云邊一體的基站能源管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

吳文浩 段明宜 黃金融

（1.聯(lián)通（廣東）產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有限公司 廣東省廣州市 510000 2.廣東新中望信息科技有限公司 廣東省廣州市 510000）

1 引言

近年來，隨著通信業(yè)的發(fā)展，特別是5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的興起，移動(dòng)通信基站數(shù)量迅速增加。通信基站的能耗支出，在電信運(yùn)營商和鐵塔公司日常運(yùn)維開支中占比很大；同時(shí)，通信基站數(shù)量大，分布面廣，安裝位置分散且情況復(fù)雜，需要派專人或委托代維公司抄表、計(jì)量和維護(hù)等，也是一筆不小的開支。因此，如何降低基站能耗并節(jié)省運(yùn)維成本，已經(jīng)成為運(yùn)營商和鐵塔公司的當(dāng)務(wù)之急。

2 基站能耗和運(yùn)維現(xiàn)狀

在普通的基站設(shè)計(jì)中，每個(gè)基站都要接入電源系統(tǒng)，配備蓄電池系統(tǒng)，空調(diào)24 小時(shí)開放保證設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的達(dá)標(biāo)（一般要在25℃以下）。通信基站耗電約占總耗電量的73%?；镜挠秒娫O(shè)備有基站主設(shè)備、傳輸設(shè)備、電源設(shè)備、空調(diào)等，其中空調(diào)功耗占基站總耗電量的47%。[1]特別是在5G 時(shí)代，功耗的提升是同級(jí)4G基站的4 倍左右，而同一覆蓋范圍下，5G 基站的需求數(shù)量又是4G的3-4 倍左右，所以對(duì)于運(yùn)營商而言，5G 的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本是4G 的10 倍以上。[2]

同時(shí)，基站點(diǎn)多面廣，且大多是租用民房，有些基站長年失修，導(dǎo)致基站運(yùn)維情況也十分復(fù)雜和困難，主要問題有：供電故障無法監(jiān)測、偷電現(xiàn)象無法控制、抄表效率低下、用電數(shù)據(jù)沒法科學(xué)統(tǒng)計(jì)、管理成本增加等。

綜合上述問題，建設(shè)基站能源管理運(yùn)維系統(tǒng)，改變現(xiàn)有的能耗和用電管理模式，及時(shí)解決上述存在的問題所帶來的經(jīng)濟(jì)效益是長期的、可持續(xù)的。

3 技術(shù)路線研究

3.1 節(jié)能原理

在通信電源供電系統(tǒng)中，整流器與蓄電池并接于饋電線上，當(dāng)市電正常時(shí)，由整流器給通信負(fù)載供電，同時(shí)也給蓄電池微小的補(bǔ)充電流，這種供電方式稱為浮充，這一過程中整流器輸出的電壓稱為浮充電壓。電池在長期使用中，總是在浮充電情況下運(yùn)行。電池的浮充電流對(duì)溫度極為敏感，一般要求環(huán)境溫度為25℃。溫度每變化10℃，電流成倍變化，當(dāng)溫度大于25℃時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)蓄電池已過充而開關(guān)電源并未關(guān)斷，隔膜內(nèi)電解液很快干枯；當(dāng)蓄電池溫度大于50℃時(shí)，十多次過充電就會(huì)導(dǎo)致蓄電池永久失效。[3]

通信基站里面的設(shè)備除了UPS 蓄電池對(duì)溫度要求比較高，其他設(shè)備基本能在40℃左右長時(shí)間正常工作。[4]如果將蓄電池休眠，不處于浮充狀態(tài)，那么蓄電池對(duì)溫度就不是很敏感了，能和其他通信設(shè)備一樣在正常的環(huán)境溫度下工作，只要能保證在斷電時(shí)蓄電池能被及時(shí)喚醒，對(duì)基站的正常運(yùn)營就不會(huì)影響。

因此，基站內(nèi)部溫度能浮動(dòng)至35℃以上。這樣，全國各地的基站一年大部分時(shí)間可通過新風(fēng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)內(nèi)部溫度的調(diào)節(jié)，而不需啟用空調(diào)，能耗也能大幅下降。

3.2 云邊一體化

圖1：系統(tǒng)總體架構(gòu)

邊緣計(jì)算(Edge Computing)，是指在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)，采用網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力為一體的開放平臺(tái)，就近提供最近端服務(wù)。其應(yīng)用程序在邊緣側(cè)發(fā)起，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，滿足行業(yè)在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的基本需求。而云端計(jì)算，仍然可以訪問邊緣計(jì)算的歷史數(shù)據(jù)。[5]

邊緣計(jì)算通常會(huì)被與云計(jì)算做比較，但這并不意味著邊緣計(jì)算要取代云計(jì)算。實(shí)際上，邊緣計(jì)算與云計(jì)算各有所長，云計(jì)算擅長需要海量可擴(kuò)展存儲(chǔ)能力，非實(shí)時(shí)且周期相對(duì)較長的數(shù)據(jù)處理和分析，而邊緣計(jì)算擅長的是局部短周期數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和分析。從當(dāng)前業(yè)界面臨的實(shí)際情況出發(fā)，二者之間緊密結(jié)合才能更好地滿足各種需求場景的匹配。

不難想象，云邊一體的技術(shù)架構(gòu)十分符合在基站管理運(yùn)維領(lǐng)域的應(yīng)用?；灸茉醇碍h(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求部分計(jì)算能力必須移至邊緣節(jié)點(diǎn)以縮短響應(yīng)時(shí)間，此外，部分能源數(shù)據(jù)由于要確保私密性與安全性也不適合交由云計(jì)算來處理。同時(shí)，云計(jì)算可以統(tǒng)一管理和調(diào)度基站邊緣節(jié)點(diǎn)，通過匯聚邊緣節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及部分計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化和更新模型或者業(yè)務(wù)規(guī)則下發(fā)到邊緣側(cè)，形成良性循環(huán)。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基站能源管理系統(tǒng)由基站端節(jié)點(diǎn)和大數(shù)據(jù)云平臺(tái)組成。在每個(gè)基站節(jié)點(diǎn)部署AI 節(jié)能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基站環(huán)境的自我監(jiān)測、調(diào)節(jié)和控制，同時(shí)在異常情況下能發(fā)出運(yùn)維請(qǐng)求，確保整個(gè)機(jī)房運(yùn)行安全；每個(gè)基站都是整個(gè)能源托管綜合管理平臺(tái)的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，和云端的大數(shù)據(jù)節(jié)能大腦一起，構(gòu)成整個(gè)節(jié)能感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也即云邊一體。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

4.2 基站端功能設(shè)計(jì)

基站能源管理系統(tǒng)通過對(duì)基站通訊設(shè)備、空調(diào)、動(dòng)環(huán)等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以定期統(tǒng)計(jì)不同類型基站的用電參數(shù)。能耗監(jiān)控單元通過運(yùn)營商有線或無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳給大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，進(jìn)而完成基站用電量的采集、統(tǒng)計(jì)、分析、比對(duì)等。如圖2、圖3 所示。

每個(gè)基站AI 控制系統(tǒng)具備監(jiān)控、計(jì)量和運(yùn)維三大功能模塊。

圖3：基站設(shè)備連接

圖4：站點(diǎn)管理

4.2.1 監(jiān)控功能

監(jiān)控功能是AI 節(jié)能感控系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)基站節(jié)能的重要手段，也是基站節(jié)能AI 自適應(yīng)、學(xué)習(xí)、建模、擬合的重要環(huán)節(jié)，具體功能如下：

（1）環(huán)境監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)對(duì)基站室內(nèi)、室外溫濕度以及空氣質(zhì)量的監(jiān)控，來感知環(huán)境狀態(tài)；

（2）感知監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)對(duì)電表、新風(fēng)、空調(diào)、電池和動(dòng)環(huán)設(shè)備的監(jiān)控，來感知設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；

（3）協(xié)同聯(lián)動(dòng)：實(shí)現(xiàn)空調(diào)、新風(fēng)和動(dòng)環(huán)聯(lián)動(dòng)，通過環(huán)境監(jiān)控所感知的信息，來決定新風(fēng)和空調(diào)的啟閉，或者調(diào)節(jié)新風(fēng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速；

（4）對(duì)接電池系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)電池休眠和運(yùn)行轉(zhuǎn)態(tài)的切換，定期監(jiān)測休眠轉(zhuǎn)態(tài)的電池并及時(shí)予以充電，對(duì)于老舊或者有安全隱患的電池及時(shí)預(yù)警；

（5）電池和其他系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)：當(dāng)市電停電電池進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，電池可維持基站通訊設(shè)備及節(jié)能感控系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并及時(shí)發(fā)出告警通知運(yùn)維人員進(jìn)行檢修。

4.2.2 計(jì)量功能

計(jì)量功能是AI 節(jié)能感控系統(tǒng)的關(guān)鍵，通過抄表實(shí)現(xiàn)基站能耗的準(zhǔn)確計(jì)算，并生成節(jié)能報(bào)表，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)節(jié)能分析提供可靠依據(jù)。

（1）抄表：讀取基站內(nèi)部各種交直流電表的數(shù)據(jù)；

（2）計(jì)費(fèi)：通過電表的數(shù)據(jù)并結(jié)合機(jī)房的實(shí)際PuE 值，計(jì)算各大運(yùn)營商實(shí)際的電費(fèi)；

（3）報(bào)表：統(tǒng)計(jì)分析各基站電費(fèi)使用情況，為節(jié)能分析和改造提供依據(jù)。

4.2.3 運(yùn)維功能

運(yùn)維功能是AI 節(jié)能感控系統(tǒng)的保障，在節(jié)能系統(tǒng)觸發(fā)告警時(shí)實(shí)現(xiàn)工單派發(fā)，并結(jié)合線下運(yùn)維隊(duì)伍和備品備件庫，確保機(jī)房節(jié)能系統(tǒng)的正?？沙掷m(xù)運(yùn)行。

（1）人員管理：實(shí)現(xiàn)對(duì)線下運(yùn)維人員隊(duì)伍的管理，提供人員聯(lián)絡(luò)渠道；

（2）備件管理：實(shí)現(xiàn)對(duì)易耗品和關(guān)鍵零部件的管理和查詢，比如濾網(wǎng)、電池等。

（3）告警管理：實(shí)現(xiàn)對(duì)基站主要設(shè)備和環(huán)境情況的預(yù)警管理；

（4）工單管理：開發(fā)運(yùn)維工單APP 或小程序，對(duì)運(yùn)維事件進(jìn)行流程管控。

4.3 大數(shù)據(jù)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

4.3.1 站點(diǎn)管理

實(shí)現(xiàn)在GIS 圖上展示區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)分布情況并可查詢站點(diǎn)基本信息，也可以進(jìn)一步查看基站的詳細(xì)信息和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；基站詳細(xì)信息包括用電量統(tǒng)計(jì)、用電對(duì)比、運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、室內(nèi)外溫度對(duì)比等；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)包括近15日總表讀數(shù)和分表總和對(duì)比、24 時(shí)分項(xiàng)耗電對(duì)比、年度能耗統(tǒng)計(jì)及趨勢和年度故障類型統(tǒng)計(jì)等。

4.3.2 運(yùn)維管理

包括基站設(shè)備告警、備件管理、運(yùn)維人員管理、工單管理等。

（1）設(shè)備告警：顯示告警列表，告警信息包括站點(diǎn)名、時(shí)間、內(nèi)容，以及告警類型等；

（2）備件管理：包括備件的地理分布情況、備件類型、備件數(shù)量等；

（3）運(yùn)維人員管理：包括運(yùn)維組織架構(gòu)、人員職務(wù)、職稱、聯(lián)系方式等；

（4）工單管理：包括工單類型，工單數(shù)量變化情況等。

4.3.3 節(jié)能運(yùn)維APP

為管理人員和運(yùn)維人員提供移動(dòng)端APP 或小程序，隨時(shí)隨地掌握各個(gè)站點(diǎn)的監(jiān)控情況，同時(shí)可以接收運(yùn)維工單；實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)信息、設(shè)備信息、實(shí)時(shí)告警、告警記錄、組態(tài)信息、歷史數(shù)據(jù)、圖表統(tǒng)計(jì)等功能。

4.3.4 節(jié)能大腦

如圖4 所示，實(shí)現(xiàn)在一張圖上顯示所有基站設(shè)備的監(jiān)測信息，各個(gè)站點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)、信息詳情一覽無余；同時(shí)展示轄區(qū)范圍內(nèi)基站節(jié)能的總體運(yùn)行情況，包括能耗曲線、能耗分布、節(jié)能效益、預(yù)警態(tài)勢、設(shè)備運(yùn)行狀況等。

5 結(jié)語

5G 已成為焦點(diǎn)，基站的建設(shè)和運(yùn)維迎來新的發(fā)展機(jī)遇，當(dāng)然也是運(yùn)營商和鐵塔公司需要共同面對(duì)的挑戰(zhàn)。希望通過應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的節(jié)能路線和運(yùn)維方案，構(gòu)建云邊一體基站能源管理系統(tǒng)，能為5G 時(shí)代的建站和管理提供有效價(jià)值。