核心局站基礎(chǔ)配套運(yùn)營保障優(yōu)化方案

杜志煒

（中國電信廣州分公司，廣東 廣州 510620）

0 引 言

近年來，伴隨著5G、人工智能以及邊緣計(jì)算等新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入快速發(fā)展模式?；A(chǔ)設(shè)施重構(gòu)是運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化、智能化的重要前提。在改造之前，網(wǎng)絡(luò)都是專用設(shè)備，很多都是黑盒組成，相互之間的操作性和可配置性周期較長[1]。將通用設(shè)備加上服務(wù)器承載，然后云化，是運(yùn)營商數(shù)字化、智能化或者項(xiàng)目演進(jìn)最基本的前提。傳統(tǒng)通信機(jī)房需向DC化機(jī)房方向轉(zhuǎn)變，作為數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中的核心基礎(chǔ)設(shè)施——數(shù)據(jù)中心也掀起了建設(shè)的熱潮。無論是改造傳統(tǒng)機(jī)房還是新建數(shù)據(jù)機(jī)房，核心局站基礎(chǔ)配套的機(jī)房面積、機(jī)房承重、高低壓系統(tǒng)、油機(jī)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、開關(guān)電源系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)等方面需要基于當(dāng)前情況做統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一布局[2]。

1 基礎(chǔ)配套運(yùn)營保障優(yōu)化方案

新形勢下，核心局站基礎(chǔ)配套的設(shè)計(jì)要求已有相關(guān)文章進(jìn)行了深入全面的論述，在此不再做全面的分析和論述。本文主要想從運(yùn)營維護(hù)人員的角度，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)房基礎(chǔ)配套存在的缺陷進(jìn)行分析，提出適應(yīng)新形勢下，核心局站機(jī)房基礎(chǔ)配套的優(yōu)化方案。以期能在核心局站基礎(chǔ)配套的升級(jí)換代大潮下，解決運(yùn)維人員多年詬病的機(jī)房配套缺陷，使新技術(shù)新設(shè)備能有更為精準(zhǔn)和有效的應(yīng)用，把工具交到真正會(huì)使用的人手中。

1.1 優(yōu)化方案一：應(yīng)用“非全尺寸”抽屜式開關(guān)備件

核心局站低壓配電系統(tǒng)大量使用了抽屜式開關(guān)柜作為集中控制的配電中心，有較高的可靠性、安全性和互換性。抽屜式開關(guān)是能將電源斷路的斷路器。把斷路器本體置于抽屜座中，就成為抽屜式斷路器。設(shè)計(jì)抽屜式斷路器的目的：其一，更換斷路器方便，當(dāng)正在運(yùn)行的斷路器一旦出現(xiàn)故障損壞，可用備用的斷路器快速替換。這時(shí)只要把損壞的斷路器從抽屜座中搖出，裝上新的斷路器即可，減少了停電時(shí)間；其二，可作為隔離器用。當(dāng)電路或設(shè)備需要檢修時(shí)，為安全隔離起見，把斷路器本體搖出，電路即分?jǐn)喔綦x[3]。

1.1.1 難點(diǎn)分析

抽屜式開關(guān)斷路器的品牌、型號(hào)、種類很多，如果全部都進(jìn)行購置備品備件，其采購成本較高，若不事前準(zhǔn)備備件，在開關(guān)出現(xiàn)故障時(shí)，又可能得不到及時(shí)更換，通過應(yīng)急電纜的駁接，操作較繁瑣和困難，時(shí)間也較長，可能危及供電安全。通過引入“非全尺寸”抽屜開關(guān)的備品備件管理，可以解決這個(gè)矛盾。

1.1.2 改進(jìn)措施

“非全尺寸”和“全尺寸”抽屜開關(guān)的區(qū)別：

（1）配置不同

全尺寸抽屜開關(guān)備件比較好理解，就是規(guī)格型號(hào)性能與在用的開關(guān)完全一致；非全尺寸抽屜開關(guān)備件則是原有在用型號(hào)的簡化版，只保留最簡單的電路接通功能。

（2）功能不同

非全尺寸抽屜開關(guān)對(duì)使用有限制（只能起到臨時(shí)接通電路的作用），只能起到暫時(shí)頂替原開關(guān)的作用。其他保護(hù)性功能和耐用性不需具備。

（3）重量不同

全尺寸抽屜開關(guān)的規(guī)格與原抽屜開關(guān)規(guī)格完全相同，重量比非全尺寸的抽屜開關(guān)要沉重很多。非全尺寸抽屜開關(guān)由于簡化了許多功能，其重量更輕便，應(yīng)急使用更方便。

“非全尺寸”抽屜式開關(guān)的應(yīng)用降低了抽屜式開關(guān)備件的采購成本，提高了故障搶修的時(shí)效性?！胺侨叽纭背閷鲜介_關(guān)只作為應(yīng)急搶修用，搶修完成后仍需盡快采購“全尺寸”產(chǎn)品進(jìn)行更換，保證抽屜式開關(guān)功能性的完整。引入“非全尺寸”的備品備件管理可以擴(kuò)展到其他非常用的備品備件，如空調(diào)系統(tǒng)的止回閥、自動(dòng)清洗器、Y格等，既能減少運(yùn)營成本，又能提高供電供冷的安全性[4]。

1.2 優(yōu)化方案二：應(yīng)用智能列頭柜及監(jiān)測產(chǎn)品提高服務(wù)器供電保障能力及機(jī)柜級(jí)能耗數(shù)據(jù)分析能力

核心機(jī)房末端配電的范圍指從通信電源設(shè)備輸出配電柜輸出端引出至機(jī)架列頭柜，再從列頭柜輸出端引出至機(jī)柜PDU插座端。列頭柜處于這個(gè)“承上啟下”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)于保障機(jī)柜內(nèi)的重要核心設(shè)備正常供電起到關(guān)鍵的作用。

1.2.1 難點(diǎn)分析

由于歷史原因，列頭柜處于動(dòng)力專業(yè)和設(shè)備專業(yè)維護(hù)交接面，以往的功能單一和監(jiān)測內(nèi)容簡單（一般只有列柜總電壓和總電流的數(shù)據(jù)，以及簡單的通斷告警功能），關(guān)鍵保障作用未能正常發(fā)揮。此外，核心IT設(shè)備和服務(wù)器通常供電采用A/B雙路供電模式，如圖1所示。服務(wù)器內(nèi)雙電源模塊其中一個(gè)故障不影響服務(wù)器正常運(yùn)行，但也造成其單一電源模塊故障不易被發(fā)現(xiàn)，造成供電隱患，及時(shí)發(fā)現(xiàn)該隱患，提醒專業(yè)設(shè)備維護(hù)工程師及時(shí)維修，是提高業(yè)務(wù)保障能力的關(guān)鍵[5]。

圖1 列頭柜A/B雙路配電示意

1.2.2 改進(jìn)措施

一方面，機(jī)柜端通過列頭柜配置智能電能儀表、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控單元、通訊接口、單元等元件實(shí)時(shí)監(jiān)測電流、電壓、功率和電量，實(shí)時(shí)顯示每個(gè)機(jī)柜PDU的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)柜的監(jiān)控和能效管理，如圖2所示。可實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警，實(shí)時(shí)監(jiān)控電能質(zhì)量，包括負(fù)載系數(shù)、諧波含量等，所有監(jiān)測參數(shù)將匯集到監(jiān)控總單元模塊，通過開放通訊協(xié)議接口可與機(jī)房綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，可實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)中心機(jī)房運(yùn)營狀況，任何監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)故障，均可在系統(tǒng)顯示界面找到其對(duì)應(yīng)編號(hào)，以便維護(hù)人員迅速作出響應(yīng)，大大減少檢修工作量。

圖2 列頭柜智能監(jiān)測系統(tǒng)

此外，通過A/B雙路PDU供電電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)比對(duì)出服務(wù)器單路電源模塊故障造成的電流變化情況，準(zhǔn)確定位故障服務(wù)器位置，快速排除故障。

另一方面，列柜智能監(jiān)測系統(tǒng)針對(duì)核心機(jī)房末端設(shè)計(jì)，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供電參量信息，并可通過通訊將數(shù)據(jù)上傳到動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)核心機(jī)房的用電情況實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效管理，通過精確計(jì)量單機(jī)柜的用電量，將服務(wù)器和IT設(shè)備的用電精確計(jì)量到機(jī)柜，有利于精確分析機(jī)柜用電能耗與機(jī)柜收入之間的匹配程度，提供經(jīng)營分析依據(jù)，如IDC收入與成本的分析決策；精確計(jì)算效益分?jǐn)偤痛鷫|電費(fèi)成本的回收等。

1.3 優(yōu)化方案三：應(yīng)用低負(fù)荷高效率通信電源優(yōu)化PUE值

對(duì)于影響局站PUE值的電源、空調(diào)兩大基礎(chǔ)設(shè)施而言，雖然空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率提升和能耗減少直接對(duì)PUE值產(chǎn)生影響，但電源系統(tǒng)的能效才是問題的根本，為了保障IT設(shè)備的不間斷供電，電源供電系統(tǒng)必須通過能量轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換效率的低效，伴隨轉(zhuǎn)換熱量的產(chǎn)生加劇了空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，加倍地導(dǎo)致PUE指標(biāo)的攀升。而局站所有營運(yùn)的重要負(fù)載幾乎都是通過通信電源系統(tǒng)（包括UPS、高壓直流和48 V直流系統(tǒng)）來供電的，因此如何進(jìn)一步提高通信電源的工作效率，將是快速改善局站供電系統(tǒng)乃至整個(gè)局站PUE指標(biāo)的核心途徑。

1.3.1 難點(diǎn)分析

因?yàn)橐韵碌脑?一般情況下,通信電源系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)載率通常較低，其中UPS系統(tǒng)比直流系統(tǒng)更低。

（1）超前規(guī)劃

因?yàn)橥ㄐ烹娫聪到y(tǒng)不易改造,機(jī)房在規(guī)劃時(shí)會(huì)考慮到未來3～5年的業(yè)務(wù)擴(kuò)容,常常需要提前規(guī)劃好擴(kuò)容容量的通信電源系統(tǒng)。

（2）冗余配置

為保障可靠性,通信電源系統(tǒng)需要冗余配置,采用N+1或2N的配置。直流系統(tǒng)一般為模塊配置，需要考慮后備電池的充電容量和每10個(gè)模塊增加一個(gè)模塊的冗余配置。UPS系統(tǒng)常采用N+1配置,部分核心負(fù)載甚至采用2N或2（N+1）配置,保證供配電系統(tǒng)任何一條線路出現(xiàn)問題時(shí)都不會(huì)導(dǎo)致負(fù)載掉電。

目前使用的工頻UPS系統(tǒng)工作模式為雙變換在線工作模式，其目的是通過“AC/DC和DC/AC的雙變換”給IT負(fù)載提供穩(wěn)定的凈化電源。但負(fù)載率對(duì)UPS的效率影響很大，一般情況下，UPS的效率會(huì)隨著負(fù)載率的提高而提高,并且會(huì)在負(fù)載率達(dá)到70%時(shí)達(dá)到效率最高點(diǎn)，如圖3所示。然而實(shí)際場景中UPS負(fù)載率無法工作在最佳負(fù)載區(qū)間,對(duì)于2N系統(tǒng)，單機(jī)40%的負(fù)荷率已經(jīng)是算系統(tǒng)滿載了,冗余越高的,負(fù)載率越低,一些機(jī)房UPS負(fù)載率會(huì)低到20%左右甚至存在負(fù)載率極低,導(dǎo)致UPS效率極低的情況，如圖4所示，這導(dǎo)致了能源的極大浪費(fèi)，并降低了整個(gè)局站的PUE指標(biāo)。

圖3 工頻UPS不同負(fù)荷率下的運(yùn)行效率

圖4 不同配置下的負(fù)荷率和運(yùn)行效率

1.3.2 改進(jìn)措施

直流系統(tǒng)無論是傳統(tǒng)的48 V系統(tǒng)還是高壓直流系統(tǒng)，目前均采用模塊式供電，結(jié)合模塊休眠、輪休等技術(shù)，很好地解決了上述問題，在低負(fù)荷情況下，其工作效率可以達(dá)到90%以上。

UPS系統(tǒng)建議參考直流系統(tǒng)的供電模式，工頻機(jī)向高頻塔式機(jī)、高頻模塊化UPS方向發(fā)展，高頻機(jī)和工頻機(jī)區(qū)別如下文所述。

高頻機(jī)：利用高頻開關(guān)技術(shù)，以高頻開關(guān)元件替代整流器和逆變器中工頻變壓器的UPS，體積小、效率高。

工頻機(jī)：采用工頻變壓器作為整流器與逆變器部件的UPS，主要特點(diǎn)是主功率部件穩(wěn)定可靠、過負(fù)荷能力和抗沖擊能力強(qiáng)。

高頻機(jī)的輸入特性指標(biāo)好于工頻機(jī)，不但可以極大地減少對(duì)電網(wǎng)的污染，并且可以減小對(duì)前端柴油發(fā)電機(jī)容量的需求。由于高頻機(jī)采用IGBT整流器技術(shù)和無變壓器設(shè)計(jì)，使高頻機(jī)的效率有所提高，特別是在輕載（50%以下）時(shí)，效率提高更加明顯。相對(duì)地，高頻機(jī)在性能穩(wěn)定性上稍弱于工頻機(jī)。但是由于UPS供電系統(tǒng)配置采取了較多的冗余設(shè)計(jì)，這點(diǎn)穩(wěn)定性的差異是可以覆蓋的。此外，有的UPS推出了ESS高效運(yùn)行模式，其技術(shù)是，正常情況下，UPS運(yùn)行在靜態(tài)旁路回路上，逆變器和整流器處于“休眠”狀態(tài)，能無間斷地從靜態(tài)旁路回切到逆變輸出狀態(tài)。與目前的UPS正常供電模式，兩者的控制邏輯指向相反，切換方向也相反。但其低負(fù)荷情況下的工作效率得到了大幅度的提升，PUE值得到明顯優(yōu)化，如圖5所示。

圖5 不同UPS對(duì)PUE值和運(yùn)行效率的影響

2 結(jié) 論

本文從運(yùn)營維護(hù)人員的視角出發(fā)，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)房基礎(chǔ)配套在關(guān)鍵環(huán)節(jié)的備份應(yīng)急、機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器等核心設(shè)備的用電監(jiān)測、通信電源設(shè)備在低負(fù)荷下的運(yùn)行效率等方面存在的缺陷進(jìn)行分析，在適應(yīng)“云改數(shù)轉(zhuǎn)”形勢下，核心局站機(jī)房基礎(chǔ)配套改造升級(jí)中，就使用“非全尺寸”備品備件的應(yīng)急管理措施、加強(qiáng)機(jī)柜級(jí)的用電監(jiān)測功能以及低負(fù)荷情況下使用高效率通信電源設(shè)備，優(yōu)化局站的PUE值，提出了自己的意見和建議。以期能起到拋磚引玉的作用，激發(fā)同行在核心局站基礎(chǔ)配套的升級(jí)換代大潮下，多多思考，解決運(yùn)維人員多年詬病的機(jī)房配套缺陷問題，使新技術(shù)新設(shè)備找到其更加適配的位置。