通信核心機樓電源系統存在的問題及對策分析

秦書瑞，鄭小軍，包巴圖

（中電科普天科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

隨著自有業務及第三方租賃業務的增長，5G 核心網、加密虛擬網絡（Secret Private Network，SPN）傳輸網、內容分發網絡（Content Delivery Network，CDN）等設備下沉分公司核心機樓，通信運營商核心機樓動力配套需求持續增加。因此，保障核心機樓電源系統尤為重要，只有電源系統正常工作，才能為設備提供不間斷“能量”供應。

1 核心機樓電源系統組成

通信運營商核心機樓的電源系統主要由交流電源系統、直流電源系統、防雷接地系統以及動力環境監控系統4 部分組成，如圖1 所示。

圖1 通信運營商核心機樓的電源系統

（1）交流電源系統。交流電源系統主要包括3個部分，分別是變配電系統、備用電源系統、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）。當市電發生故障時，UPS 電源將蓄電池直流電轉換為交流電，對設備進行短暫的供應，如果停電的時間比較長，還應啟動備用發電裝置來取代市電。UPS 供電可實現電壓穩定、報警等功能[1]。

（2）直流電源系統。直流電源系統主要由整流器、蓄電池、直流配電屏以及直流/直流變換設備構成，它的作用是將交流電轉換為直流電，給直流通信設備供電并向蓄電池浮充充電。遇到交流電源的突然停電時，由蓄電池向通信設備提供直流不間斷供電。

（3）防雷接地系統。防雷系統由避雷針、接地引下線、接地體、等電位連接、各級浪涌保護器等組成，接地系統由接地體、接地引下線、匯集排、樓層接地排、工作及保護地線組成。

（4）動力環境監控系統。動力環境監控系統由采集設備、網絡傳輸設備、監控系統組成，實現機房動力設備、環境系統的監視與控制[2]。

2 核心機樓電源系統的主要問題

（1）電源設備容量不足。第一，機樓用途的改變。地市的綜合樓建設之初是按照辦公+機房功能進行建設，隨著業務的發展，部分辦公用房通過改造后用作機房，使得用電負荷增加，導致動力機房空間及動力配套設備容量不足。第二，用電設備的改變。用電設備的集成度越來越高，單機架功耗是初期設計功耗的多倍，導致動力機房空間不夠、動力配套設備容量不足，尤其是變壓器及油機容量不足。第三，業務需求增長。隨著自有業務需求及第三方業務的增長，各局房動力配套需求也逐步增加，部分機樓高低壓配電系統、UPS 及開關電源系統負載率偏高，難以滿足后期新增設備的需求，造成網絡安全隱患。

（2）存在安全隱患設備。部分電源設備長期不間斷運行，零部件老化，超期服役，導致運行故障率提高、能耗提升，存在安全隱患。

（3）機房電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值偏高。由于局房設備擺放不合理、制冷系統老舊、能耗高以及氣流組織不合理等因素，導致機房PUE 值高，主要體現在以下3 個方面：一是機房空調系統能耗高，目前機房內配置空調大多為定頻空調，能效較低、耗電量高，且部分空調使用年限長、能效比低，導致機房空調能耗較高；二是室外側散熱不良，部分室外機由于通風不暢，局部進排風溫度較高，造成機房空調始終處于較高的轉速運行，能耗較高；三是機房內氣流組織混亂，早期啟用的機房機柜擺放無序，機房內空調氣流組織較差，導致部分相對發熱較高的機柜散熱效果差，熱點明顯。

（4）裝機空間不足。隨著業務增長，各專業用電設備不斷增加，而老舊設備騰退周期較長，用電負荷不斷增長，導致部分電源設備容量不足，且隨著電源設備數量持續增加，部分機樓已無動力設備新增空間。此外，由于數據中心（Internet Data Center，IDC）業務設備、傳輸設備等單機柜負載大幅度增加，部分地市二樞紐出現業務機房裝機位置較充足但動力機房空間趨近飽和的現象。

（5）土建條件滯后。部分機樓變壓器已經超負荷運行，亟需擴容，但是目前土建還未開始建設，影響動力建設進度，帶來了較大的安全隱患。

（6）電源設備利用率低。部分48 V 直流電源和UPS 交流電源系統的負載率不高，其主要原因為負載不是一步到位，而是根據后期工程逐步新增，導致目前實際單機柜的負載未達初期設計值。

3 問題解決對策

（1）合理預測需求，按需擴容。總用電負荷需求根據各專業自用系統及IDC 設備運行功率、交直流電源系統蓄電池組充電功率、電源系統損耗、空調設備功率及其他建筑設備的負荷進行確定，并考慮用電設備的需要系數、同時系數、無功補償容量等。根據現網資源梳理及用電需求分析，如果現網資源不能滿足需求，則需根據需求提前部署電源設備，按需增加容量。針對部分機樓有擴容需求但是無安裝空間的情況，建議短期內通過“盤活資源”的方法進行解決。

（2）盤活資源、提前布局。重點從以下方面進行：對現有機房設備進行梳理和清退，對部分設備進行搬遷，釋放空間及電力資源，解決部分電源設備超負荷運行的問題，并為后續新增業務預留資源，保證各專業業務的用電需求以及各電源配套設備的正常運行；根據業務情況適時啟用暫未啟用的樓層或機房，為新增動力設備預留空間；應對空間緊張的問題，核實可改造空間的承重條件及可行性，改造現有機房（如活動室或辦公區域），承重改造后作為動力機房使用；提前落實土建情況，由于土建建設周期較長，需提前布局，避免因土建條件不滿足而影響電源配套的建設進度及各專業業務的部署進度。

（3）節能改造，降低PUE。一是從維護管理方面，提升主用空調回風溫度、關閉備用空調，電源設備模塊按需運行，退網設備及時下電；二是采取節能改造手段，綜合考慮區域氣候條件及核心機樓的實際運行情況，充分利用自然冷源，采用間接蒸發冷卻、氟泵、熱管、水冷板式熱交換、引入新風等自然冷源技術，冷熱通道隔離、精確送風、送風地板改造等氣流組織優化手段，同時可配合空調群控系統，智能供冷。

（4）針對存在安全隱患的設備，根據下帶負載的重要性，分批分級更新替換，保障網絡安全穩定運行。

（5）對于長期低負載率運行的電源設備，應提升電源設備負載率，從而提升供電效率。UPS 設備負載率宜為40%～45%，開關電源負載率宜為65%～80%。UPS 設備應采用高頻機或模塊化UPS，-48 V 開關電源系統應采用高效整流模塊。具體解決方案如表1所示。

表1 低負載率設備的解決方案

4 案例分析

本文以北京某公司D 機樓為實例，從3 個方面來著手解決電力供應的困境。

4.1 外市電擴容

核心機房用電受限的結點主要有變壓器、發電機、交直流系統容量，其中最基本的界限是變壓器容量，即外市電容量。D 機樓的變壓器容量不足，亟需擴容。在申請擴建期間，各部門經過方案比選，共同配合，順利通過電力公司審批。經過多部門的通力合作，僅3 個月的時間就完成了項目批復、設計、土建施工、設備的采購安裝調試以及驗收通電等整個過程，順利實現了2臺變壓器的擴容、帶載工作[3]。該項目既保證了已有服務的順利開展，又解決了D 機樓的供電問題。

4.2 優化資源配置

D 機樓最初只承載自有系統業務，但近年來IDC業務增長迅速，IDC 服務器的電能消耗較大，導致D機樓用電緊張。對此，首先梳理該機樓內的業務設備，進行拆分和搬遷，其中一些老舊的電力和空調設備由于長期的使用，已經出現了性能退化、效率降低、散熱不良等現象，不僅安全性和可靠性差，而且消耗的電力也遠高于新設備[4]。在對已投入使用的設備進行綜合評價后，對D 機樓中已超過使用年限的UPS、開關電源即空調進行檢修；對電池和其他的動力裝置進行及時的更換，騰出電能，解決安全問題。

4.3 采用節能新技術

D 機樓使用風冷式制冷系統，外機設于屋頂戶外露臺。因為常規的空調外機面積較大，而屋頂的面積小，空調機的布置緊密，散熱較差[5]。外機長時間的高負載工作，導致大量的電能浪費。同時，在戶外平面已無空間容納新擴建的外機設備，因此迫切需要對空調戶外設備進行改進和優化。最終選擇了“V”形結構的緊湊型空調室外機，克服了“平面型”室外機所占空間大的問題，釋放空間，也改善了散熱效果。

5 結 論

通信運營商核心機樓對電源系統的安全性、可控性及穩定性有較高的要求，通信電源系統運行質量的好壞直接關系到通信網的運行質量和通信安全。應對電源系統存在的問題，必須以業務為導向，進行科學的規劃，以確保核心機樓供電的可靠性、安全性及穩定性。