低碳基站通信電源設(shè)計(jì)方案探討

齊剛　胡鵬濤

【摘要】? ? 基站通信電源系統(tǒng)節(jié)能和優(yōu)化具有很大的發(fā)展前景，其設(shè)計(jì)方案是對通信系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、持續(xù)運(yùn)行的基礎(chǔ)保障。只有不斷提升低碳基站電源系統(tǒng)數(shù)量，才能夠共同努力實(shí)現(xiàn)未來“碳達(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo)。因此分析基站通信電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，為基站通信電源系統(tǒng)的建設(shè)提供理論參考。

【關(guān)鍵詞】? ? 基站通信電源系統(tǒng)? ? 設(shè)計(jì)方案? ? 低碳

一、概述

近年來隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，各個(gè)層級的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也在發(fā)生著重大的變化，使得各個(gè)層級的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐步向著匯聚層和接入層聚集，這使得匯聚機(jī)房和接入機(jī)房的負(fù)載增大。同時(shí)，匯聚機(jī)房和接入機(jī)房也面臨著設(shè)備數(shù)量增多，空調(diào)數(shù)量加大，導(dǎo)致耗電量逐步提升。但是在匯聚和接入層級的電源系統(tǒng)還處于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

隨著新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展，未來匯聚機(jī)房和接入機(jī)房的能耗也會快速升高，而針對近年來對于“碳達(dá)峰”和“碳中和”的相關(guān)要求，在保障匯聚機(jī)房和接入機(jī)房電源系統(tǒng)穩(wěn)定工作的同時(shí)，需要采用更加節(jié)能、環(huán)保和低碳的電源系統(tǒng)。

因此對于小型機(jī)房通信電源系統(tǒng)的發(fā)展和設(shè)計(jì)方案也面臨著更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)，?；就ㄐ烹娫醋鳛榫W(wǎng)絡(luò)設(shè)備的“心臟”，只有不斷的優(yōu)化基站通信電源的發(fā)展方向和設(shè)計(jì)方案，采用更加安全、清潔和穩(wěn)定的基站電源系統(tǒng)，才能夠保證網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的高速發(fā)展，通信系統(tǒng)有著重要的保障。

二、通信電源系統(tǒng)的發(fā)展

2.1通信電源系統(tǒng)的構(gòu)成

現(xiàn)有的基站通信電源系統(tǒng)主要由電網(wǎng)對其提供基礎(chǔ)能源，通過電力變換設(shè)備轉(zhuǎn)換為所需的電源類型，以滿足各種設(shè)備所需的電壓等級，組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

2.2基站通信電源系統(tǒng)的節(jié)能前景

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，毫無疑問，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著千載難逢的機(jī)遇，但是，數(shù)據(jù)中心高能耗帶來的挑戰(zhàn)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制約因素，建設(shè)節(jié)能、綠色、高效、低碳的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)必將該產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的必經(jīng)之路。但是隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，以及國家近年對數(shù)據(jù)中心的PUE值的相關(guān)要求，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能技術(shù)有了快速的提升。但是對于基站機(jī)房的能耗情況，在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中有著非常重要的左右，只有進(jìn)一步提升基站機(jī)房的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，才能夠進(jìn)一步降低能耗，向著“碳達(dá)峰”和“碳中和”更進(jìn)一步。

各大通信運(yùn)營商在發(fā)展5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的過程中，都在進(jìn)一步提升自有匯聚機(jī)房和接入機(jī)房的數(shù)量，這些機(jī)房將用于提升5G網(wǎng)絡(luò)的接入和匯聚，只有這樣，才能夠保障5G網(wǎng)絡(luò)所帶來的萬物互聯(lián)和數(shù)字化信息的承載[1]。而隨著設(shè)備數(shù)量的增大，相應(yīng)的功耗提升，必然導(dǎo)致耗電量加大，如何在保證機(jī)房設(shè)備用電較為安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，能夠使用更加清潔和低碳的電源系統(tǒng)，將是基站機(jī)房電源系統(tǒng)的發(fā)展方向和研究的重點(diǎn)方向。

現(xiàn)有大量的基站機(jī)房，這些機(jī)房的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都是較為傳統(tǒng)，并且部分電源設(shè)備長時(shí)間超服務(wù)期使用，導(dǎo)致效率較低、故障較多、損耗較大。部分匯聚機(jī)房因電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)問題，導(dǎo)致故障率較高，無法滿足現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行，因此，這就需要對基站機(jī)房的電源系統(tǒng)有一個(gè)更加深入和全面的分析和研究。

現(xiàn)有的低碳節(jié)能技術(shù)首先是對基站通信電源系統(tǒng)的能耗監(jiān)控[2]，這種技術(shù)通過對基站機(jī)房的電源系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，當(dāng)電源系統(tǒng)故障時(shí)，能夠及時(shí)掌握各個(gè)機(jī)房的運(yùn)行狀況，才能夠以最快的速度處理故障。同時(shí)為了降低匯聚機(jī)房和基站機(jī)房的電能消耗，通過對機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造，使用空調(diào)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制技術(shù)，根據(jù)機(jī)房的溫度對基站機(jī)房的空調(diào)進(jìn)行遠(yuǎn)端啟、停，這將帶來一定的節(jié)能效果。針對部分機(jī)房溫度較高，但是能夠滿足改造要求的，進(jìn)行精確送風(fēng)改造，這種技術(shù)能夠降低機(jī)房溫度，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的效果。但是現(xiàn)有的節(jié)能技術(shù)均圍繞著對于現(xiàn)有系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)。在通信電源系統(tǒng)中，電力變換裝置是不可避免的，而各廠家設(shè)備的電力變化裝置效率參差不齊，使得電源系統(tǒng)自身耗能增大。而隨著電源設(shè)備的使用，能耗監(jiān)控系統(tǒng)的能夠?qū)﹄娫聪到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，電源系統(tǒng)的能耗監(jiān)控設(shè)備是不可缺少的單元。要采用低碳環(huán)保的電源系統(tǒng)，只有通過提升電源系統(tǒng)的輸入端，才能夠進(jìn)一步提升節(jié)能效果。

三、基站通信電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展，各大通信運(yùn)營商和企業(yè)對于自有機(jī)房資源建設(shè)的目標(biāo)也逐漸清晰。隨著通信網(wǎng)絡(luò)的不斷演進(jìn)，通信設(shè)備的能源需求也在同步增大，但是電源系統(tǒng)如何滿足基站機(jī)房的使用要求，是基站機(jī)房大力發(fā)展的瓶頸。

各大運(yùn)營商加快了5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，但是針對原有老舊機(jī)房，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)所面臨最大的挑戰(zhàn)是電力系統(tǒng)的建設(shè)[3]。通信設(shè)備能耗增大，使得電力設(shè)備增加，同時(shí)電力機(jī)房面積不足，使得電源系統(tǒng)建設(shè)滯后。在通信電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮新增電力機(jī)房，但是機(jī)房承重?zé)o法滿足電力機(jī)房建設(shè)要求。

3.1老舊基站電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以某重要匯聚機(jī)房電源系統(tǒng)改造方案為例，在建設(shè)方案設(shè)計(jì)初期，通過對匯聚機(jī)房現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，通過分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有機(jī)房面積有限，部分區(qū)域能夠滿足設(shè)備安裝，但是由于承重有限，無法滿足電源系統(tǒng)擴(kuò)容。對電源系統(tǒng)的詳細(xì)負(fù)載情況進(jìn)行了調(diào)研和分析后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有電源系統(tǒng)耗電量較大，整體耗電量超出了設(shè)備用電的40%，導(dǎo)致的主要原因?yàn)椋?/p>

1.部分設(shè)備以退出現(xiàn)網(wǎng)，但是設(shè)備未斷電和拆除，不僅僅占用的空間，同時(shí)造成了大量的電能浪費(fèi)。

2.由于機(jī)房所在位置現(xiàn)有市電經(jīng)常出現(xiàn)短暫性停電，后備蓄電池組長時(shí)間運(yùn)行，致使蓄電池過度使用，并且和其他機(jī)房相比，蓄電池充電用能較高。

3.空調(diào)系統(tǒng)不具備節(jié)能效果，使得空調(diào)系統(tǒng)長時(shí)間高負(fù)載運(yùn)行，致使耗電量增大。

針對此機(jī)房的特殊狀況，通過不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終通過使用太陽能發(fā)電和對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造，提升機(jī)房的用電系統(tǒng)，進(jìn)一步保障機(jī)房運(yùn)行安全，并且降低電能消耗。

首先根據(jù)機(jī)房的停工規(guī)律進(jìn)行摸查，由于市電引入桿路為主干線，檢修時(shí)需停電，同時(shí)無其他市電引接電，并且主要停電時(shí)間為夜間。但是現(xiàn)有蓄電池后備時(shí)間無法滿足停電時(shí)長，故導(dǎo)致故障率上升，用戶端體驗(yàn)感較差。

通過對老舊設(shè)備進(jìn)行了梳理，將無用設(shè)備進(jìn)行了退網(wǎng)下電，該工作結(jié)束后，電源系統(tǒng)的剩余可帶負(fù)載率提升了5%，能夠滿足一部分設(shè)備用電需求。為了保障機(jī)房電源系統(tǒng)不停電的需求，在機(jī)房內(nèi)新增了一臺固定式智能柴油直流發(fā)電機(jī)組，該系統(tǒng)能夠直接為直流負(fù)載提供電能，同時(shí)為蓄電池組充電。并且該發(fā)電機(jī)組具有低噪音、高效率的特點(diǎn)，使用后帶來了明顯的效果。

為了進(jìn)一步提升基站的耗電量，在機(jī)房頂新增了太陽能發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要功能是對蓄電池充電，通過電源系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制器，早晨通過蓄電池組對設(shè)備供電，同時(shí)太陽能發(fā)電系統(tǒng)也為設(shè)備供電。到蓄電池終止放電時(shí)，太陽能發(fā)電系統(tǒng)為蓄電池組充電。夜間申請了谷峰電價(jià)，在部分高電價(jià)時(shí)段由蓄電池組為設(shè)備供電，待低電價(jià)時(shí)段，由市電供電，同時(shí)為蓄電池組進(jìn)行充電。當(dāng)市電停電時(shí)，所有負(fù)載由油機(jī)保障電力需求。針對空調(diào)系統(tǒng)，通過更換壓縮機(jī)潤滑油、更換壓縮機(jī)潤滑油、更換R407C制冷劑，并進(jìn)行了空調(diào)遠(yuǎn)控系統(tǒng)，降低了空調(diào)系統(tǒng)的耗電量。改造后電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.2新建機(jī)房電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在新建基站機(jī)房建設(shè)的規(guī)劃階段，要充分考慮到電源系統(tǒng)的發(fā)展前景[4]。充分開了基站機(jī)房的近期和遠(yuǎn)期使用需求，合理規(guī)劃電源系統(tǒng)，確保新建基站機(jī)房電力機(jī)房資源充足，同時(shí)要對電源類型作合理配置并留有一定的余量。

在具體電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，要充分考慮到電力機(jī)房的未來裝機(jī)規(guī)劃，對此類設(shè)計(jì)方案有以下幾點(diǎn)建議[4]：

1.電力機(jī)房新增的電力設(shè)備要合理規(guī)劃布局，盡可能避免浪費(fèi)電力機(jī)房資源;

2.電力電纜的路由走線要準(zhǔn)確清晰，避免不同建設(shè)時(shí)期的電力電纜相互交叉、堆積;

3.選址和建設(shè)中要提前預(yù)留機(jī)房承重。

在電源設(shè)備的選型中要根據(jù)機(jī)房實(shí)際情況，在前期裝機(jī)中，盡可能的使用同等效果，占地面積較小的設(shè)備，為未來裝機(jī)需求，提供足夠的空間。

四、結(jié)束語

隨著現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)不斷的演進(jìn)，通信運(yùn)營商在不斷的下沉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，使得匯聚機(jī)房和接入機(jī)房的功耗增大，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”遠(yuǎn)期目標(biāo)。本文對基站通信電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，同時(shí)對基站通信電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案提出了幾點(diǎn)建議，并結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)案例進(jìn)行了分析。只有對基站通信電源系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，才能夠在確保通信網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展的前提下，努力實(shí)現(xiàn)低碳、節(jié)能的目的。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]胡鵬濤， 高雅. 面向5G的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程， 2019， 000（006）：P.216-218.

[2]陳向明. 淺談動力環(huán)境監(jiān)控在通信電源系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 中國新通信， 2017（11）.

[3]胡鵬濤， 張斌. 通信不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ——以某省運(yùn)營商機(jī)房配套建設(shè)為例[J]. 信息與電腦， 2017（17）.

[4]胡鵬濤， 齊剛， 高雅. 通信電源系統(tǒng)的發(fā)展和設(shè)計(jì)方案探討[J]. 信息通信， 2020， No.214（10）：194-196.

齊剛 （1993）， 男，碩士， 畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)，專業(yè)是控制工程， 主要從事數(shù)據(jù)中心與通信機(jī)房機(jī)電配套方面的設(shè)計(jì)工作。

胡鵬濤（1989）， 男， 在職碩士， 畢業(yè)于蘭州大學(xué)， 本科所學(xué)專業(yè)是通信工程， 主要從事數(shù)據(jù)中心與通信機(jī)房機(jī)電配套方面的設(shè)計(jì)工作。