通信机房变温度节能的智能控制方法
2012-09-25刘晓春冷柏坤杜久全
刘晓春，冷柏坤，杜久全，杨 瑞
（1.中国电信辽宁分公司；2.中国电信辽宁省朝阳分公司；3.中国电信辽宁省沈阳分公司）
0 引 言
节约能源是人类生存和发展所面临的重要课题，国家“十二五”发展规划明确将节能减排作为今后重点工作。我国通信行业2010年耗电超过300亿度，已经成为一个高耗能行业。各大运营商将通信行业节能减排工作作为重要工作内容。通信企业现已建成110万座移动基站，还有数量庞大的接入网机房。机房（基站）的耗电占了通信行业耗电的大部分。如何降低机房（基站）耗能，也是能否达到节能减排目标的关键工作。
通信机房（基站）的耗能主要是通信设备和基站空调的耗能。据统计，基站空调耗能一般占通信基站耗能的45%左右，有的甚至高达60%以上。为降低机房（基站）的能耗，已开发了通风系统、电池恒温箱系统、热能交换系统等，这些都在一定条件和程度上达到了节能的目的。但在高温季节，也就是机房最需要冷量的时候，只能依靠机房空调制冷。因此从机房安全和投资成本出发，降低空调运行时间是最有效的节能手段。
1 电池充电温度补偿原理
1.1 电池充电温度补偿原理
在电池环境温度偏离25℃时，充电电压要随温度的变化进行相应的调整。充电电压与温度的关系：
即当温度高于25℃时，充电电压要相应地降低；当温度低于25℃时，充电电压要相应地提高。电池充电的温度补偿把温度变化对电池的影响降到最低。
1.2 存在的问题及解决方法
传统机房环境温度为单一、恒定温度，电池充电电压根据补偿原理及机房温度来确定。但在温度补偿系统异常时，充电电压不再与机房温度同步，这就直接对机房的安全运行、电池寿命等带来极大的危害。这也是传统方法不能通过提升机房温度、启动电池充电温度补偿来实现节能的根本原因。
本控制方法将机房温度和电池温度补偿有机地结合起来，在启动温度补偿功能时，监测温度补偿状态，并根据补偿状态，动态调整机房温度。在补偿正常情况下，大幅提升机房温度，实现节能的目的；在补偿异常情况下，降低机房温度，关闭补偿功能，保证网络安全和电池寿命。
2 变温度节能智能控制方法
本控制方法综合电池、电源及空调工作状态及不同阶段，通过智能控制空调实现。
（1）电池充电状态（含电池放电后充电和电池定期均充电）：蓄电池的充电反应是放热反应，当蓄电池处于充电状态下，控制空调保证机房温度在25℃之间，维持到电池充电结束并延长一定时间，直到把充电过程放出的热量散出去。
（2）电池浮充电状态：在浮充状态下，根据电池充电电源温度补偿状态确定机房的环境温度，控制流程如图1，温度补偿判定如图2。
（3）在空调进入送风状态，延时一定时间（送出空调剩余的冷量），关闭空调（待机状态），24小时节约电量约6 k Wh。
（4）在空调长期（1个工作日）待机时，关闭空调电源（停电状态），24小时节约电量约0.7 k Wh。
图1 浮充状态下的机房温度控制流程
图2 温度补偿是否正确判定流程
（5）把机房环境温度区间从原来2℃调整为4℃，一方面，降低压缩机启动次数，降低启动能耗；另一方面，延长压缩机高效工作时的时长，提高空调工作效率。
（6）检测空调运行状态，在空调状态异常后，对错误运行状态纠错，避免浪费。
（7）在双空调基站里，根据基站的环境，智能确定主备机、双机工作还是双机轮换工作。
3 节能试验及效果分析
为测试系统运行状态及节能效果，在8个基站进行了系统安装测试，其中四个基站进行了挂表对比测试，试验温度分别为高温31℃（29－33℃）、中温27℃（25－29℃）和低温25℃。
3.1 温度及空调运行状态变化
根据控制器记录数据分析空调工作状态。数据整理分三个时段：13时～14时，17时30分～18时30分，22时～23时。试验基站环境：活动板房（受日照影响较大），直流66 A，3匹格力柜机空调，艾默生PS40－30／2电源，中兴ZXM－10动环监控系统。
图3 受控及非受控状态3个时间段的温度变化情况
如图3所示，灰色曲线表示空调自控温度变化趋势；黑色、浅灰色曲线表示控制器控制下空调温度变化趋势。随控温方式的变化，温度变化趋势明显改变（自控状态温度上升快下降慢；受控状态温度上升慢下降快）；压缩机的运行、停止规律也明显改变（自控状态运行时间长，停机时间短；受控状态运行时间短，停机时间长短）；从表1数据可以看出，控制器能大大缩短压缩机运行时间并减少能耗。压缩机工作功率2.4 k W，送风功率0.24 k W，待机功率0.04 k W。
表1 受控及非受控状态空调运行时长及24小时耗电量
3.2 电池浮充电电流变化
从表2记录数据看，两种状态下电池充电浮充电流无明显变化。
表2 两种状态下的浮充电流
3.3 节电绝对值及节电率分析
从图4数据分析可以看出：
当T＜26℃时，空调受控比不受控24小时节电（0.24－0.04）＊24＝4.8 k Wh，节电率83.3%。
当26＜T＜33℃，空调受控比不受控24小时节电4.32 k Wh与日均最大节能之间，节电率在83.3%～100%之间。
当33℃＜T时，空调受控比不受控日均节电4.32 k Wh与日均最大节能之间，节电率无法确定。
图4 两种状态的能耗及节电情况
3.4 挂表测试节能结果
挂表测试对比 ：单站节电量700度／月（每月电池浮充电按28天计），年节约电量近5000度（每年4月—10月空调运行）。
3.5 电费台账对比结果
节能试验于7月份进行。从图5两年的电费对比，以及每年1到6月电费变化趋势，明显看出试验的7月已达到了节省电费效果。从表3可以计算出，在节能器控制下，单站月节约电量约570度，年节约电量约4000度。综合以上数据，该系统节能效果明显。
图5 2010年与2011年8个基站月总电费示意图
表3 2010年与2011年8个基站月总电费数值（单位：元）
4 对网络运行与电池寿命的影响
该节能控制系统在7个基站、1个机房（直流负载电流在40 A～120 A之间）试验运行了8个月，网络的各项指标没有明显变化。
本控制系统只在电池浮充电状态、温度补偿补充正常的情况下，才提升机房的温度。根据电池技术及温度补偿原理，电池不会排放任何气体，不会对基站的安全运行带来隐患。
根据表4可以计算出，在温度为31℃，温度补偿正常状态下，对电池寿命影响小于8%。另外，在11月至次年3月空调不运行期间，机房温度很低，启动温度补偿后，还能有效延长电池寿命。
表4 电池寿命与环境温度的关系
对电池来说，浮充电流越大，板栅的腐蚀速度越快，失水也加快，电池寿命相应也降低。但从试验数据看，两种状态下浮充电流无明显变化。
在本控制方法中，在对电池影响极大地充电及均充电过程中，采用的是电池充电的最佳温度，这也就进一步降低了对电池寿命的影响。
5 变温度节能智能控制系统组成及功能
（1）变温度节能智能控制器，如图6所示。
（2）变温度节能智能控制系统以智能空调节能控制器为核心，结合智能控制、嵌入式微控制器、计算机网络等技术，并借助中兴监控的传输网络，实现组网控制。
（3）采用IP方式进行组网。
（4）全年365天自动对空调的状态进行调节控制，且系统除故障和人为停止运行外，会一直起作用。
图6 智能空调节能控制器
（5）可在中心机房对空调的控制参数进行调整和对空调实行人工控制。
（6）可对空调状态进行实时监测，对空调各种原始数据进行记录，并通过对记录数据分析，来判定空调的性能。
（7）可在中心机房远程对控制器进行程序升级。
（8）提供电子电度表接口，可对基站的用电量进行检测记录，实现用电量分析。
（9）不改变现有空调的接线方式和操作方式。
6 与现有节能系统的比较
（1）节能效果好。空调年运行时间越长，节能效果显著。
（2）适应性强。适用于所有安装空调的机房（基站），不受外界条件限制。
（3）设备投资小，当年基本可回收投资。
（4）在设备搬迁或改造时，重新进行安装调试即可。
（5）不影响基站（机房）设备的正常操作和维护。
（6）大大缩短空调运行时间，有效延长了空调寿命。
（7）组网运行，可根据实际需要，扩展功能。
（8）空调智能控制器还能和电池恒温箱、通风设备等现有节能系统有效地结合，以达到更佳的节能效果。
7 结束语
综上所述，通信机房变温度节能的智能控制方法，在电池温度补偿理论基础上，以节能为出发点，从基本的空调控制入手，在保证网络安全的前提下，实现机房节能。该控制方法作为一种全新的节能模式，将彻底地改变传统机房温度的控制模式。
［1］ 中国电信集团公司网络运行维护部，中国电信股份有限公司广州研究院.中国电信电源、空调维护规程［Z］.2005.
［2］ 山东圣阳电源事业有限公司.阀控式密封铅酸蓄电池技术手册［Z］，2007.
［3］ 艾默生网络能源有限公司.PS48100－2／25智能高频开关电源系统技术手册［Z］.资料版本 E1－20022223－C－1.0.
［4］ lvxunke.浮充电压与电池放电深度对UPS铅酸蓄电池使用影响分析［EB／OL］.
