国外运营商电源节能技术浅析

    摘要：本文对国外运营商电源节能技术作一些分析和总结，并期望这些节能技术对国内运营商有所启发。

    一、全球运营商面临节能挑战

    由于制造业的转移，欧洲电信运营商能耗位居所有企业之首，平均能源支出占年营业收入的1.1%。2011年，中国三大运营商电费约300亿元人民币，能源支出占年收入的比例平均超过3%，远高于欧洲，因此，较欧洲而言，有很大的节能改进空间。当前节能目标以强度指标为主，要求降低单位业务量能耗，由于个人通信已经基本普及，通信业务量难成继续以几何级数增长，所以节能目标的实现要依赖于总能耗的降低，节能压力凸显。

    二、电源产品节能特性日臻完善

    随着全球节能减排工作不断升级，电源节能技术逐步发展并日益完善，这主要体现在整流模块转换效率不断提升、配电系统损耗大幅度降低、充分利用监控功能提升电源系统整体效率、优化温控系统提高能量利用率等方面。

    (1) 模块整体高效，功率因数、谐波控制和耐温性能提升帮助节能

    整流模块是通信电源的核心部件，也是节能的关键。以无桥PFC为代表的高效拓朴技术大幅度提升整流转换效率，使开关电源效率能够达到96%以上。效率高于96%的整流模块称为高效模块已经成为业界共识。在通信电源行业内，2~4kW功率段整流模块效率最高点普遍可以达到高效水平，并有少数技术领先企业提供1kW以下单相和5kW以上三相高效整流模块，能使全网通信电源全部高效。

    除了通过提升转换效率直接提升电源节能特性，其它有助于节能的指标也有了进展。整流模块谐波控制能力有了显著进步，谐波电流含量从5%以上下降到3.5%以内，实际谐波电流由基波电流的33%下降至27%；得益于先进的有源功率因数校正电路，功率因数提升达到0.99以上，接近实际工作情况的半载功率因数也能达到0.98以上。由于谐波含量低、功率因数高，通信电源前端整个配电系统损耗降低5~10%，同时，也降低了交流输入配电系统配置要求。整流模块高温性能也能帮助节能，一些模块55℃仍能全额输出工作，达到75℃时仍可输出，在热带和亚热带区域的室外电源应用场景中，可用热交换代替空调作为设备柜的温控系统，温控系统能量显著节省。

    (2) 配电系统通过降低柜内、柜间和电缆压降减少能耗

    配电系统是技术进步最慢的环节，但技术不断进步能降低柜内压降。更少的压降就意味着更多的能耗节省，可通过免分流器诊流技术降低10~20mV左右的柜内压降，也可以通过减少铜排搭接的扭排技术进一步减少5~7mV压降，分立式电源采用中部并机技术也能降低5~10mV的柜间压降。在系统设计上，小功率场景采用内置电池的一体化电源，缩短电池电缆长度来降低电缆能量损耗；中大功率电源系统也尝试通过多组机柜内置小容量电池并联方式获得大容量系统，电源相对电池居中设计，使电池到负载的电缆最短，压降最小，损耗最低。

    (3) 监控系统通过模块和电池休眠技术节能，搭建零能耗动环监控

    监控技术发展最快，目前已普遍实现模块休眠技术提升电源系统实际效率。电池休眠是一种新技术，在电网质量较佳的区域自动减少浮充时长以提升电池使用寿命，同时也减少电池浮充时能量损耗。

    远程监控是电源管理的普遍手段，虽然动环监控采用的采集器和通信设备能耗仅为30W左右，但海量站点总体能耗不能小视，100万个站点耗电可达3亿度。集成站点监控功能的电源系统，每站点可以节省20W左右的采集器能耗；利用主设备带内传输通道，每站点能够节省10W左右的通信设备能耗，动环监控能耗接近零。

    (4) 匹配主设备，通过智能温控调度、隔热设计，最小化温控能耗

    在通信网络深度覆盖条件下，室外建站成为主流，室外电源不仅负责供电，还作为站点提供主设备收容空间和环境保障，因此，传统通信电源已经演变为站点电源。温控系统是站点电源关键部件之一，温控系统是否节能极大地影响着站点电源节能特性。

    采用三明治板隔热设计的迷你机房，可以有效防止外部热源对系统的影响，每平方米太阳幅射导入量小于50W；且室外电源白色涂层能将80%可见光反射出去，减少温控系统工作时间。分区温控技术配合耐高温电源系统，将温控能耗聚焦于保护对温度敏感的电池，比传统机房减少50%以上温控能耗。具有温控调度功能的智能热交换和智能直通风系统，在一般环境温度条件下只启动低功耗的直通风或热交换，高温时启动高功耗的空调系统，在保障设备运行环境的同时，相对于单冷空调，室外柜平均降低40%的温控能耗。带加热功能的TEC空调加热能效比超过1.4，比普通加热器节能40%。直流压缩式空调比交流空调提升约0.5的能效比。

    站点电源更注重与主设备的匹配性，包括尺寸、配电、热设计和电磁影响等方面，如风道的匹配可以提升分区温控的精确性。站点电源的匹配概念并非限于室外电源，如带温控功能的室内一体化电源，允许通过提升室内温度设定值的方法实现节能。

    三、节能应用东渐西被

    通信电源节能技术已经很完备，在全球运营商具体应用则各有千秋，还在快速发展。我们从站点新建、现网优化、电源维护和管理等角度来看海外电源节能技术的具体应用情况。

    (1) 优先采用节能产品

    对于新建的通信站点，90%以上海外电信运营商会采用高效电源系统。欧洲、美国和日本等地电网质量好，电池备电时间短，因此运营商会关注负载率指标，并规划电源负载率在70%以上，但对电源模块配置数量相对敏感。在高负载率下，电源实际转换效率接近模块最高效率，不需要启用模块休眠功能。在电网相对较差的区域则已经广泛采用模块休眠功能，提升5%左右的系统转换效率。

    对于新建站点，通过采购自放电率低的电池来降低电池自放电能量损耗，采购高可靠的电源系统降低维护下站的燃油消耗，采购带智能温控功能的迷你机房来降低站点温控能耗。

    (2) 优化在网电源系统与配置

    现网电源以最高效率低于92%的电源模块组成的系统为主，实际效率平均80%~88%。通过投资回报分析，若三年以内可收回成本，旧电源改造方案都会迅速实施；若回收周期3~5年，则会根据财务状况决策。运营商钟爱贴身设计的搬迁方案，最大可能利旧机柜、电池、电缆和配电系统，这样可以帮助缩小投资回报周期。

    除了大规减搬迁改造外，对于特定场景，不同运营商采用不同节能手段。如采用人工减少模块数量提高负载率的方式来提升老旧开关电源效率，从77%提升至82%；备电时间长、低负载率的基站通过开启电源模块休眠功能能平均节电6%左右；对于双路输入的核心机房，通过优化电缆配置，增加主输入电缆线径、减小备用输入电缆线径来降低配电系统损耗，如60kW负载，主用电缆面积翻倍后，每年节电约1000度。

    (3) 优化维护手段节能

    电池是供电系统维护重中之重，测试则是电池维护工作的重要手段，测试的方法是放电，因此导致电池能量被浪费。100%DOD放电测试1000Ah电池，每次浪费电能超过50度。华为电源可以提供电池剩余容量指示功能，计入了运行历史对电池剩余容量数值的影响，可以据此调整电池容量测试要求，减少测试次数以节省电能。利用电源的电池测试功能进行核对性放电测试，可以作为电池容量与性能的参考，且是常用的零损耗电池测试手段。

    通过电源网管的预警功能，将电源系统故障维护纳入到定期维护，不仅提升了维护工作的计划性，而且能有效减少下站维护的燃油消耗，这也也是精细化节能措施组成部分。

    (4)通过管理手段节能

    电源节能需要从管理抓起，发达国家对站点电费都有精确计量，包括只有几百瓦的热点和盲区覆盖站点，因此需要对小型站点的电源也采用高效系统来节能。随着MBB无线宽带快速发展，小功率站点密集覆盖，站点功率越小，系统效率越低。不同运营商通过站点共享使单站功率提升，这不但可以提高电源系统效率，还降低了站点建设投入。站点共享促进了铁塔运营商的发展，铁塔运营商负责建设和维护站点，主要运营成本就是电费，节电驱动力更强，有利于总体节能。

    科学定义站点维护周期，可以合理减少下站带来的燃料消耗。在自然和治安环境允许的条件下，运营商将定期下站维护周期不断延长，甚至长达3~6年，一个覆盖25万平方公里的运营商，每年可节省燃油2万升以上。

    四、节能为轻减排为重

    在发达国家，节能虽然重要，但减排更为关键。由于发电来源不同，同样的功耗，碳排放是不同的。但用电高峰时期购买较清洁能源代价很高，通信电源错峰功能能降低波峰时期电力消耗，提高波谷时段的电能消耗，甚至多用了一些电能，但对减少排放却是有益的。

    由于整个供电系统的配置要匹配最大功率，电源系统的削峰功能有效降低系统最大输入功率，使供电系统包括变压器、柴油发电机、配电柜、电缆、补偿柜等配置容量全部得以降低，可以节省最高可达50%投入，降低全社会的碳排放。可以适当提升供电系统的电压，如核心机房由380V提升至400V，这5%的电压提升带来近10%的配电能量损耗节省。

    高功率密度的电源系统减少了机房占地面积，也减少了设备结构件，一方面降低了温控系统能耗，另一方面节材也是减少了碳排放。

    供电系统过配置增加了投入，也间接增加了碳排放。不同容量电池组采用统一容量的电池单体组合方式，如高达2~36组100AH电池并联，能提供从200AH到3600AH多种容量电池系统，不但使电池备件归一，而且使电池配置能充分接近设计容量，大幅降低过配置设备数量，也是一项节能之举。

    五、电源节能任重道不远

    经过以上对国外电源节能技术剖析，可以发现电源节能技术措施还是很多的。为电源系统规划建设和维护管理团队制定节能减排考核指标，不仅可以强化规划设计环节，而且也有利于将节能特性纳入行业标准和规范，从源头开始节能，并在维护管理环节达到最佳。<