移動(dòng)通信基站能效評(píng)估體系研究

1 引言

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，4G業(yè)務(wù)快速普及，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)越來(lái)越成為人們生活中不可或缺的一部分。在運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)流量爆發(fā)式增長(zhǎng)的同時(shí)，也帶來(lái)了能源成本不斷上漲，而與此同時(shí)業(yè)務(wù)收入?yún)s并未明顯增加，出現(xiàn)了明顯的“剪刀差”。

目前，運(yùn)營(yíng)商的最大的運(yùn)營(yíng)支出是網(wǎng)絡(luò)能耗，而基站的能耗一般占到整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)能耗的60%以上。

因此，向基站能耗要效益的空間廣闊，節(jié)能減排迫在眉睫。

2 研究思路

PUE是Power Usage Effectiveness的簡(jiǎn)寫，是評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)，是數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載使用的能源之比。

本文引入PUE的概念對(duì)移動(dòng)通信基站的能耗進(jìn)行分析，其基本定義類同數(shù)據(jù)中心的定義，具體為：

基站PUE值＝基站總能耗／基站主設(shè)備總能耗。

從定義可以看出：

① PUE＞1；

② PUE值越小，表明在同一個(gè)基站的主設(shè)備功耗條件下，基站總耗電量越小。

本課題搭建了基站能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖如圖1。此系統(tǒng)通過(guò)在樣本基站安裝智能電表的方式，分別獲取交流側(cè)和直流側(cè)能耗，從而獲得站點(diǎn)PUE數(shù)據(jù)。

圖1 基站能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)原理圖

3 PUE測(cè)試與分析

基站總能耗一般由主設(shè)備能耗、傳輸設(shè)備能耗、空調(diào)能耗、開(kāi)關(guān)電源能耗、照明能耗構(gòu)成。

傳輸設(shè)備是移動(dòng)通信基站必不可少的組成部分，與基站主設(shè)備成套配置，并且在整個(gè)基站能耗中占比較少，為了便于模型的建立，將傳輸設(shè)備能耗歸到主設(shè)備能耗之中。

照明設(shè)備由于無(wú)人值守，平時(shí)基本處于關(guān)閉狀態(tài)，照明能耗基本忽略不計(jì)。

這樣，基站總能耗可以歸納為由主設(shè)備能耗、空調(diào)能耗、開(kāi)關(guān)電源能耗構(gòu)成。

定義：PUE空調(diào)因子=空調(diào)能耗/主設(shè)備能耗，PUE電源系統(tǒng)因子=開(kāi)關(guān)電源能耗/主設(shè)備能耗，故：

基站PUE值=1+PUE空調(diào)因子+PUE電源系統(tǒng)因子

從上面公式可以看出，基站PUE與空調(diào)能耗、主設(shè)備能耗、開(kāi)關(guān)電源能耗直接相關(guān)。

基站主設(shè)備能耗主要由機(jī)柜能耗和載頻能耗組成。機(jī)柜能耗主要由控制板、風(fēng)扇等設(shè)備構(gòu)成，占主設(shè)備能耗的10%左右；載頻能耗主要由功放、基帶處理、電源、模擬電源等構(gòu)成，占主設(shè)備能耗的90%，是基站主設(shè)備能耗的主要組成部分，其中以功放的能耗占比最高。

在相同的業(yè)務(wù)負(fù)荷條件下，不同廠家不同型號(hào)的基站設(shè)備的耗電是不一樣的，可以用設(shè)備能效來(lái)定義基站的能耗效率。

對(duì)于同一基站設(shè)備，不同業(yè)務(wù)負(fù)荷條件下的基站耗電、設(shè)備能效也是不一樣的，對(duì)于基站PUE的影響也是不一樣的。

影響空調(diào)能耗的因素較多，主要包括：

（1）空調(diào)的能效比：即空調(diào)名義制冷量（制熱量）與運(yùn)行功率之比，空調(diào)的能效等級(jí)分為3級(jí)，1級(jí)最優(yōu)。

（2）氣候溫度：主要指當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度對(duì)機(jī)房能耗的影響。

（3）機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)：按照房屋結(jié)構(gòu)類型，可以將分為兩類：磚混結(jié)構(gòu)機(jī)房、彩鋼板機(jī)房；外界通過(guò)機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)與機(jī)房?jī)?nèi)部進(jìn)行熱量交換，磚混結(jié)構(gòu)機(jī)房的保溫效果要好于彩鋼板機(jī)房。

（4）空調(diào)制冷溫度的設(shè)定：基站中對(duì)溫度最敏感的設(shè)備，就是閥控式鉛酸蓄電池。溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致蓄電池出現(xiàn)熱失控、極板腐蝕加劇等故障，因此要求基站的環(huán)境溫度不超過(guò)30℃。

（5）各類設(shè)備產(chǎn)生的熱量：對(duì)于基站來(lái)說(shuō)，以無(wú)線主設(shè)備、傳輸設(shè)備產(chǎn)生的熱量為主。

開(kāi)關(guān)電源的能效與整流模塊的效率有關(guān)，目前在網(wǎng)使用的普通高頻開(kāi)關(guān)電源整流模塊效率一般在90%～95%之間，新型高效整流模塊的效率達(dá)到96%以上。

由上述分析可知，影響基站能效比（PUE）的因素之間關(guān)系如圖2所示。

其中：主設(shè)備廠家型號(hào)、空調(diào)能效比、空調(diào)制冷溫度的設(shè)定、整流模塊效率在基站建設(shè)完成之后就確定了，各類設(shè)備產(chǎn)生的熱量又是與主設(shè)備廠家型號(hào)、主設(shè)備業(yè)務(wù)負(fù)荷相關(guān)的，所以，主設(shè)備業(yè)務(wù)負(fù)荷、氣候溫度、機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基站PUE的影響是重點(diǎn)分析對(duì)象。

3.1 主設(shè)備業(yè)務(wù)負(fù)荷對(duì)PUE的影響分析

主設(shè)備業(yè)務(wù)負(fù)荷的高低與其直流輸入電流有關(guān)，主設(shè)備業(yè)務(wù)負(fù)荷越高，主設(shè)備直流功耗越大，其直流輸入電流越大，反之，主設(shè)備業(yè)務(wù)負(fù)荷越低，主設(shè)備直流功耗越小，其直流輸入電流越小。

圖2 影響基站能效比（PUE）的因素關(guān)系圖

主設(shè)備直流輸入電流可以方便的從開(kāi)關(guān)電源控制顯示屏上讀取，這里用主設(shè)備直流輸入電流表征主設(shè)備業(yè)務(wù)負(fù)荷的高低。

為了研究主設(shè)備直流輸入電流與PUE的關(guān)系，需要保證研究時(shí)間段內(nèi)基站所處環(huán)境的氣候溫度的相當(dāng)穩(wěn)定，故取晚上20:00～次日6:00這段時(shí)間作為研究周期，這10個(gè)小時(shí)時(shí)間內(nèi)，氣候溫度變化不大，基站業(yè)務(wù)忙時(shí)閑時(shí)均包含在內(nèi)。

選取2018/10/14～2018/10/20一周內(nèi)晚上20:00 ～次日6:00時(shí)間段內(nèi)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 基站PUE與業(yè)務(wù)負(fù)荷關(guān)系表

從上表可以看出，基站忙時(shí)出現(xiàn)在20:00-23:00，DC總輸出電流最大，基站閑時(shí)出現(xiàn)在2:00-6:00，DC總輸出電流最小，然后這段時(shí)間內(nèi)PUE基站沒(méi)有變化，說(shuō)明主設(shè)備業(yè)務(wù)負(fù)荷對(duì)PUE影響較小。

3.2 氣候溫度對(duì)PUE的影響分析

取2017年11月～2018年10月12個(gè)月的采集數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 基站平均PUE與氣候溫度關(guān)系表

由上面的數(shù)據(jù)可知，2017年11月～2018年10月氣候溫度從15～30 ℃之間變化，氣候溫度越低，PUE值越小。

3.3 機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)PUE的影響分析

取2017年11月～2018年10月12個(gè)月的采集數(shù)據(jù)如表3所示：

表3 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)基站PUE對(duì)比表

從上表可以看出，磚混結(jié)構(gòu)基站的PUE明顯優(yōu)于彩鋼板基站0.10～0.28，優(yōu)于比例在6%～22%之間。

4 PUE評(píng)估模型及應(yīng)用

根據(jù)第3節(jié)的分析可知，主設(shè)備業(yè)務(wù)負(fù)荷、氣候溫度、機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)三個(gè)因素中，對(duì)基站PUE有明顯影響的是氣候溫度、機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)這兩個(gè)因素。

考慮到基站空調(diào)制冷開(kāi)啟門限一般為28 ℃，如果環(huán)境溫度低于基站溫度10～15 ℃，基站內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生的熱量將可以通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)散發(fā)到室外，空調(diào)制冷無(wú)需開(kāi)啟。據(jù)此，將氣候環(huán)境溫度劃分為【0，10），【10，20），【20，30】三個(gè)區(qū)間：

氣候環(huán)境溫度在【20，30】區(qū)間時(shí)，溫度越高，空調(diào)需要的制冷輸出越多，空調(diào)的能耗越大，PUE越高。

氣候環(huán)境溫度在【10，20）區(qū)間時(shí)，溫度越高，空調(diào)需要的制冷輸出越多，空調(diào)的能耗越大，PUE越高；當(dāng)時(shí)當(dāng)氣候溫度低于（28-10）=18或者（28-15）=13時(shí)，PUE隨氣候溫度增長(zhǎng)而增加的速度將變緩。

氣候環(huán)境溫度在【0，10）區(qū)間時(shí)，這時(shí)候空調(diào)一般情況下無(wú)需開(kāi)啟，PUE隨溫度的變化將不明顯。

在空調(diào)不開(kāi)啟的情況，基站PUE將達(dá)到理想中的最優(yōu)值，一般開(kāi)源電源能耗占基站總能耗的10%左右，并且相當(dāng)恒定，所以理論上基站PUE的最小值為1/(1-10%)=1.11。

對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)中心的PUE，一般在1.346～1.441之間，數(shù)據(jù)中心由于使用了高效率空調(diào)、電源、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面也考慮了節(jié)能等因素，其PUE值會(huì)優(yōu)于移動(dòng)通信基站，可以作為優(yōu)秀基站PUE的對(duì)標(biāo)參考值。

將PUE劃分為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)3個(gè)等級(jí)，1級(jí)最優(yōu)，2級(jí)次之，3級(jí)最耗電。得到評(píng)估模型如表4所示。

表4 PUE分級(jí)評(píng)估模型

評(píng)估模型中PUE的定義：額定輸入電壓、電池浮充模式下，基站穩(wěn)定運(yùn)行1天的PUE值，溫度取當(dāng)天溫度最高值、最低值的平均值。

將建立的PUE評(píng)估模型應(yīng)用在日常的基站管理之中，根據(jù)不同的等級(jí)制定不同的管理思路：

（1）1級(jí)為能效先進(jìn)值，通信企業(yè)需要通過(guò)努力，通過(guò)節(jié)能技術(shù)改造和加強(qiáng)節(jié)能管理使基站達(dá)到能效先進(jìn)值。

（2）2級(jí)為能效準(zhǔn)入值，通信企業(yè)新建基站應(yīng)達(dá)到準(zhǔn)入值。

（3）3級(jí)為能效限定值，通信企業(yè)基站應(yīng)達(dá)到限定值，否則應(yīng)進(jìn)行改造。

當(dāng)基站的能效達(dá)不到管理要求時(shí)，可以考慮使用如表5的方法進(jìn)行改造：

表5 提高基站PUE技術(shù)措施建議

節(jié)能方案除了需要根據(jù)基站的具體情況、技術(shù)方案的特性有針對(duì)性的引入外，還需要考慮經(jīng)濟(jì)效益，分析節(jié)能方案的產(chǎn)出投入比=節(jié)約電費(fèi)/投資。

由基站PUE公式：基站PUE值＝總能耗/主設(shè)備總能耗，可知：總能耗=主設(shè)備總能耗＊基站PUE值。

基站節(jié)省能耗=主設(shè)備能耗＊（改造前PUE-改造后），主設(shè)備能耗在基站總能耗中占60%～70%，故能效提升對(duì)于基站的能耗降低效果明顯。

假設(shè)每基站月耗電5 000 kWh，主設(shè)備耗電占基站耗電量比例為65%，其中主設(shè)備耗電=5000＊65%=3250 kWh，如果PUE提升1級(jí)即0.2，每個(gè)基站每月能省電=3250＊0.2=650 kWh。

1個(gè)地級(jí)市按照2000個(gè)物理站點(diǎn)，每度電1.1元估算，全年1個(gè)地區(qū)PUE提升1級(jí)（每級(jí)PUE相差0.2），可以節(jié)省電費(fèi) =650＊12＊2000＊1.1/10000=1716 萬(wàn)元。

5 總結(jié)

本文在分析影響基站能效比（PUE）的因素基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)際基站的測(cè)試數(shù)據(jù)，建立不同場(chǎng)景下的基站能效比（PUE）的典型值的合理區(qū)間范圍。

本課題選取的樣本基站均為室外有機(jī)房的宏基站，基站設(shè)備均采用-48V供電。故此模型適用范圍為室外有機(jī)房、有空調(diào)的宏基站，室外無(wú)機(jī)房的宏基站不適用。