信息設(shè)備供電系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

胡先紅

摘要：認(rèn)為降低總體擁有成本（TCO）是信息設(shè)備供電系統(tǒng)發(fā)展的最直接驅(qū)動(dòng)力，高效、節(jié)能、綠色、共享、智能、互聯(lián)是未來(lái)信息設(shè)備供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和特征。能源互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)能源的互聯(lián)共享，減少冗余浪費(fèi)，提高供電可靠性，是未來(lái)各種能源系統(tǒng)的發(fā)展方向。信息設(shè)備供電系統(tǒng)是智能化最高的能源設(shè)備，可能是最先成為能源互聯(lián)網(wǎng)“終端”的設(shè)備。

關(guān)鍵詞：信息設(shè)備供電；高效；節(jié)能；綠色；共享；智能；互聯(lián)；能源互聯(lián)網(wǎng)

在M-ICT時(shí)代，連接無(wú)處不在。高度連接的信息社會(huì)，對(duì)能源的使用要求越來(lái)越高，ICT系統(tǒng)消耗的能源也不斷增加，綠色節(jié)能成為M-ICT時(shí)代的迫切需求，也越來(lái)越得到人們的重視。另一方面，新能源技術(shù)的發(fā)展也為綠色節(jié)能的信息設(shè)備供電提供了有力的支撐。信息設(shè)備供電系統(tǒng)呈現(xiàn)出高效、節(jié)能、綠色、共享、智能、互聯(lián)等特征。

1 高效

高效是指在ICT設(shè)備供電系統(tǒng)中，從能源的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、分配、使用等能效矩陣的各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)能源進(jìn)行高效的轉(zhuǎn)換和利用，各個(gè)環(huán)節(jié)的高效匯集成整個(gè)供電系統(tǒng)的高效。高效意味著在供電系統(tǒng)有著更小的能量損失。

1.1 能源的高效率轉(zhuǎn)換

ICT設(shè)備所直接使用的是5 V、3.3 V等低壓直流，從能源的供給到最終的低壓直流電源之間，有很多的能源轉(zhuǎn)換、分配環(huán)節(jié)。每一個(gè)轉(zhuǎn)換分配環(huán)節(jié)，都存在能量的損失。高效率的電源變換技術(shù)，使得能源在各個(gè)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的損失最小。各種功率變換模塊都在追求更高的轉(zhuǎn)換效率。

（1）通信用電源整流器的（交流220 V轉(zhuǎn)直流48 V）效率，已從92%提升到當(dāng)前主流的96%以上，未來(lái)將進(jìn)一步提升到98%甚至更高。從92%到96%，再到98%，整流器損耗依次降低50%。采用高效率的整流器，能有效降低站點(diǎn)的電能消耗。

（2）通信站點(diǎn)用太陽(yáng)能功率模塊（直流到直流（DC/DC））效率提升到98%以上。

（3）數(shù)據(jù)機(jī)房用不間斷電源（UPS）效率提升到97%以上。

（4）太陽(yáng)能極板光電轉(zhuǎn)換效率不斷提升，例如單晶硅的量產(chǎn)效率達(dá)到20%以上，并且每年提升絕對(duì)值0.3%～0.5%左右。光電轉(zhuǎn)換效率的提升可以提高太陽(yáng)光的利用率，產(chǎn)生更多的電能。

（5）各種能源變換器中輕載下的效率不斷提升，滿足實(shí)際負(fù)載情況下的節(jié)能，通信整流器的最佳效率點(diǎn)出現(xiàn)在50%～80%負(fù)載，30%以上負(fù)載就能實(shí)現(xiàn)很高的效率。

1.2 高效率的能源利用

信息設(shè)備供電除了來(lái)源于公共電網(wǎng)，還來(lái)自于新能源發(fā)電、油機(jī)發(fā)電等。為了降低成本，這些小型發(fā)電設(shè)備的配置容量都非常有限，因此能源的高效利用則成為了很重要的研究?jī)?nèi)容。

（1）最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)，成為太陽(yáng)能、風(fēng)能利用中的普遍需求。太陽(yáng)能功率模塊MPPT效率達(dá)到99%，通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)能或風(fēng)機(jī)的最大輸出功率點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)最大功率的利用，可比傳統(tǒng)控制器增加30%的利用率。

（2）油機(jī)發(fā)電的變頻輸出，可以提高輕載燃油效率。傳統(tǒng)交流油機(jī)，工作在恒定頻率狀態(tài)，在輕載狀態(tài)下，燃油效率較低。通過(guò)采用新型直流油機(jī)，油機(jī)發(fā)電機(jī)工作在變頻狀態(tài)，輸出頻率隨負(fù)載調(diào)整，使得燃油效率有較大提升。

1.3 高效率的供電架構(gòu)

不同的供電架構(gòu)有著不同的能源效率。數(shù)據(jù)流量的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，推動(dòng)了大量的數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，也催生了新型供電架構(gòu)的應(yīng)用，供電架構(gòu)的探討成為互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）機(jī)房供電領(lǐng)域的熱門話題。

（1）高壓直流取代交流UPS供電成為趨勢(shì)[1-2]。高壓直流（HVDC）供電比傳統(tǒng)交流UPS減少了輸出直流電/交流電（DC/AC）逆變、負(fù)載側(cè)的整流環(huán)節(jié)等，供電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，供電效率高。電池直接掛在母線上，可靠性更高。行業(yè)內(nèi)通用的高壓直流有240 V和336 V兩種制式之爭(zhēng)，240 V制式對(duì)目前的交流供電系統(tǒng)兼容性好，主要在中國(guó)國(guó)內(nèi)應(yīng)用；336 V則更為徹底，能夠節(jié)省更多轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，在全球范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)可。無(wú)論哪種制式最終勝出，都會(huì)逐步取代交流UPS而成為數(shù)據(jù)機(jī)房供電的主流，并帶來(lái)供電效率的提升。

（2）市電直供技術(shù)逐步推廣。為進(jìn)一步提升供電效率，減少轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，市電直供主用、高壓直流備用的供電架構(gòu)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。這種架構(gòu)在正常情況下采用市電直接供電，進(jìn)一步提升了供電的效率[3]。

（3）中間總線電壓存在爭(zhēng)論。傳統(tǒng)服務(wù)器采用12 V的中間母線供電架構(gòu)，而傳統(tǒng)通信設(shè)備則采用48 V為供電母線電壓。隨著服務(wù)器的功耗越來(lái)越大，母線電阻的損耗不可忽視，于是出現(xiàn)了采用48 V作為中間母線的供電架構(gòu)，可以大幅降低母線電流。而48 V基本上是人可接觸的安全電壓上限，較好地實(shí)現(xiàn)了效率與安全之間的平衡[4-5]。

2 節(jié)能

節(jié)能主要是指通過(guò)各種節(jié)能措施，在保證信息業(yè)務(wù)可靠性的基礎(chǔ)上，降低信息設(shè)備站點(diǎn)和機(jī)房的能源消耗。隨著節(jié)能減排的要求不斷提高，對(duì)已部署的設(shè)備實(shí)行節(jié)能改造，往往能夠有效降低站點(diǎn)能耗，并降低站點(diǎn)的運(yùn)營(yíng)成本（OPEX）。

2.1 休眠技術(shù)節(jié)能

在信息設(shè)備供電系統(tǒng)中，大多數(shù)都采用模塊化并聯(lián)實(shí)現(xiàn)冗余以保證可靠性，并且為保證最大負(fù)載情況的供電，系統(tǒng)設(shè)備配置都偏大。正常情況下的負(fù)載率一般在20%～40%，并不在電源設(shè)備的最佳工作狀態(tài)。模塊休眠可以根據(jù)負(fù)載的情況關(guān)閉或開啟部分模塊，使剩余模塊以50%～70%負(fù)載率工作在最佳效率狀態(tài)，并讓系統(tǒng)的各模塊輪換進(jìn)行休眠已使得各模塊工作時(shí)間均衡。通信直流電源系統(tǒng)中的整流器休眠技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電4%～10%。模塊化UPS、高壓直流供電系統(tǒng)均可采用模塊休眠技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。在負(fù)載側(cè)，也實(shí)現(xiàn)了根據(jù)用戶量實(shí)現(xiàn)設(shè)備的休眠，大幅減少信息設(shè)備自身的功耗。

2.2 混合供電節(jié)能

在偏遠(yuǎn)無(wú)市電通信站點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)通信，一般采用雙油機(jī)輪換供電，蓄電池浮充備用。在這種情況下，油機(jī)配置都有較大的冗余量以適應(yīng)電池充電、未來(lái)擴(kuò)容等，從而導(dǎo)致正常情況下油機(jī)帶載率低、燃油效率低。通過(guò)改造，可以實(shí)現(xiàn)油機(jī)、電池輪流混合供電，例如油機(jī)工作5 h，給負(fù)載供電的同時(shí)給電池充電；然后油機(jī)停機(jī)，電池放電給負(fù)載供電7 h；然后油機(jī)再工作，如此循環(huán)。采用這種方式，油機(jī)負(fù)載率大幅提升，燃油效率有效提高，油機(jī)工作時(shí)間減少，燃油消耗減少，油機(jī)維護(hù)費(fèi)用也下降[6]。

2.3 熱管理節(jié)能

在傳統(tǒng)的信息設(shè)備機(jī)房，制冷消耗了大約40%電能。一方面，我們可以采用高效、節(jié)能的信息設(shè)備供電系統(tǒng)，以減少機(jī)房設(shè)備的熱量產(chǎn)生；另一方面，可以通過(guò)新型的熱管理技術(shù)，有效降低機(jī)房的制冷耗能[7]。這些新型的熱管理技術(shù)包括：

（1）機(jī)房精確制冷。即改變機(jī)房整體制冷的情況，將冷風(fēng)精確送達(dá)需要冷卻的部件，實(shí)現(xiàn)精確制冷，并通過(guò)空間布局設(shè)計(jì)防止冷熱風(fēng)短路，這樣可以有效降低制冷空調(diào)的耗電量。

（2）分區(qū)制冷。在信息設(shè)備機(jī)房中，不同設(shè)備對(duì)溫度的要求不同。通過(guò)對(duì)不同的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)分區(qū)制冷策略，可以減少制冷的能耗。例如，對(duì)電池單獨(dú)實(shí)現(xiàn)溫控，同時(shí)適當(dāng)調(diào)高機(jī)房的整體溫度，可以有效減少空調(diào)耗能。

（3）戶外機(jī)柜取代機(jī)房。對(duì)于小型站點(diǎn)，采用戶外設(shè)備（含電源系統(tǒng)、基站設(shè)備）取代戶內(nèi)設(shè)備，相比機(jī)房，可有效減少制冷空間，大幅度降低制冷能耗，也能減少機(jī)房占地面積和建設(shè)費(fèi)用。

（4）采用新風(fēng)技術(shù)、自然冷源等散熱技術(shù)。采用新風(fēng)技術(shù)，在室外環(huán)境溫度低、晝夜溫差大、空氣潔凈的地區(qū)，可以有效減少空調(diào)工作時(shí)間。在大型水庫(kù)、湖泊、海邊，可充分利用自然冷源進(jìn)行機(jī)房冷卻，降低機(jī)房制冷能耗。

（5）電能利用率（PUE）被用來(lái)衡量機(jī)房的綠色程度。國(guó)際先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心PUE值能達(dá)到1.1。在通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)各種機(jī)房的PUE值有比較明確的要求[7]。量化的標(biāo)準(zhǔn)將推動(dòng)機(jī)房的能耗降低，PUE值的提高。

3 綠色

綠色是指采用可再生能源、清潔能源取代化石能源為信息設(shè)備供電，以減少站點(diǎn)碳排放。在信息設(shè)備供電的清潔能源中，主要有太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池等。

3.1 太陽(yáng)能綠色供電

隨著太陽(yáng)能發(fā)電的成本近年來(lái)大幅度的降低，太陽(yáng)能供電的經(jīng)濟(jì)性大幅提高。在沒(méi)有市電或市電不穩(wěn)定的站點(diǎn)，太陽(yáng)能供電得到了大量的應(yīng)用；而在市電較好的地方，通過(guò)配置一定的太陽(yáng)能，也能有效減少信息設(shè)備對(duì)市電的消耗[8]。太陽(yáng)能供電將是未來(lái)信息設(shè)備綠色供電的主流。

3.2 風(fēng)光互補(bǔ)混合供電

風(fēng)能和太陽(yáng)能在晝夜、季節(jié)上存在一定程度的互補(bǔ)性，例如白天陽(yáng)光強(qiáng)、風(fēng)弱，晚上無(wú)太陽(yáng)能、風(fēng)大，冬季陽(yáng)光弱、風(fēng)強(qiáng)。在風(fēng)能比較好的地區(qū)，通過(guò)風(fēng)光互補(bǔ)方式給信息設(shè)備站點(diǎn)供電，也得到了較多的應(yīng)用。

3.3 燃料電池綠色供電

燃料電池在通信站點(diǎn)的清潔供電試點(diǎn)越來(lái)越多，但目前燃料電池還是以氫為主要燃料（其他非氫燃料電池也需要最終制備成氫氣進(jìn)入燃料電池），由于成本高、燃料獲取的不便利等特點(diǎn)，燃料電池的供電普及受到了比較大的限制。隨著技術(shù)的成熟和成本的降低，燃料電池將越來(lái)越多地應(yīng)用于信息設(shè)備供電。

4 共享

共享能有效節(jié)省空間、硬件資源，在信息設(shè)備供電系統(tǒng)中，共享在各個(gè)層次展開。

4.1 共享部件

不同功率的整流器（如2 000 W與3 000 W）、不同類型的變換器（如太陽(yáng)能模塊與整流器模塊）在物理和電氣接口實(shí)現(xiàn)兼容，可以共享插箱槽位，減少系統(tǒng)槽位空間。同一變換器，可以兼容交流輸入、直流輸入，以及不同的電壓輸出。同一電源插箱，可以實(shí)現(xiàn)市電、油機(jī)、太陽(yáng)能、風(fēng)能、電池的接入，統(tǒng)一輸出并監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了部件級(jí)的共享，減少了重復(fù)冗余的硬件資源和空間。

4.2 共享機(jī)柜

隨著功率模塊、監(jiān)控單元、電池等功率密度不斷提高，各種不同單元在單機(jī)柜內(nèi)實(shí)現(xiàn)一體化，同時(shí)在部分室外站點(diǎn)，信息設(shè)備與電源設(shè)備共用機(jī)柜，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)站點(diǎn)的一體化，減少了設(shè)備占地空間。

4.3 共享站點(diǎn)

大多數(shù)情況下，通信運(yùn)營(yíng)商在同一站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線2G、3G、4G通信的共享供電。中國(guó)鐵塔公司的成立，意味著中國(guó)國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商將全面進(jìn)入站點(diǎn)共享，包括電源在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施共享。隨著非洲、拉丁美洲的基建運(yùn)營(yíng)商的規(guī)模不斷擴(kuò)大，全球范圍內(nèi)的通信站點(diǎn)共享越來(lái)越多。站點(diǎn)共享能大幅度降低通信運(yùn)營(yíng)商在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)上的費(fèi)用支出。

隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，通信站點(diǎn)與電動(dòng)汽車充電融合的方案也開始實(shí)施，以實(shí)現(xiàn)信息設(shè)備供電與電動(dòng)汽車充電的站點(diǎn)共享。

4.4 共享能源

目前物理地址不同的站點(diǎn)之間還不能實(shí)現(xiàn)能源的共享，每個(gè)站點(diǎn)都需要備用電池、油機(jī)等備電設(shè)備，每個(gè)站點(diǎn)的新能源發(fā)電也是站點(diǎn)內(nèi)部使用。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，未來(lái)不同站點(diǎn)共享備電和供電將成為可能。汽車到電網(wǎng)（V2G）技術(shù)也會(huì)讓電動(dòng)汽車與通信站點(diǎn)共享電池能量。能源的共享可以有效降低各個(gè)站點(diǎn)的備用容量，降低設(shè)備投資，供電可靠性也得以提高。

5 智能

智能化伴隨著信息設(shè)備供電系統(tǒng)的發(fā)展不斷發(fā)展，從早期的站點(diǎn)參數(shù)的監(jiān)控?cái)U(kuò)展到站點(diǎn)的能源數(shù)據(jù)管理，智能化已經(jīng)可以有效降低站點(diǎn)運(yùn)維成本和能源消耗。

（1）智能監(jiān)控。信息設(shè)備供電系統(tǒng)的智能監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)的信息采集、監(jiān)測(cè)、告警和遠(yuǎn)程控制。實(shí)現(xiàn)了站點(diǎn)的無(wú)人值守，維護(hù)成本得以降低。

（2）數(shù)字控制技術(shù)。數(shù)字信號(hào)處理（DSP）數(shù)字控制技術(shù)具有控制靈活、成本低、保密性好、時(shí)間穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在各種功率變換逐漸成為主流。而在復(fù)雜的功率變換系統(tǒng)，必須靠DSP數(shù)字控制技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的變換。

（3）能源數(shù)據(jù)管理。站點(diǎn)的能源數(shù)據(jù)管理除了能夠?qū)崿F(xiàn)站點(diǎn)的設(shè)備監(jiān)控外，還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)預(yù)防性維護(hù)，提醒設(shè)備維護(hù)人員進(jìn)行預(yù)防維護(hù)保養(yǎng)；通過(guò)站點(diǎn)能耗分析，可以實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)能效管理；通過(guò)遠(yuǎn)程讀取設(shè)備資產(chǎn)信息，可以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)資產(chǎn)的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和盤點(diǎn)等資產(chǎn)管理；通過(guò)站點(diǎn)門禁、防盜視頻抓拍等，可以實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)安全管理。

（4）軟件定義。DSP為軟件定義電源奠定了基礎(chǔ)。軟件定義的電源系統(tǒng)逐步出現(xiàn)，可以通過(guò)軟件定義電源的特性，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。隨著功率器件的發(fā)展，四象限器件的出現(xiàn)，更可以同一硬件電路，實(shí)現(xiàn)AC/DC、DC/AC、DC/DC之間的任意功率變換[9]。

（5）自適應(yīng)。產(chǎn)品的智能化可以根據(jù)使用的外部環(huán)境如電網(wǎng)、季節(jié)、天氣、溫度、負(fù)載，調(diào)整電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如輸出電壓、頻率、負(fù)載率、電池充電狀態(tài)等，以使得系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)，減少電能消耗、延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

6 互聯(lián)

當(dāng)前的信息設(shè)備供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，已經(jīng)具備了信息互聯(lián)。隨著新能源的應(yīng)用普及，每個(gè)站點(diǎn)不僅消耗能源，也能產(chǎn)生能源、儲(chǔ)存能源。

新能源站點(diǎn)多余的能源可以實(shí)現(xiàn)供電的互聯(lián)，共享給其他不同物理地址的站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通信站點(diǎn)供電的互聯(lián)共享，并可進(jìn)一步進(jìn)入公用供電網(wǎng)絡(luò)，成為大的能源互聯(lián)網(wǎng)的子網(wǎng)。

信息設(shè)備供電站點(diǎn)的電池除了可以用來(lái)做停電時(shí)給站點(diǎn)設(shè)備供電外，還可以共享給其他站點(diǎn)，也可以作為能源互聯(lián)網(wǎng)削峰填谷、平滑輸出的儲(chǔ)能單元。

能源互聯(lián)網(wǎng)是信息技術(shù)與新能源相結(jié)合的產(chǎn)物，雖然還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義，但智能、開放、互聯(lián)、共享等是能源互聯(lián)網(wǎng)的一些主要特征。能源互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)能源的互聯(lián)共享、峰谷互補(bǔ)，減少冗余浪費(fèi)，提高供電可靠性[10]。信息設(shè)備供電系統(tǒng)是智能化最高的能源設(shè)備，可能是最先成為能源互聯(lián)網(wǎng)“終端”的設(shè)備。

7 結(jié)束語(yǔ)

信息設(shè)備供電系統(tǒng)的發(fā)展往往決定于以下兩個(gè)因素：一是產(chǎn)品的使用者（用戶）的需求變化；二是技術(shù)的發(fā)展。前者是外因，后者是內(nèi)因。降低總擁有成本（TCO）是信息設(shè)備供電系統(tǒng)發(fā)展的最直接的驅(qū)動(dòng)力，高效、節(jié)能、綠色、共享、智能、互聯(lián)最終都能帶來(lái)信息設(shè)備供電系統(tǒng)的TCO降低，各種新材料、新器件、新應(yīng)用技術(shù)為系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。能源互聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)各種能源系統(tǒng)的發(fā)展方向，雖不能準(zhǔn)確定義，不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，但都是朝著這個(gè)方向發(fā)展著。

節(jié)能減排既是企業(yè)利益訴求，也是企業(yè)的社會(huì)責(zé)任。我們將致力于推動(dòng)信息設(shè)備供電系統(tǒng)更為高效、節(jié)能、綠色、共享、智能、互聯(lián)，推動(dòng)信息技術(shù)系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展。

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