi'an 710077， China）

AbstractThis paper aims to fi nd out the ways of better solving such problems as the shortage of the power supply，the defi ciency of computer room and the lack of heat dissipation in the computer room in the situation of the continuous addition of the network traffi c and the inability to expand the electrical power capacity. Based on the analysis of the energy consumption operation for the communication hub building in Province S， this thesis will put forward some reasonable suggestions and the guiding principles of construction for the above-mentioned diffi culties.

Keywordshub building； transformer； energy consumption； red pre-warning state； relocation

中圖分類號TN915

文獻標識碼A

文章編號1008-5599（2016）05-0089-04

收稿日期：2016-01-18