通信機房能源效率提升方案研究

徐 華，趙 靜

（河南省信息咨詢設計研究有限公司，河南 鄭州 450008）

0 引 言

通過對近年來通信網絡能源消耗的統計和分析發現，隨著網絡規模的增長，網絡能耗逐年上升，而全網通信電源系統的整體利用率偏低。本文重點從新建機房的差異化設計和存量機房的優化改造方案兩個方面出發，探討通信機房能源效率提升方案。

1 新建機房差異化設計

新建電源系統的設計應摒除傳統的交、直流供電及空調系統的標準配置模式，將通信設備的特性與配電設備的功能相結合，充分利用各種節能和高效配電設備的特點，對機房交、直流供電及空調進行差異化配置[1]。

1.1 外市電引入方面的設計

1.1.1 直供電

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

表1 典型基站通信設備功耗統計表

表2 典型基站外市電容量表

1.1.2 直流遠供和升壓設備

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

1.1.3 光伏發電

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

1.1.4 市電削峰填谷

通信企業為節約運營成本，利用電力公司分時電價政策，在用電低谷時段將電能轉換成化學能儲存，在用電高峰時段將化學能轉換成電能對通信設備供電，從而降低電價和節約電費。

利用削峰填谷和鋰電儲能等方式選擇具備條件的基站建設儲能基站，即在保證基站正常供電和安全性的前提下，根據預設邏輯，在電價波峰時提高電池電壓進行放電，在波谷時對電池充電，從而達到節約能耗和降低成本的目的。

1.2 直流系統方面的設計

1.2.1 蓄電池

目前，各運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存在一定的資源浪費，但對于部分市電不穩定和經常斷電且斷電時間較長的地區則無法滿足需求。因此，如何根據基站的特有屬性來配置基站電池容量以達到最優的問題尤為重要。蓄電池容量的確定不僅要考慮設備功耗和蓄電池充放電時間，還應綜合考慮蓄電池運行維護成本、市電供應特征、停電區域性以及發電成本等因素。因此，蓄電池容量的確定應考慮容量差異化配置。

隨著近年經濟的迅速發展，各地市市電質量顯著提高，每月停電次數和時長明顯減少，因此對站內蓄電池容量的確定應綜合考慮站址地理位置、周邊環境、經濟發展情況、市電質量以及移動油機配置情況等因素，可適調整蓄電池備電時間。經計算，對于位于一、二類供電區域的站址，可將蓄電池備電時間確定在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，經計算可采用2組500 Ah的鉛酸蓄電池；對于位于三類供電區域的站址，可將蓄電池備電時間確定在4 h；功耗在50～100 A的基站，經計算可采用2組300 Ah的鉛酸蓄電池[3]。

1.2.2 開關電源

新建機房根據機房屬性、機房類型、預放置設備數量以及設備功耗等，詳細計算設備功率，同時適當考慮一定的冗余度。開關電源的整流模塊可采用n+1(n≥1)的高效模塊配置。以基站機房內的開關電源容量-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）設備的基礎上新增一套5G設備，則配置開關電源電流的計算公式為：

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

1.3 機房制冷方面的設計

新建機房采用標準化機房設計，最優匹配機房結構、設備布放以及空調容量。設備采用面對面/背靠背布放。空調室內機和室外機的布放應按相關規定執行。機房通信設備功耗和制冷量統計表如表3所示。

2 存量機房的優化改造

傳統的設計模式考慮載荷額定需求和載荷極端建設場景，配置容量往往大于實際需求，無論是基站建設成本還是后期運營維護成本，都浪費了網絡資源。

隨著各類通信業務的不斷發展和擴大，巨大的用電量需求給基礎設施建設和運營帶來了空前的壓力，包括能源生產效率偏低、供電設備負荷率偏低、能耗總成本逐年增加以及PUE值居高不下。具體到機房建設，一是機房內設備整體布局不合理，二是機房配電設備超期逾齡運行且效率低下，三是機房交、直流供電設備配置不合理導致設備負荷率低、能耗高，四是機房空調設計不合理，五是機房節能設備利用率低。

表3 機房通信設備功耗和制冷量統計表

2.1 存量機房的外市電引入

采用轉供電方式的基站存在抄表不規范、估算用電、個別電工存在私自改表、基站從業主處取電以及基站電費繳納不直接交到供電局等跑冒滴漏現象，建議改造為直供電方式。

2.2 存量機房的直流系統改造

2.2.1 開關電源機架的改造

表4中，總市電電量的數據通過交流配電箱市電總輸入端獲得，而開關電源電量和空調電量的數據則通過開關電源和空調輸入端的電流互感器獲得。經計算，總市電電量≥開關電源電量+空調電量。之所以出現總市電電量≥開關電源電量+空調電量，主要是由于開關電源效率下降引起的。

表4 某運營商2020年七月基站用電量統計表

目前，各通信運營商現有的基站機房、接入網點、模塊局以及鄉鎮支局的直流供電系統，均采用組合式開關電源供電，涉及型號及廠家有動力源 DZY-48/50B、 艾 默 生 R48-2900U、R48-5800E、華為R4850N、中興ZXD2400、中達DPS3000E、MCS3000D以及珠江PRS3004AP等。由于部分設備在網運行時間較長甚至已經超期運行，設備性能極其不穩定，導致原有設計性能下降、故障率升高以及設備能耗增加等問題。

因此，對于逾齡和運行指標不滿足設計要求的開關電源，在機房條件允許的情況下需更換機架。若受機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上保留原系統的交流主輸入空開、分流器、接觸器、電池熔絲以及直流輸出電纜[4]。

2.2.2 開關電源模塊的改造

目前，各通信運營商現有局站的直流供電系統采用組合式開關電源供電。按照相關技術要求，開關電源的運行效率如下：在滿架負荷情況下，效率≥91%（100%額定負載），效率≥90%（50%額定負載），效率≥86%（20%額定負載）。因此，要達到高效運行，開關電源負載率越高，其效率越高；反之，電源負載率越低，其效率越低。不同運行狀態下的開關電源的運行效率如表5所示。

（1）模塊休眠。根據負載電流大小，比較系統的實配模塊數量和容量，通過動態調整工作整流模塊的數量，使部分模塊處于休眠狀態，把整流模塊調整至最優負載率，降低了系統的帶載損耗和空載損耗，實現節能目的。

（2）高效模塊。它具有能量轉換效率高和自身能量消耗低的特點，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

蓄電的放電時間和運行壽命受基站市電質量、停電次數、機房環境、空調配置以及設備負荷等多方面影響，在不同的機房，同品牌同容量的蓄電池也存在放電電壓和放電時間不一致的問題。表6為5G 典型基站梯次電池配置表。

表5 不同運行狀態下的開關電源的運行效率

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

（2）磷酸鐵鋰電池及梯次電池。鋰電池循環壽命、耐高溫以及高倍率放電等性能優于目前應用在通信基站的鉛酸電池，尤其在市電環境不好的高溫場景和承重達不到設計要求的機房，可通過梯次利用動力鋰電池達到降低通信基站配套設備成本的目的。

表6 5G典型基站梯次電池配置表

2.2.4 多電源系統整合

將站址進行區域劃分，針對各單站點在網通信設備種類多、負荷不同以及電源系統復雜等情況，分析區域內各站址能效消耗指標。當臨近多個基站能源存在盈虧時，核算整體盈虧平衡數據，通過共享互助模式對多個站址進行能源互補，以達到精細管理和降低能耗的目的。

2.3 存量機房的機房制冷系統

2.3.1 更換精密空調

當機房現有空調使用時間長、運行不穩定以及不能為現有設備提供理想的溫濕度環境時，應在考慮機房面積和設備布放的基礎上，核實機房現有設備功耗（同時考慮新增設備的功耗），計算目前機房實際需要的空調容量，新建空調系統。

2.3.2 采用節能設備

（1）新風系統。細化研究現有機房空調系統，可根據機房具體結構和在網設備功耗調整機房設定溫度，確定空調容量，并結合當地氣候條件，利用自然冷源推廣新風系統、風管精確送風、傳統通道封閉以及解耦型通道方案等節能產品，降低運行成本和PUE值。

（2）機房氣流組織優化。在機房空調送風口加裝送風道，將冷風直接送到設備散熱處，改變了氣流組織，解決了機房內局部發熱問題，在達到相同的制冷效果的情況下平均節電率達25%。改造機房發熱量大和局部高溫的機房，在機房選擇時綜合考慮機房和機柜使用率、機房形狀、通信設備和原有空調的安裝位置以及走線架及消防管道是否阻擋等因素。

2.4 存量機房的機房監控系統

機房監控系統應具有能耗分類統計查詢和報表優化等日常管理、機房PUE管理、能耗異常告警、油機發電監控、系統遠程升級、與動環系統以及ERP財務系統對接等功能，以提高能耗管控工作效率，有效降低網絡運維成本。通過完善的監控管理，提高精細化管理水平，及時發現和處置用電量異常站點，加強分專業用電成本核算，支撐全生產場景網絡化改革，促進能耗成本下沉，落實能耗管控責任，持續推進能耗管理智能化和自動化發展。

3 結 論

電源系統是通信系統的重要組成部分，是通信設備正常運行的基本保證。此方案的研究雖不能帶來直接的經濟效益，但有利于加快通信建設，構建高效節能的綠色網絡，落實高效節能建設思路。