通信机房能源效率提升方案研究

2021-01-25徐华，赵静

通信电源技术 2020年18期

关键词：功耗机房蓄电池

徐华，赵静

（河南省信息咨询设计研究有限公司，河南郑州 450008）

0 引言

通过对近年来通信网络能源消耗的统计和分析发现，随着网络规模的增长，网络能耗逐年上升，而全网通信电源系统的整体利用率偏低。本文重点从新建机房的差异化设计和存量机房的优化改造方案两个方面出发，探讨通信机房能源效率提升方案。

1 新建机房差异化设计

新建电源系统的设计应摒除传统的交、直流供电及空调系统的标准配置模式，将通信设备的特性与配电设备的功能相结合，充分利用各种节能和高效配电设备的特点，对机房交、直流供电及空调进行差异化配置[1]。

1.1 外市电引入方面的设计

1.1.1 直供电

对于周边有相应容量的变压器且路由和距离不超过300 m的站址，应采用直供电。外市电容量的设计为基站交流和直流设备总功耗之和。表1和表2分别为典型基站通信设备功耗统计表和典型基站外市电容量表。

表1 典型基站通信设备功耗统计表

表2 典型基站外市电容量表

1.1.2 直流远供和升压设备

对于不具备市电引入条件、市电不稳定以及采用转供电方式的局站，可选择直流远供或升压设备。直流远供是就近选择具备供电能力的机房，将其内开关电源的直流电通过远供设备升压。对于通信设备来说，一般是将-48 V升压到240～400 V，然后通过电缆送至远端，在远端配置相应的降压设备降至适合设备的直流电。升压设备能够实现供电高压化，可减少通信设备供电电压-48 V的限制和对供电电缆长度的约束，是解决高功耗设备供电的可靠选择。

1.1.3 光伏发电

随着太阳能发电技术的日益成熟，利用太阳能资源解决偏远地区无市电、外电引入费用高以及电费高等问题显得尤其重要。光伏发电能为负载提供稳定可靠的电能，满足负载每天24小时的工作用电。因此，对于外市电引入困难、引入费用高、市电费用高、市电不稳定以及达不到三类供电级别的基站，可采用光伏发电。白天阳光充足时，由光伏组件和蓄电池一起向直流负载供电。到了晚上，蓄电池储存的电量供负载使用[2]。

1.1.4 市电削峰填谷

通信企业为节约运营成本，利用电力公司分时电价政策，在用电低谷时段将电能转换成化学能储存，在用电高峰时段将化学能转换成电能对通信设备供电，从而降低电价和节约电费。

利用削峰填谷和锂电储能等方式选择具备条件的基站建设储能基站，即在保证基站正常供电和安全性的前提下，根据预设逻辑，在电价波峰时提高电池电压进行放电，在波谷时对电池充电，从而达到节约能耗和降低成本的目的。

1.2 直流系统方面的设计

1.2.1 蓄电池

目前，各运营商通信基站普遍配置2×500 Ah的铅酸蓄电池组。这种配置对于市电情况良好的地区存在一定的资源浪费，但对于部分市电不稳定和经常断电且断电时间较长的地区则无法满足需求。因此，如何根据基站的特有属性来配置基站电池容量以达到最优的问题尤为重要。蓄电池容量的确定不仅要考虑设备功耗和蓄电池充放电时间，还应综合考虑蓄电池运行维护成本、市电供应特征、停电区域性以及发电成本等因素。因此，蓄电池容量的确定应考虑容量差异化配置。

随着近年经济的迅速发展，各地市市电质量显著提高，每月停电次数和时长明显减少，因此对站内蓄电池容量的确定应综合考虑站址地理位置、周边环境、经济发展情况、市电质量以及移动油机配置情况等因素，可适调整蓄电池备电时间。经计算，对于位于一、二类供电区域的站址，可将蓄电池备电时间确定在2 h。例如，功耗在100～150 A的基站，可采用2组300 Ah的铅酸蓄电池；功耗在150～200 A的基站，经计算可采用2组500 Ah的铅酸蓄电池；对于位于三类供电区域的站址，可将蓄电池备电时间确定在4 h；功耗在50～100 A的基站，经计算可采用2组300 Ah的铅酸蓄电池[3]。

1.2.2 开关电源

新建机房根据机房属性、机房类型、预放置设备数量以及设备功耗等，详细计算设备功率，同时适当考虑一定的冗余度。开关电源的整流模块可采用n+1(n≥1)的高效模块配置。以基站机房内的开关电源容量-48 V/600 A和2组300 Ah蓄电组为例，考虑基站在原有一套（3G、4G）设备的基础上新增一套5G设备，则配置开关电源电流的计算公式为：

电池均充电流为2×300×10%=60。50×12≥50×6≈135+60+50，即基站现有-48 V/600 A开关电源如果配置6块模块能够满足供电需求。

1.3 机房制冷方面的设计

新建机房采用标准化机房设计，最优匹配机房结构、设备布放以及空调容量。设备采用面对面/背靠背布放。空调室内机和室外机的布放应按相关规定执行。机房通信设备功耗和制冷量统计表如表3所示。

2 存量机房的优化改造

传统的设计模式考虑载荷额定需求和载荷极端建设场景，配置容量往往大于实际需求，无论是基站建设成本还是后期运营维护成本，都浪费了网络资源。

随着各类通信业务的不断发展和扩大，巨大的用电量需求给基础设施建设和运营带来了空前的压力，包括能源生产效率偏低、供电设备负荷率偏低、能耗总成本逐年增加以及PUE值居高不下。具体到机房建设，一是机房内设备整体布局不合理，二是机房配电设备超期逾龄运行且效率低下，三是机房交、直流供电设备配置不合理导致设备负荷率低、能耗高，四是机房空调设计不合理，五是机房节能设备利用率低。

表3 机房通信设备功耗和制冷量统计表

2.1 存量机房的外市电引入

采用转供电方式的基站存在抄表不规范、估算用电、个别电工存在私自改表、基站从业主处取电以及基站电费缴纳不直接交到供电局等跑冒滴漏现象，建议改造为直供电方式。

2.2 存量机房的直流系统改造

2.2.1 开关电源机架的改造

表4中，总市电电量的数据通过交流配电箱市电总输入端获得，而开关电源电量和空调电量的数据则通过开关电源和空调输入端的电流互感器获得。经计算，总市电电量≥开关电源电量+空调电量。之所以出现总市电电量≥开关电源电量+空调电量，主要是由于开关电源效率下降引起的。

表4 某运营商2020年七月基站用电量统计表

目前，各通信运营商现有的基站机房、接入网点、模块局以及乡镇支局的直流供电系统，均采用组合式开关电源供电，涉及型号及厂家有动力源 DZY-48/50B、艾默生 R48-2900U、R48-5800E、华为R4850N、中兴ZXD2400、中达DPS3000E、MCS3000D以及珠江PRS3004AP等。由于部分设备在网运行时间较长甚至已经超期运行，设备性能极其不稳定，导致原有设计性能下降、故障率升高以及设备能耗增加等问题。

因此，对于逾龄和运行指标不满足设计要求的开关电源，在机房条件允许的情况下需更换机架。若受机房条件限制无法整架更换，可使用插框电源。插框电源是具有普遍性和兼容性的整流单元，可在完全替换原整流单元的基础上保留原系统的交流主输入空开、分流器、接触器、电池熔丝以及直流输出电缆[4]。

2.2.2 开关电源模块的改造

目前，各通信运营商现有局站的直流供电系统采用组合式开关电源供电。按照相关技术要求，开关电源的运行效率如下：在满架负荷情况下，效率≥91%（100%额定负载），效率≥90%（50%额定负载），效率≥86%（20%额定负载）。因此，要达到高效运行，开关电源负载率越高，其效率越高；反之，电源负载率越低，其效率越低。不同运行状态下的开关电源的运行效率如表5所示。

（1）模块休眠。根据负载电流大小，比较系统的实配模块数量和容量，通过动态调整工作整流模块的数量，使部分模块处于休眠状态，把整流模块调整至最优负载率，降低了系统的带载损耗和空载损耗，实现节能目的。

（2）高效模块。它具有能量转换效率高和自身能量消耗低的特点，其效率超过97%。

（3）模块休眠+高效模块合理搭配。

2.2.3 蓄电池改造

蓄电的放电时间和运行寿命受基站市电质量、停电次数、机房环境、空调配置以及设备负荷等多方面影响，在不同的机房，同品牌同容量的蓄电池也存在放电电压和放电时间不一致的问题。表6为5G 典型基站梯次电池配置表。

表5 不同运行状态下的开关电源的运行效率

（1）蓄电池合路器。随着通信设备功耗的大幅提升，原配备的蓄电池组已经不能满足新的备电时长需求，而更换新的蓄电池组不仅投资高，而且在实际使用过程中经常出现单体和单组蓄电池落后或者降容等问题，导致整组蓄电池无法正常使用。因此，采用蓄电池合路器解决多组差异蓄电池不能并联使用的问题，使不同时期、不同品牌、不同容量、不同电压的蓄电池实现再利用，提升资源利用效率。

（2）磷酸铁锂电池及梯次电池。锂电池循环寿命、耐高温以及高倍率放电等性能优于目前应用在通信基站的铅酸电池，尤其在市电环境不好的高温场景和承重达不到设计要求的机房，可通过梯次利用动力锂电池达到降低通信基站配套设备成本的目的。

表6 5G典型基站梯次电池配置表

2.2.4 多电源系统整合

将站址进行区域划分，针对各单站点在网通信设备种类多、负荷不同以及电源系统复杂等情况，分析区域内各站址能效消耗指标。当临近多个基站能源存在盈亏时，核算整体盈亏平衡数据，通过共享互助模式对多个站址进行能源互补，以达到精细管理和降低能耗的目的。

2.3 存量机房的机房制冷系统

2.3.1 更换精密空调

当机房现有空调使用时间长、运行不稳定以及不能为现有设备提供理想的温湿度环境时，应在考虑机房面积和设备布放的基础上，核实机房现有设备功耗（同时考虑新增设备的功耗），计算目前机房实际需要的空调容量，新建空调系统。

2.3.2 采用节能设备

（1）新风系统。细化研究现有机房空调系统，可根据机房具体结构和在网设备功耗调整机房设定温度，确定空调容量，并结合当地气候条件，利用自然冷源推广新风系统、风管精确送风、传统通道封闭以及解耦型通道方案等节能产品，降低运行成本和PUE值。

（2）机房气流组织优化。在机房空调送风口加装送风道，将冷风直接送到设备散热处，改变了气流组织，解决了机房内局部发热问题，在达到相同的制冷效果的情况下平均节电率达25%。改造机房发热量大和局部高温的机房，在机房选择时综合考虑机房和机柜使用率、机房形状、通信设备和原有空调的安装位置以及走线架及消防管道是否阻挡等因素。

2.4 存量机房的机房监控系统

机房监控系统应具有能耗分类统计查询和报表优化等日常管理、机房PUE管理、能耗异常告警、油机发电监控、系统远程升级、与动环系统以及ERP财务系统对接等功能，以提高能耗管控工作效率，有效降低网络运维成本。通过完善的监控管理，提高精细化管理水平，及时发现和处置用电量异常站点，加强分专业用电成本核算，支撑全生产场景网络化改革，促进能耗成本下沉，落实能耗管控责任，持续推进能耗管理智能化和自动化发展。