通信機(jī)房能源效率提升方案研究

徐 華，趙 靜

（河南省信息咨詢設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450008）

0 引 言

通過對近年來通信網(wǎng)絡(luò)能源消耗的統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)現(xiàn)，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長，網(wǎng)絡(luò)能耗逐年上升，而全網(wǎng)通信電源系統(tǒng)的整體利用率偏低。本文重點(diǎn)從新建機(jī)房的差異化設(shè)計(jì)和存量機(jī)房的優(yōu)化改造方案兩個(gè)方面出發(fā)，探討通信機(jī)房能源效率提升方案。

1 新建機(jī)房差異化設(shè)計(jì)

新建電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)摒除傳統(tǒng)的交、直流供電及空調(diào)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置模式，將通信設(shè)備的特性與配電設(shè)備的功能相結(jié)合，充分利用各種節(jié)能和高效配電設(shè)備的特點(diǎn)，對機(jī)房交、直流供電及空調(diào)進(jìn)行差異化配置[1]。

1.1 外市電引入方面的設(shè)計(jì)

1.1.1 直供電

對于周邊有相應(yīng)容量的變壓器且路由和距離不超過300 m的站址，應(yīng)采用直供電。外市電容量的設(shè)計(jì)為基站交流和直流設(shè)備總功耗之和。表1和表2分別為典型基站通信設(shè)備功耗統(tǒng)計(jì)表和典型基站外市電容量表。

表1 典型基站通信設(shè)備功耗統(tǒng)計(jì)表

表2 典型基站外市電容量表

1.1.2 直流遠(yuǎn)供和升壓設(shè)備

對于不具備市電引入條件、市電不穩(wěn)定以及采用轉(zhuǎn)供電方式的局站，可選擇直流遠(yuǎn)供或升壓設(shè)備。直流遠(yuǎn)供是就近選擇具備供電能力的機(jī)房，將其內(nèi)開關(guān)電源的直流電通過遠(yuǎn)供設(shè)備升壓。對于通信設(shè)備來說，一般是將-48 V升壓到240～400 V，然后通過電纜送至遠(yuǎn)端，在遠(yuǎn)端配置相應(yīng)的降壓設(shè)備降至適合設(shè)備的直流電。升壓設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)供電高壓化，可減少通信設(shè)備供電電壓-48 V的限制和對供電電纜長度的約束，是解決高功耗設(shè)備供電的可靠選擇。

1.1.3 光伏發(fā)電

隨著太陽能發(fā)電技術(shù)的日益成熟，利用太陽能資源解決偏遠(yuǎn)地區(qū)無市電、外電引入費(fèi)用高以及電費(fèi)高等問題顯得尤其重要。光伏發(fā)電能為負(fù)載提供穩(wěn)定可靠的電能，滿足負(fù)載每天24小時(shí)的工作用電。因此，對于外市電引入困難、引入費(fèi)用高、市電費(fèi)用高、市電不穩(wěn)定以及達(dá)不到三類供電級(jí)別的基站，可采用光伏發(fā)電。白天陽光充足時(shí)，由光伏組件和蓄電池一起向直流負(fù)載供電。到了晚上，蓄電池儲(chǔ)存的電量供負(fù)載使用[2]。

1.1.4 市電削峰填谷

通信企業(yè)為節(jié)約運(yùn)營成本，利用電力公司分時(shí)電價(jià)政策，在用電低谷時(shí)段將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲(chǔ)存，在用電高峰時(shí)段將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能對通信設(shè)備供電，從而降低電價(jià)和節(jié)約電費(fèi)。

利用削峰填谷和鋰電儲(chǔ)能等方式選擇具備條件的基站建設(shè)儲(chǔ)能基站，即在保證基站正常供電和安全性的前提下，根據(jù)預(yù)設(shè)邏輯，在電價(jià)波峰時(shí)提高電池電壓進(jìn)行放電，在波谷時(shí)對電池充電，從而達(dá)到節(jié)約能耗和降低成本的目的。

1.2 直流系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)

1.2.1 蓄電池

目前，各運(yùn)營商通信基站普遍配置2×500 Ah的鉛酸蓄電池組。這種配置對于市電情況良好的地區(qū)存在一定的資源浪費(fèi)，但對于部分市電不穩(wěn)定和經(jīng)常斷電且斷電時(shí)間較長的地區(qū)則無法滿足需求。因此，如何根據(jù)基站的特有屬性來配置基站電池容量以達(dá)到最優(yōu)的問題尤為重要。蓄電池容量的確定不僅要考慮設(shè)備功耗和蓄電池充放電時(shí)間，還應(yīng)綜合考慮蓄電池運(yùn)行維護(hù)成本、市電供應(yīng)特征、停電區(qū)域性以及發(fā)電成本等因素。因此，蓄電池容量的確定應(yīng)考慮容量差異化配置。

隨著近年經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各地市市電質(zhì)量顯著提高，每月停電次數(shù)和時(shí)長明顯減少，因此對站內(nèi)蓄電池容量的確定應(yīng)綜合考慮站址地理位置、周邊環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況、市電質(zhì)量以及移動(dòng)油機(jī)配置情況等因素，可適調(diào)整蓄電池備電時(shí)間。經(jīng)計(jì)算，對于位于一、二類供電區(qū)域的站址，可將蓄電池備電時(shí)間確定在2 h。例如，功耗在100～150 A的基站，可采用2組300 Ah的鉛酸蓄電池；功耗在150～200 A的基站，經(jīng)計(jì)算可采用2組500 Ah的鉛酸蓄電池；對于位于三類供電區(qū)域的站址，可將蓄電池備電時(shí)間確定在4 h；功耗在50～100 A的基站，經(jīng)計(jì)算可采用2組300 Ah的鉛酸蓄電池[3]。

1.2.2 開關(guān)電源

新建機(jī)房根據(jù)機(jī)房屬性、機(jī)房類型、預(yù)放置設(shè)備數(shù)量以及設(shè)備功耗等，詳細(xì)計(jì)算設(shè)備功率，同時(shí)適當(dāng)考慮一定的冗余度。開關(guān)電源的整流模塊可采用n+1(n≥1)的高效模塊配置。以基站機(jī)房內(nèi)的開關(guān)電源容量-48 V/600 A和2組300 Ah蓄電組為例，考慮基站在原有一套（3G、4G）設(shè)備的基礎(chǔ)上新增一套5G設(shè)備，則配置開關(guān)電源電流的計(jì)算公式為：

電池均充電流為2×300×10%=60。50×12≥50×6≈135+60+50，即基站現(xiàn)有-48 V/600 A開關(guān)電源如果配置6塊模塊能夠滿足供電需求。

1.3 機(jī)房制冷方面的設(shè)計(jì)

新建機(jī)房采用標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)房設(shè)計(jì)，最優(yōu)匹配機(jī)房結(jié)構(gòu)、設(shè)備布放以及空調(diào)容量。設(shè)備采用面對面/背靠背布放。空調(diào)室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)的布放應(yīng)按相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。機(jī)房通信設(shè)備功耗和制冷量統(tǒng)計(jì)表如表3所示。

2 存量機(jī)房的優(yōu)化改造

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式考慮載荷額定需求和載荷極端建設(shè)場景，配置容量往往大于實(shí)際需求，無論是基站建設(shè)成本還是后期運(yùn)營維護(hù)成本，都浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)資源。

隨著各類通信業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展和擴(kuò)大，巨大的用電量需求給基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營帶來了空前的壓力，包括能源生產(chǎn)效率偏低、供電設(shè)備負(fù)荷率偏低、能耗總成本逐年增加以及PUE值居高不下。具體到機(jī)房建設(shè)，一是機(jī)房內(nèi)設(shè)備整體布局不合理，二是機(jī)房配電設(shè)備超期逾齡運(yùn)行且效率低下，三是機(jī)房交、直流供電設(shè)備配置不合理導(dǎo)致設(shè)備負(fù)荷率低、能耗高，四是機(jī)房空調(diào)設(shè)計(jì)不合理，五是機(jī)房節(jié)能設(shè)備利用率低。

表3 機(jī)房通信設(shè)備功耗和制冷量統(tǒng)計(jì)表

2.1 存量機(jī)房的外市電引入

采用轉(zhuǎn)供電方式的基站存在抄表不規(guī)范、估算用電、個(gè)別電工存在私自改表、基站從業(yè)主處取電以及基站電費(fèi)繳納不直接交到供電局等跑冒滴漏現(xiàn)象，建議改造為直供電方式。

2.2 存量機(jī)房的直流系統(tǒng)改造

2.2.1 開關(guān)電源機(jī)架的改造

表4中，總市電電量的數(shù)據(jù)通過交流配電箱市電總輸入端獲得，而開關(guān)電源電量和空調(diào)電量的數(shù)據(jù)則通過開關(guān)電源和空調(diào)輸入端的電流互感器獲得。經(jīng)計(jì)算，總市電電量≥開關(guān)電源電量+空調(diào)電量。之所以出現(xiàn)總市電電量≥開關(guān)電源電量+空調(diào)電量，主要是由于開關(guān)電源效率下降引起的。

表4 某運(yùn)營商2020年七月基站用電量統(tǒng)計(jì)表

目前，各通信運(yùn)營商現(xiàn)有的基站機(jī)房、接入網(wǎng)點(diǎn)、模塊局以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)支局的直流供電系統(tǒng)，均采用組合式開關(guān)電源供電，涉及型號(hào)及廠家有動(dòng)力源 DZY-48/50B、 艾 默 生 R48-2900U、R48-5800E、華為R4850N、中興ZXD2400、中達(dá)DPS3000E、MCS3000D以及珠江PRS3004AP等。由于部分設(shè)備在網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間較長甚至已經(jīng)超期運(yùn)行，設(shè)備性能極其不穩(wěn)定，導(dǎo)致原有設(shè)計(jì)性能下降、故障率升高以及設(shè)備能耗增加等問題。

因此，對于逾齡和運(yùn)行指標(biāo)不滿足設(shè)計(jì)要求的開關(guān)電源，在機(jī)房條件允許的情況下需更換機(jī)架。若受機(jī)房條件限制無法整架更換，可使用插框電源。插框電源是具有普遍性和兼容性的整流單元，可在完全替換原整流單元的基礎(chǔ)上保留原系統(tǒng)的交流主輸入空開、分流器、接觸器、電池熔絲以及直流輸出電纜[4]。

2.2.2 開關(guān)電源模塊的改造

目前，各通信運(yùn)營商現(xiàn)有局站的直流供電系統(tǒng)采用組合式開關(guān)電源供電。按照相關(guān)技術(shù)要求，開關(guān)電源的運(yùn)行效率如下：在滿架負(fù)荷情況下，效率≥91%（100%額定負(fù)載），效率≥90%（50%額定負(fù)載），效率≥86%（20%額定負(fù)載）。因此，要達(dá)到高效運(yùn)行，開關(guān)電源負(fù)載率越高，其效率越高；反之，電源負(fù)載率越低，其效率越低。不同運(yùn)行狀態(tài)下的開關(guān)電源的運(yùn)行效率如表5所示。

（1）模塊休眠。根據(jù)負(fù)載電流大小，比較系統(tǒng)的實(shí)配模塊數(shù)量和容量，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整工作整流模塊的數(shù)量，使部分模塊處于休眠狀態(tài)，把整流模塊調(diào)整至最優(yōu)負(fù)載率，降低了系統(tǒng)的帶載損耗和空載損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

（2）高效模塊。它具有能量轉(zhuǎn)換效率高和自身能量消耗低的特點(diǎn)，其效率超過97%。

（3）模塊休眠+高效模塊合理搭配。

2.2.3 蓄電池改造

蓄電的放電時(shí)間和運(yùn)行壽命受基站市電質(zhì)量、停電次數(shù)、機(jī)房環(huán)境、空調(diào)配置以及設(shè)備負(fù)荷等多方面影響，在不同的機(jī)房，同品牌同容量的蓄電池也存在放電電壓和放電時(shí)間不一致的問題。表6為5G 典型基站梯次電池配置表。

表5 不同運(yùn)行狀態(tài)下的開關(guān)電源的運(yùn)行效率

（1）蓄電池合路器。隨著通信設(shè)備功耗的大幅提升，原配備的蓄電池組已經(jīng)不能滿足新的備電時(shí)長需求，而更換新的蓄電池組不僅投資高，而且在實(shí)際使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)單體和單組蓄電池落后或者降容等問題，導(dǎo)致整組蓄電池?zé)o法正常使用。因此，采用蓄電池合路器解決多組差異蓄電池不能并聯(lián)使用的問題，使不同時(shí)期、不同品牌、不同容量、不同電壓的蓄電池實(shí)現(xiàn)再利用，提升資源利用效率。

（2）磷酸鐵鋰電池及梯次電池。鋰電池循環(huán)壽命、耐高溫以及高倍率放電等性能優(yōu)于目前應(yīng)用在通信基站的鉛酸電池，尤其在市電環(huán)境不好的高溫場景和承重達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的機(jī)房，可通過梯次利用動(dòng)力鋰電池達(dá)到降低通信基站配套設(shè)備成本的目的。

表6 5G典型基站梯次電池配置表

2.2.4 多電源系統(tǒng)整合

將站址進(jìn)行區(qū)域劃分，針對各單站點(diǎn)在網(wǎng)通信設(shè)備種類多、負(fù)荷不同以及電源系統(tǒng)復(fù)雜等情況，分析區(qū)域內(nèi)各站址能效消耗指標(biāo)。當(dāng)臨近多個(gè)基站能源存在盈虧時(shí)，核算整體盈虧平衡數(shù)據(jù)，通過共享互助模式對多個(gè)站址進(jìn)行能源互補(bǔ)，以達(dá)到精細(xì)管理和降低能耗的目的。

2.3 存量機(jī)房的機(jī)房制冷系統(tǒng)

2.3.1 更換精密空調(diào)

當(dāng)機(jī)房現(xiàn)有空調(diào)使用時(shí)間長、運(yùn)行不穩(wěn)定以及不能為現(xiàn)有設(shè)備提供理想的溫濕度環(huán)境時(shí)，應(yīng)在考慮機(jī)房面積和設(shè)備布放的基礎(chǔ)上，核實(shí)機(jī)房現(xiàn)有設(shè)備功耗（同時(shí)考慮新增設(shè)備的功耗），計(jì)算目前機(jī)房實(shí)際需要的空調(diào)容量，新建空調(diào)系統(tǒng)。

2.3.2 采用節(jié)能設(shè)備

（1）新風(fēng)系統(tǒng)。細(xì)化研究現(xiàn)有機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)，可根據(jù)機(jī)房具體結(jié)構(gòu)和在網(wǎng)設(shè)備功耗調(diào)整機(jī)房設(shè)定溫度，確定空調(diào)容量，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件，利用自然冷源推廣新風(fēng)系統(tǒng)、風(fēng)管精確送風(fēng)、傳統(tǒng)通道封閉以及解耦型通道方案等節(jié)能產(chǎn)品，降低運(yùn)行成本和PUE值。

（2）機(jī)房氣流組織優(yōu)化。在機(jī)房空調(diào)送風(fēng)口加裝送風(fēng)道，將冷風(fēng)直接送到設(shè)備散熱處，改變了氣流組織，解決了機(jī)房內(nèi)局部發(fā)熱問題，在達(dá)到相同的制冷效果的情況下平均節(jié)電率達(dá)25%。改造機(jī)房發(fā)熱量大和局部高溫的機(jī)房，在機(jī)房選擇時(shí)綜合考慮機(jī)房和機(jī)柜使用率、機(jī)房形狀、通信設(shè)備和原有空調(diào)的安裝位置以及走線架及消防管道是否阻擋等因素。

2.4 存量機(jī)房的機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)

機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有能耗分類統(tǒng)計(jì)查詢和報(bào)表優(yōu)化等日常管理、機(jī)房PUE管理、能耗異常告警、油機(jī)發(fā)電監(jiān)控、系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)、與動(dòng)環(huán)系統(tǒng)以及ERP財(cái)務(wù)系統(tǒng)對接等功能，以提高能耗管控工作效率，有效降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本。通過完善的監(jiān)控管理，提高精細(xì)化管理水平，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處置用電量異常站點(diǎn)，加強(qiáng)分專業(yè)用電成本核算，支撐全生產(chǎn)場景網(wǎng)絡(luò)化改革，促進(jìn)能耗成本下沉，落實(shí)能耗管控責(zé)任，持續(xù)推進(jìn)能耗管理智能化和自動(dòng)化發(fā)展。

3 結(jié) 論

電源系統(tǒng)是通信系統(tǒng)的重要組成部分，是通信設(shè)備正常運(yùn)行的基本保證。此方案的研究雖不能帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益，但有利于加快通信建設(shè)，構(gòu)建高效節(jié)能的綠色網(wǎng)絡(luò)，落實(shí)高效節(jié)能建設(shè)思路。