通信核心機(jī)樓電源系統(tǒng)存在的問題及對(duì)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(yè)務(wù)及第三方租賃業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，5G 核心網(wǎng)、加密虛擬網(wǎng)絡(luò)（Secret Private Network，SPN）傳輸網(wǎng)、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network，CDN）等設(shè)備下沉分公司核心機(jī)樓，通信運(yùn)營(yíng)商核心機(jī)樓動(dòng)力配套需求持續(xù)增加。因此，保障核心機(jī)樓電源系統(tǒng)尤為重要，只有電源系統(tǒng)正常工作，才能為設(shè)備提供不間斷“能量”供應(yīng)。

1 核心機(jī)樓電源系統(tǒng)組成

通信運(yùn)營(yíng)商核心機(jī)樓的電源系統(tǒng)主要由交流電源系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)以及動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)4 部分組成，如圖1 所示。

圖1 通信運(yùn)營(yíng)商核心機(jī)樓的電源系統(tǒng)

（1）交流電源系統(tǒng)。交流電源系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分，分別是變配電系統(tǒng)、備用電源系統(tǒng)、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）。當(dāng)市電發(fā)生故障時(shí)，UPS 電源將蓄電池直流電轉(zhuǎn)換為交流電，對(duì)設(shè)備進(jìn)行短暫的供應(yīng)，如果停電的時(shí)間比較長(zhǎng)，還應(yīng)啟動(dòng)備用發(fā)電裝置來取代市電。UPS 供電可實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定、報(bào)警等功能[1]。

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

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

（4）動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由采集設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)機(jī)房動(dòng)力設(shè)備、環(huán)境系統(tǒng)的監(jiān)視與控制[2]。

2 核心機(jī)樓電源系統(tǒng)的主要問題

（1）電源設(shè)備容量不足。第一，機(jī)樓用途的改變。地市的綜合樓建設(shè)之初是按照辦公+機(jī)房功能進(jìn)行建設(shè)，隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，部分辦公用房通過改造后用作機(jī)房，使得用電負(fù)荷增加，導(dǎo)致動(dòng)力機(jī)房空間及動(dòng)力配套設(shè)備容量不足。第二，用電設(shè)備的改變。用電設(shè)備的集成度越來越高，單機(jī)架功耗是初期設(shè)計(jì)功耗的多倍，導(dǎo)致動(dòng)力機(jī)房空間不夠、動(dòng)力配套設(shè)備容量不足，尤其是變壓器及油機(jī)容量不足。第三，業(yè)務(wù)需求增長(zhǎng)。隨著自有業(yè)務(wù)需求及第三方業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，各局房動(dòng)力配套需求也逐步增加，部分機(jī)樓高低壓配電系統(tǒng)、UPS 及開關(guān)電源系統(tǒng)負(fù)載率偏高，難以滿足后期新增設(shè)備的需求，造成網(wǎng)絡(luò)安全隱患。

（2）存在安全隱患設(shè)備。部分電源設(shè)備長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行，零部件老化，超期服役，導(dǎo)致運(yùn)行故障率提高、能耗提升，存在安全隱患。

（3）機(jī)房電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值偏高。由于局房設(shè)備擺放不合理、制冷系統(tǒng)老舊、能耗高以及氣流組織不合理等因素，導(dǎo)致機(jī)房PUE 值高，主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面：一是機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)能耗高，目前機(jī)房?jī)?nèi)配置空調(diào)大多為定頻空調(diào)，能效較低、耗電量高，且部分空調(diào)使用年限長(zhǎng)、能效比低，導(dǎo)致機(jī)房空調(diào)能耗較高；二是室外側(cè)散熱不良，部分室外機(jī)由于通風(fēng)不暢，局部進(jìn)排風(fēng)溫度較高，造成機(jī)房空調(diào)始終處于較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，能耗較高；三是機(jī)房?jī)?nèi)氣流組織混亂，早期啟用的機(jī)房機(jī)柜擺放無序，機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)氣流組織較差，導(dǎo)致部分相對(duì)發(fā)熱較高的機(jī)柜散熱效果差，熱點(diǎn)明顯。

（4）裝機(jī)空間不足。隨著業(yè)務(wù)增長(zhǎng)，各專業(yè)用電設(shè)備不斷增加，而老舊設(shè)備騰退周期較長(zhǎng)，用電負(fù)荷不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致部分電源設(shè)備容量不足，且隨著電源設(shè)備數(shù)量持續(xù)增加，部分機(jī)樓已無動(dòng)力設(shè)備新增空間。此外，由于數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）業(yè)務(wù)設(shè)備、傳輸設(shè)備等單機(jī)柜負(fù)載大幅度增加，部分地市二樞紐出現(xiàn)業(yè)務(wù)機(jī)房裝機(jī)位置較充足但動(dòng)力機(jī)房空間趨近飽和的現(xiàn)象。

（5）土建條件滯后。部分機(jī)樓變壓器已經(jīng)超負(fù)荷運(yùn)行，亟需擴(kuò)容，但是目前土建還未開始建設(shè)，影響動(dòng)力建設(shè)進(jìn)度，帶來了較大的安全隱患。

（6）電源設(shè)備利用率低。部分48 V 直流電源和UPS 交流電源系統(tǒng)的負(fù)載率不高，其主要原因?yàn)樨?fù)載不是一步到位，而是根據(jù)后期工程逐步新增，導(dǎo)致目前實(shí)際單機(jī)柜的負(fù)載未達(dá)初期設(shè)計(jì)值。

3 問題解決對(duì)策

（1）合理預(yù)測(cè)需求，按需擴(kuò)容。總用電負(fù)荷需求根據(jù)各專業(yè)自用系統(tǒng)及IDC 設(shè)備運(yùn)行功率、交直流電源系統(tǒng)蓄電池組充電功率、電源系統(tǒng)損耗、空調(diào)設(shè)備功率及其他建筑設(shè)備的負(fù)荷進(jìn)行確定，并考慮用電設(shè)備的需要系數(shù)、同時(shí)系數(shù)、無功補(bǔ)償容量等。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)資源梳理及用電需求分析，如果現(xiàn)網(wǎng)資源不能滿足需求，則需根據(jù)需求提前部署電源設(shè)備，按需增加容量。針對(duì)部分機(jī)樓有擴(kuò)容需求但是無安裝空間的情況，建議短期內(nèi)通過“盤活資源”的方法進(jìn)行解決。

（2）盤活資源、提前布局。重點(diǎn)從以下方面進(jìn)行：對(duì)現(xiàn)有機(jī)房設(shè)備進(jìn)行梳理和清退，對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行搬遷，釋放空間及電力資源，解決部分電源設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行的問題，并為后續(xù)新增業(yè)務(wù)預(yù)留資源，保證各專業(yè)業(yè)務(wù)的用電需求以及各電源配套設(shè)備的正常運(yùn)行；根據(jù)業(yè)務(wù)情況適時(shí)啟用暫未啟用的樓層或機(jī)房，為新增動(dòng)力設(shè)備預(yù)留空間；應(yīng)對(duì)空間緊張的問題，核實(shí)可改造空間的承重條件及可行性，改造現(xiàn)有機(jī)房（如活動(dòng)室或辦公區(qū)域），承重改造后作為動(dòng)力機(jī)房使用；提前落實(shí)土建情況，由于土建建設(shè)周期較長(zhǎng)，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(shè)進(jìn)度及各專業(yè)業(yè)務(wù)的部署進(jìn)度。

（3）節(jié)能改造，降低PUE。一是從維護(hù)管理方面，提升主用空調(diào)回風(fēng)溫度、關(guān)閉備用空調(diào)，電源設(shè)備模塊按需運(yùn)行，退網(wǎng)設(shè)備及時(shí)下電；二是采取節(jié)能改造手段，綜合考慮區(qū)域氣候條件及核心機(jī)樓的實(shí)際運(yùn)行情況，充分利用自然冷源，采用間接蒸發(fā)冷卻、氟泵、熱管、水冷板式熱交換、引入新風(fēng)等自然冷源技術(shù)，冷熱通道隔離、精確送風(fēng)、送風(fēng)地板改造等氣流組織優(yōu)化手段，同時(shí)可配合空調(diào)群控系統(tǒng)，智能供冷。

（4）針對(duì)存在安全隱患的設(shè)備，根據(jù)下帶負(fù)載的重要性，分批分級(jí)更新替換，保障網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）對(duì)于長(zhǎng)期低負(fù)載率運(yùn)行的電源設(shè)備，應(yīng)提升電源設(shè)備負(fù)載率，從而提升供電效率。UPS 設(shè)備負(fù)載率宜為40%～45%，開關(guān)電源負(fù)載率宜為65%～80%。UPS 設(shè)備應(yīng)采用高頻機(jī)或模塊化UPS，-48 V 開關(guān)電源系統(tǒng)應(yīng)采用高效整流模塊。具體解決方案如表1所示。

表1 低負(fù)載率設(shè)備的解決方案

4 案例分析

本文以北京某公司D 機(jī)樓為實(shí)例，從3 個(gè)方面來著手解決電力供應(yīng)的困境。

4.1 外市電擴(kuò)容

核心機(jī)房用電受限的結(jié)點(diǎn)主要有變壓器、發(fā)電機(jī)、交直流系統(tǒng)容量，其中最基本的界限是變壓器容量，即外市電容量。D 機(jī)樓的變壓器容量不足，亟需擴(kuò)容。在申請(qǐng)擴(kuò)建期間，各部門經(jīng)過方案比選，共同配合，順利通過電力公司審批。經(jīng)過多部門的通力合作，僅3 個(gè)月的時(shí)間就完成了項(xiàng)目批復(fù)、設(shè)計(jì)、土建施工、設(shè)備的采購安裝調(diào)試以及驗(yàn)收通電等整個(gè)過程，順利實(shí)現(xiàn)了2臺(tái)變壓器的擴(kuò)容、帶載工作[3]。該項(xiàng)目既保證了已有服務(wù)的順利開展，又解決了D 機(jī)樓的供電問題。

4.2 優(yōu)化資源配置

D 機(jī)樓最初只承載自有系統(tǒng)業(yè)務(wù)，但近年來IDC業(yè)務(wù)增長(zhǎng)迅速，IDC 服務(wù)器的電能消耗較大，導(dǎo)致D機(jī)樓用電緊張。對(duì)此，首先梳理該機(jī)樓內(nèi)的業(yè)務(wù)設(shè)備，進(jìn)行拆分和搬遷，其中一些老舊的電力和空調(diào)設(shè)備由于長(zhǎng)期的使用，已經(jīng)出現(xiàn)了性能退化、效率降低、散熱不良等現(xiàn)象，不僅安全性和可靠性差，而且消耗的電力也遠(yuǎn)高于新設(shè)備[4]。在對(duì)已投入使用的設(shè)備進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)后，對(duì)D 機(jī)樓中已超過使用年限的UPS、開關(guān)電源即空調(diào)進(jìn)行檢修；對(duì)電池和其他的動(dòng)力裝置進(jìn)行及時(shí)的更換，騰出電能，解決安全問題。

4.3 采用節(jié)能新技術(shù)

D 機(jī)樓使用風(fēng)冷式制冷系統(tǒng)，外機(jī)設(shè)于屋頂戶外露臺(tái)。因?yàn)槌Ｒ?guī)的空調(diào)外機(jī)面積較大，而屋頂?shù)拿娣e小，空調(diào)機(jī)的布置緊密，散熱較差[5]。外機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的高負(fù)載工作，導(dǎo)致大量的電能浪費(fèi)。同時(shí)，在戶外平面已無空間容納新擴(kuò)建的外機(jī)設(shè)備，因此迫切需要對(duì)空調(diào)戶外設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。最終選擇了“V”形結(jié)構(gòu)的緊湊型空調(diào)室外機(jī)，克服了“平面型”室外機(jī)所占空間大的問題，釋放空間，也改善了散熱效果。

5 結(jié) 論

通信運(yùn)營(yíng)商核心機(jī)樓對(duì)電源系統(tǒng)的安全性、可控性及穩(wěn)定性有較高的要求，通信電源系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到通信網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量和通信安全。應(yīng)對(duì)電源系統(tǒng)存在的問題，必須以業(yè)務(wù)為導(dǎo)向，進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃，以確保核心機(jī)樓供電的可靠性、安全性及穩(wěn)定性。