嚴 瑾，王梓宇，劉 馳，高興旺，劉 絢，陳志江

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

0 引 言

5G網(wǎng)絡具有連接密度高和網(wǎng)絡流量大等特點，隨著5G基站的大規(guī)模建設和投運，對作為基礎承載設施的匯聚機房提出了更高的要求，由于功耗顯著提升，因此機房電源改造成為配套設施建設的重要環(huán)節(jié)[1]。針對傳統(tǒng)電源系統(tǒng)建設成本高、能耗高、運維成本高等特點，提出“融合發(fā)展、動態(tài)匹配”的一體化能源柜解決方案[2]。

1 傳統(tǒng)電源系統(tǒng)在工程實踐中的問題與挑戰(zhàn)

在工程實踐中，傳統(tǒng)電源系統(tǒng)主要面臨的問題和挑戰(zhàn)分別是電池利用率低、建設周期長、空調(diào)散熱及能耗有待優(yōu)化、機房空間布局限制。

1.1 電池利用率低

由于傳統(tǒng)機房電源整流系統(tǒng)按終期需求配置，演進能力差，加上后備電池組中不同廠家、不同容量和不同時間的電池內(nèi)部存在差異形成“木桶效應”，使成組后的電池容量受限，因此工程建設初期電池組一般也是按終期需求配置。在負載真正達到設計需求時，電池的容量或壽命也到了中后期，電池的有效利用時間短，即電源系統(tǒng)還在使用年限中，而電池卻面臨更換。運營商采用的鋰電池對其性能要求一般以使用年限為準，廠家未對電池的循環(huán)壽命提供確切數(shù)據(jù)，電池的使用壽命往往是在考驗當?shù)氐氖须娰|(zhì)量，無形增加了外市電引入的成本。

1.2 建設周期長

機房機電配套涉及的設備包括開關電源、蓄電池、空調(diào)、走線架、綜合機柜以及電纜等，從生產(chǎn)訂單下達、設備到貨、入庫、出庫、上站以及安裝要進行多個供貨商的協(xié)調(diào)，開站周期長，流程較多。

1.3 空調(diào)散熱及能耗有待優(yōu)化

（1）冷量浪費嚴重。機房采用民用空調(diào)，空調(diào)產(chǎn)生的冷量先冷機房、再冷設備，冷量浪費嚴重。

（2）局部熱點限制。出于機柜柜門及柜內(nèi)設備走線的考慮，一個標準的42U機柜一般僅設置6個基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）。在傳統(tǒng)制冷方案下，增加BBU會因柜內(nèi)設備冷熱風互相干擾導致柜內(nèi)局部熱點。

（3）室外機數(shù)量增加。每臺機房空調(diào)對應一臺室外機，為了滿足設備的散熱需求，機房空調(diào)數(shù)量不斷增加，同時也增加了室外機的數(shù)量，使非自建房的室外機安裝難度提升。

（4）空調(diào)能耗高影響機房電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值。傳統(tǒng)空調(diào)為單系統(tǒng)定頻空調(diào)，為了保障柜內(nèi)設備的工作溫度，機房空調(diào)的溫度需設定到20 ℃或16℃，基站的年均PUE通常在1.8左右。通過空調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)設備溫度或環(huán)境溫度自動啟動及待機，基站的年均最佳PUE也大于1.6。在機房設備安裝初期，機房PUE值更高。

1.4 機房空間布局限制

（1）電源設備空間需求大。電源設備分屬不同的供貨商，每個設備均需占用一定的機房空間。傳統(tǒng)機房中，電源及配套設備占用機房面積較多，單位面積負荷密度低。

（2）不同設備混雜。不同電壓等級用電設備需配置不同的電源系統(tǒng)，例如4 V系統(tǒng)、不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）系統(tǒng)。對于特殊的24 V設備或遠供設備，需要增加各種變換裝置。此外，機房的地面或墻上會放置各類小型設備，影響機房美觀與布局。

（3）空間受限。19英寸設備和21英寸設備不能共機柜，當機房空間受限時，無法滿足無線設備與傳輸設備的共柜安裝需求。

（4）布線雜亂。機房走線架眾多，電纜布放雜亂。一旦設備安裝，布線雜亂導致即使退網(wǎng)也輕易不敢拆除，占用有限的柜內(nèi)空間或機房空間。

綜上所述，在實際工程應用中，傳統(tǒng)電源系統(tǒng)在建設成本、使用效率、空間布局以及運行維護上都存在不足，有較大的提升空間。

2 基于一體化能源柜的改造方案優(yōu)勢

為了有效解決匯聚機房中傳統(tǒng)電源系統(tǒng)的實際問題，提出了基于一體化能源柜的機房電源改造方案。一體化能源柜采用了“柔性、智能、高效”的設計理念，通過全模塊化設計實現(xiàn)一柜收容多系統(tǒng)，進而實現(xiàn)一體化建站。

（1）高度集成。6U的設備空間集成了整流、配電、監(jiān)控及新能源的接入，最大容量為675 A，同時滿足不同等級電壓需求。

（2）智能鋰電容量大、效率高、擴展性好。單柜收容電池容量可達1 500 Ah，且電池可以新舊混插、按需建設、按需擴容。同時，智能鋰電獨有的內(nèi)置直流/直流轉(zhuǎn)換器使電池組恒壓輸出，避免了傳統(tǒng)電池組電池在計算容量、保障設備供電及選擇電纜時需考慮的放電終止電壓。

（3）機柜級制冷設備能耗低。采用專門開發(fā)的機柜級制冷方案，冷量全部用于設備的散熱需求[3]。雙系統(tǒng)空調(diào)采用重力熱管和壓縮機制冷，最大程度利用自然冷源。只要環(huán)境溫度低于柜內(nèi)溫度5 ℃，即可采用自然冷源。室外環(huán)境溫度越低，自然冷源利用率越高。變頻技術可以實現(xiàn)按需制冷，使機房PUE降至1.06～1.25。

（4）空間布局合理。機柜與空調(diào)一體化合成，同時室外機采用1托多技術，室外、室內(nèi)占地需求同時減少。一個機柜可以同時安裝19英寸和21英寸設備，供電電纜、電池電纜全部內(nèi)部連接，清晰明了且路由最佳。機房內(nèi)除傳輸設備接入的尾纖槽外，對走線架的需求極少，機房不僅美觀，而且設備安裝、維護清晰方便[4]。

（5）建設周期短，運行維護成本低。設備到貨后，安裝只需0.5～1天，有效縮短建站周期。根據(jù)不同場景的需求，備用型電池循環(huán)壽命800次，循環(huán)型電池壽命3 000次。與運營商對通信不間斷電源合理使用年限要求基本同步，節(jié)省運行維護成本。一體化能源柜方案通過與智慧網(wǎng)管平臺聯(lián)動實現(xiàn)遠程管控，能夠進一步降低運維成本[5]。

3 基于某移動公司2022年匯聚機房需求的成本分析與比較

3.1 某移動公司2022年改造需求

某省移動公司擬在匯聚機房部署光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）、城域網(wǎng)等，為了滿足建設需求，結(jié)合動環(huán)、資管等現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進行分析，已投產(chǎn)機房中有約375個機房不滿足裝機需求，需進行電源配套擴容。此外，436個土建已立項且具備電源建設條件的新機房需進行電源配套建設。電源配套擴容包括市電擴容、開關電源系統(tǒng)擴容、蓄電池組擴容、空調(diào)系統(tǒng)擴容等。電源配套建設內(nèi)容包括機房啟用所必需的外電引入，包括開關電源、蓄電池、配電箱、空調(diào)、走線架以及動環(huán)設備等。針對匯聚機房的電源方案，分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)和一體化能源柜方案進行成本測算，結(jié)果如下文所述。

3.2 傳統(tǒng)電源系統(tǒng)的投資成本

根據(jù)新建機房和擴容機房種類、機房面積的大小，參考最新集采價格標準，得到各類匯聚機房傳統(tǒng)電源系統(tǒng)的投資成本，如表1所示。

表1 匯聚機房采用傳統(tǒng)電源系統(tǒng)的成本分析（單位：萬元）

傳統(tǒng)電源配套建設需占用3～4個標準機柜位置及空調(diào)室內(nèi)機位置，而通信設備安裝機柜還需另考慮機位。此方案配置的機房空調(diào)僅能滿足6 kW設備的散熱需求，并且理想情況下機房PUE最低只能達到1.6。

3.3 基于一體化能源柜的投資成本比較

當采用一體化能源柜方案時，新建機房和擴容機房兩個場景的成本分別計算如下。

3.3.1 新建機房的配套電源系統(tǒng)

按照新建50 m2機房，終期能安裝設備20～25 kW的配置進行投資分析，結(jié)果如表2所示。

表2 新建匯聚機房采用一體化能源柜的成本分析

采用一體化能源柜的方案，初期僅需一個電源柜及2～3個設備柜即能滿足10 kW設備的散熱需求，同時機房的PUE可以降至1.2。一體化能源柜初期建設方案布局如圖1所示。

圖1 一體化能源柜初期建設方案布局

由于設備均在機柜內(nèi)部集成、安裝，不存在設備之間電纜跨接，因此節(jié)省了走線架和電纜，待后期增加擴容電源設備，終期系統(tǒng)投資約為24萬元。

3.3.2 擴容改造機房的配套電源系統(tǒng)

對擴容改造機房采用一體化能源柜，成本計算結(jié)果如表3所示。

表3 擴容改造機房采用一體化能源柜的成本分析

采用節(jié)能柜，同樣3個機柜的空間滿足電源設備、無線設備與傳輸設備的裝機需求，終期系統(tǒng)投資約為11萬元，成本顯著降低。

4 結(jié) 論

綜上所述，與傳統(tǒng)方案對比，一體化能源柜方案具有高密度集成、機柜級制冷、全模塊化設計等優(yōu)勢，能夠匹配網(wǎng)絡演進，一柜收容多系統(tǒng)，從而實現(xiàn)極簡建站。基于某省2022年匯聚機房需求進行了成本比較，一體化能源柜初期投資較傳統(tǒng)方案更少，且節(jié)電、節(jié)能減排效果顯著。