DC化通信局房用電負(fù)荷計(jì)算及分析

李巧玲，劉宇恒

（北京中網(wǎng)華通設(shè)計(jì)咨詢有限公司，北京 100070）

0 引 言

隨著IT（信息技術(shù)）與CT（通信技術(shù)）的融合，ICT技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)越來越受到電信運(yùn)營(yíng)商的重視。為了滿足互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)“云”和“網(wǎng)絡(luò)”資源的統(tǒng)一規(guī)劃，三大運(yùn)營(yíng)商正在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將以傳統(tǒng)通信機(jī)房（CO）為中心，逐步轉(zhuǎn)型到以數(shù)據(jù)中心（DC）為核心。

目前，運(yùn)營(yíng)商具有大量的通信局房可以改造利用，即把傳統(tǒng)通信局房DC化。DC機(jī)房設(shè)備功率密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)通信設(shè)備，對(duì)于配電系統(tǒng)的影響非常大。在機(jī)房配電系統(tǒng)擴(kuò)容改造中，配電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)是電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確程度直接影響設(shè)計(jì)結(jié)果。所以，正確計(jì)算用電負(fù)荷意義重大。

1 通信局房用電負(fù)荷特點(diǎn)

傳統(tǒng)通信局房大多數(shù)為辦公與通信機(jī)房的綜合樓，其電源系統(tǒng)通常為一個(gè)總的變配電系統(tǒng)，并由此分別向UPS系統(tǒng)、各直流供電系統(tǒng)及建筑負(fù)荷提供低壓交流電。通信局房用電負(fù)荷呈現(xiàn)不同于其他建筑物的特點(diǎn)。

1.1 用電負(fù)荷分類

對(duì)于通信綜合樓，按照占比和影響力分類，用電負(fù)荷包括通信設(shè)備負(fù)荷、機(jī)房空調(diào)負(fù)荷和建筑負(fù)荷。對(duì)于通信局房DC化項(xiàng)目，在用設(shè)備用電負(fù)荷是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1.1 通信設(shè)備用電負(fù)荷

通信局房是信息系統(tǒng)的核心節(jié)點(diǎn)，用以安裝IT設(shè)施與系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中處理、存儲(chǔ)、傳輸、交換、管理[1]，可以是建筑物中獨(dú)立的物理空間，俗稱機(jī)房。通信局房布置的無線、傳輸、IT服務(wù)器等設(shè)備的用電需求，即為通信用電負(fù)荷。

1.1.2 建筑負(fù)荷

在通信局房中，除通信設(shè)備用電以外，還有機(jī)房照明、消防用電以及辦公等建筑負(fù)荷。對(duì)于通信局房配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建筑負(fù)荷屬于不可缺少的一部分。其中，消防用電負(fù)荷屬于重要負(fù)荷，必須考慮用電保障，滿足GB50052《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)電源的配置要求。

1.1.3 機(jī)房空調(diào)用電負(fù)荷

通信機(jī)房的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)是保證通信設(shè)備正常運(yùn)行的必要條件。在機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)機(jī)房冷負(fù)荷需求，采用水冷系統(tǒng)或風(fēng)冷系統(tǒng)，系統(tǒng)末端配置精密空調(diào)，滿足機(jī)房溫濕度要求，保證通信設(shè)備具有良好的運(yùn)行環(huán)境。

依據(jù)YD/T 5003-2014《通信建筑工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范9.2.10條文規(guī)定，采用分散式空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，機(jī)房專用空調(diào)機(jī)的能效比（EER）宜大于2.8，且顯熱比應(yīng)大于0.90[2]。通信機(jī)房空調(diào)占機(jī)房能耗30%～40%，所占比重較大，是通信機(jī)房不同于其他建筑物的空調(diào)用電特點(diǎn)，也是節(jié)能減排的重點(diǎn)。

1.1.4 在用設(shè)備用電負(fù)荷

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年建設(shè)，通信局房已布置2G、3G、4G等交換設(shè)備、無線控制器、傳輸設(shè)備以及增值類業(yè)務(wù)設(shè)備，并配置多套-48 V直流電源系統(tǒng)和UPS電源系統(tǒng)，為通信設(shè)備提供了可靠的用電保障。

對(duì)通信局房DC化改造的前提條件，是存在可利用的機(jī)房空間。在機(jī)房?jī)?nèi)新增IT設(shè)備，與原有通信設(shè)備共用變配電系統(tǒng)。相對(duì)于新增用電負(fù)荷，變配電系統(tǒng)具有一定負(fù)載率，其中在用設(shè)備用電負(fù)荷即實(shí)際負(fù)荷。

1.2 通信局房用電負(fù)荷特性

1.2.1 用電性質(zhì)多樣性

通信設(shè)備用電有交流和直流兩種，其中原有通信設(shè)備（含交換設(shè)備、傳輸設(shè)備）采用-48 V直流電源系統(tǒng)，數(shù)據(jù)設(shè)備和新增IT設(shè)備采用UPS交流系統(tǒng)[3]。

建筑用電負(fù)荷通常采用交流，其中消防用電負(fù)荷要求備用油機(jī)末端切換。

1.2.2 具有隱性用電負(fù)荷

直流電源系統(tǒng)、UPS電源系統(tǒng)均配置大量的蓄電池組，蓄池組充電負(fù)荷不屬于經(jīng)常性運(yùn)行負(fù)荷[3]，但需要配電系統(tǒng)考慮充電容量需求。

1.2.3 通信局房配電負(fù)荷可變性

通信技術(shù)發(fā)展迅速，通信網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備不斷更新?lián)Q代，配電系統(tǒng)的用電負(fù)荷相應(yīng)變化，所以通信局房配電系統(tǒng)需要具有靈活性，便于擴(kuò)容和調(diào)整。在通信局房DC改造中，既考慮新增用電負(fù)荷需求，也要考慮運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的用電負(fù)荷變化。

1.2.4 雙重負(fù)荷特性

在整個(gè)配電系統(tǒng)中，UPS系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)是保證通信設(shè)備的不間斷供電，呈現(xiàn)用電負(fù)荷的雙重性，即對(duì)配電系統(tǒng)是用電負(fù)荷，對(duì)于通信設(shè)備又是電源。而末端用電負(fù)荷與UPS系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)容量相匹配，并考慮不間斷電源系統(tǒng)的效率。

2 通信局房DC化用電負(fù)荷計(jì)算

通信局房DC化是利用通信局房的現(xiàn)有機(jī)房空間新增IT設(shè)備，從而需要對(duì)局房配電系統(tǒng)的總用電負(fù)荷進(jìn)行核算。通信局房用電負(fù)荷包括新增用電負(fù)荷和現(xiàn)有用電負(fù)荷。

2.1 新增用電負(fù)荷計(jì)算

2.1.1 用電負(fù)荷計(jì)算方法

對(duì)于通信機(jī)房新增設(shè)備用電負(fù)荷估算，應(yīng)考慮設(shè)備運(yùn)行方式，并計(jì)入設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷的同時(shí)系數(shù)Kt和需要系數(shù)Kx。

其中：Pjs為計(jì)算負(fù)荷；Pe為用電設(shè)備總?cè)萘浚瑔挝籯W；Kx為需要系數(shù)，即用電設(shè)備組實(shí)際最大運(yùn)行功率與用電設(shè)備額定功率的比值；Kt為同時(shí)系數(shù)，即在多個(gè)設(shè)備計(jì)算時(shí)各設(shè)備同時(shí)運(yùn)行時(shí)的最大功率與各設(shè)備最大運(yùn)行功率之和的比值。

2.1.2 新增用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

通信運(yùn)營(yíng)商為拓展新業(yè)務(wù)，充分挖掘現(xiàn)有通信局房的空間利用率。在可以利用的機(jī)房空間，規(guī)劃布置服務(wù)器機(jī)柜，并配置空調(diào)配套設(shè)備。所以，新增用電負(fù)荷包括IT設(shè)備、空調(diào)和制冷負(fù)荷。

IT設(shè)備用電負(fù)荷PIT為：

空調(diào)配套用電負(fù)荷PK為：

其中：?jiǎn)闻_(tái)空調(diào)功耗包括制冷（風(fēng)冷機(jī)組）、送風(fēng)和加濕等各功能單元功耗。

2.2 現(xiàn)有設(shè)備用電負(fù)荷

對(duì)于通信局房配電系統(tǒng)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，可以通過實(shí)際測(cè)量或動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)獲取，并且通過現(xiàn)有電源設(shè)備的負(fù)載率確定可利用冗余容量。在運(yùn)用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)時(shí)，需要考慮以下因素。

2.2.1 電源設(shè)備負(fù)載率與配電系統(tǒng)方案相匹配

配電設(shè)備負(fù)載率是實(shí)測(cè)容量（或計(jì)算負(fù)荷）與額定容量之比。對(duì)于實(shí)測(cè)容量，僅是某一時(shí)點(diǎn)或某段時(shí)間的均值，只反映配電設(shè)備的實(shí)時(shí)帶載情況。若要判斷配電設(shè)備冗余容量的可用性，需要分析原配電系統(tǒng)的設(shè)備配置方案。例如：對(duì)于“1+1”冗余系統(tǒng)，電源設(shè)備負(fù)載率現(xiàn)狀數(shù)據(jù)需要成倍考慮。

2.2.2 非經(jīng)常性負(fù)荷計(jì)取

通信綜合樓配電系統(tǒng)的用電負(fù)荷包括通信設(shè)備、機(jī)房空調(diào)、照明、消防用電、蓄電池充電、電梯等，其中消防用電、蓄電池充電、電梯屬于非經(jīng)常性負(fù)荷。在統(tǒng)計(jì)現(xiàn)有設(shè)備用電負(fù)荷時(shí)，不要漏計(jì)此類設(shè)備對(duì)配電容量的需求。

3 通信機(jī)房DC化用電負(fù)荷分析

對(duì)于通信機(jī)房配電系統(tǒng)的改造，應(yīng)結(jié)合用電負(fù)荷特點(diǎn)，合理確定配電系統(tǒng)的負(fù)載率，提高配電設(shè)備效率，使投資效益最大化。下面將分析用電負(fù)荷對(duì)配電系統(tǒng)方案的影響。

3.1 DC機(jī)房用電負(fù)荷特點(diǎn)

3.1.1 IT設(shè)備用電負(fù)荷高

與傳統(tǒng)通信設(shè)備相比，DC機(jī)房單機(jī)柜功耗達(dá)6～10 kW，高于傳統(tǒng)通信設(shè)備的2～4 kW[4]。當(dāng)利用可用機(jī)房進(jìn)行DC規(guī)劃時(shí)，則DC機(jī)房的用電負(fù)荷有可能超出原通信機(jī)房配電系統(tǒng)的承載范圍。當(dāng)DC機(jī)房新增用電負(fù)荷大于原配電系統(tǒng)容量50%時(shí)，則考慮新建獨(dú)立配電系統(tǒng)。

3.1.2 DC業(yè)務(wù)統(tǒng)一規(guī)劃、分期建設(shè)

為了提高機(jī)房資源的利用率，服務(wù)器機(jī)柜數(shù)量依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和條件進(jìn)行數(shù)量最大化規(guī)劃布置。但在實(shí)際實(shí)施時(shí)，根據(jù)IT業(yè)務(wù)發(fā)展需求進(jìn)行分期建設(shè)。對(duì)應(yīng)DC分期建設(shè)規(guī)模，配電設(shè)備容量逐期配置，以減少初期投資，增大實(shí)施的可行性。

3.1.3 DC機(jī)房配套用電負(fù)荷

DC機(jī)房配套包括空調(diào)系統(tǒng)和UPS電源系統(tǒng)。其中，空調(diào)系統(tǒng)功耗占比高，對(duì)于高密DC機(jī)房需要配置高效空調(diào)制冷系統(tǒng)，其空調(diào)功耗相當(dāng)于IT設(shè)備功耗的30%～40%[5]。依據(jù)國(guó)標(biāo)GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》，不同等級(jí)機(jī)房對(duì)空調(diào)系統(tǒng)和UPS電源系統(tǒng)的冗余配置均有相應(yīng)要求。在用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)時(shí)，考慮UPS電源系統(tǒng)的功率損耗。

3.2 通信機(jī)房用電負(fù)荷變化趨勢(shì)

對(duì)于建設(shè)多年的通信機(jī)房，隨著通信業(yè)務(wù)的不斷增加，用電負(fù)荷逐期增大，對(duì)配電系統(tǒng)往往是擴(kuò)容改造。但是，對(duì)通信機(jī)房的DC化改造，則用電負(fù)荷不一定只有增加，而需要考慮由于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)而引起用電負(fù)荷的變化。由于通信設(shè)備與業(yè)務(wù)是在網(wǎng)運(yùn)行方式，因此網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)是逐步過程，特別是以2G、3G、4G以及未來的5G設(shè)備網(wǎng)元交錯(cuò)更新，其中交換網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)等網(wǎng)元將逐步入網(wǎng)，傳統(tǒng)通信機(jī)房的用電負(fù)荷需要重新統(tǒng)計(jì)。

3.3 用電負(fù)荷顆粒度微型化

3.3.1 傳統(tǒng)通信機(jī)房電源配置

為了滿足不同類型通信設(shè)備的直流或交流需求，傳統(tǒng)通信機(jī)房已建設(shè)多套-48 V直流電源系統(tǒng)和UPS電源系統(tǒng)。不同業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)一套不間斷電源系統(tǒng)，采用相對(duì)集中供電方式，電源容量較大。例如，某通信綜合樓直流系統(tǒng)和UPS電源系統(tǒng)配置情況，如表1、表2所示。

可以看出，2G（三樓機(jī)房）、3G、4G（四樓機(jī)房）分別配置1套直流電源系統(tǒng)；監(jiān)控、數(shù)據(jù)分別配置UPS電源系統(tǒng)，所有電源設(shè)備集中布置在電力電池室，其用電負(fù)荷顆粒度基本上以業(yè)務(wù)分別計(jì)算。

3.3.2 DC機(jī)房不間斷電源小型化

近年來，不間斷電源設(shè)備模塊化、小型化產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，甚至有機(jī)架式電源。尤其對(duì)于高密機(jī)柜的模塊化數(shù)據(jù)中心，對(duì)于分布式電源系統(tǒng)的應(yīng)用具有較大優(yōu)勢(shì)。因此，在DC機(jī)房電源系統(tǒng)改造時(shí)，結(jié)合IT設(shè)備分期建設(shè)，根據(jù)需求計(jì)算用電負(fù)荷進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)[6]，有利于提高電源設(shè)備利用率。傳統(tǒng)通信機(jī)房用電負(fù)荷具有多樣性，應(yīng)根據(jù)用電負(fù)荷重要性及設(shè)備運(yùn)行特性，分類計(jì)算用電負(fù)荷，減小用電負(fù)荷顆粒度，合理確定電源系統(tǒng)，適應(yīng)電源小型化發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

通信局房用電負(fù)荷多種多樣，各類用電負(fù)荷各有特點(diǎn)，所以在DC化改造時(shí)，應(yīng)充分考慮用電設(shè)備運(yùn)行特性，正確計(jì)算用電負(fù)荷，避免漏計(jì)。通過分析通信局房用電負(fù)荷，關(guān)注運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和業(yè)務(wù)網(wǎng)元退網(wǎng)，通信局房用電負(fù)荷減少，避免用電負(fù)荷盲目疊加。同時(shí)，要關(guān)注電源設(shè)備模塊化、小型化的變化發(fā)展，對(duì)DC機(jī)房用電負(fù)荷計(jì)算方法提出新思路。

表1 某通信局房直流供電系統(tǒng)配置表

表2 某通信局房UPS系統(tǒng)配置表