移动通信基站能效评估体系研究

1 引言

随着通信网络的不断发展，4G业务快速普及，数据业务越来越成为人们生活中不可或缺的一部分。在运营商数据流量爆发式增长的同时，也带来了能源成本不断上涨，而与此同时业务收入却并未明显增加，出现了明显的“剪刀差”。

目前，运营商的最大的运营支出是网络能耗，而基站的能耗一般占到整个移动通信网络能耗的60%以上。

因此，向基站能耗要效益的空间广阔，节能减排迫在眉睫。

2 研究思路

PUE是Power Usage Effectiveness的简写，是评价数据中心能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比。

本文引入PUE的概念对移动通信基站的能耗进行分析，其基本定义类同数据中心的定义，具体为：

基站PUE值＝基站总能耗／基站主设备总能耗。

从定义可以看出：

① PUE＞1；

② PUE值越小，表明在同一个基站的主设备功耗条件下，基站总耗电量越小。

本课题搭建了基站能耗监测管理系统，系统原理图如图1。此系统通过在样本基站安装智能电表的方式，分别获取交流侧和直流侧能耗，从而获得站点PUE数据。

图1 基站能耗监测管理系统原理图

3 PUE测试与分析

基站总能耗一般由主设备能耗、传输设备能耗、空调能耗、开关电源能耗、照明能耗构成。

传输设备是移动通信基站必不可少的组成部分，与基站主设备成套配置，并且在整个基站能耗中占比较少，为了便于模型的建立，将传输设备能耗归到主设备能耗之中。

照明设备由于无人值守，平时基本处于关闭状态，照明能耗基本忽略不计。

这样，基站总能耗可以归纳为由主设备能耗、空调能耗、开关电源能耗构成。

定义：PUE空调因子=空调能耗/主设备能耗，PUE电源系统因子=开关电源能耗/主设备能耗，故：

基站PUE值=1+PUE空调因子+PUE电源系统因子

从上面公式可以看出，基站PUE与空调能耗、主设备能耗、开关电源能耗直接相关。

基站主设备能耗主要由机柜能耗和载频能耗组成。机柜能耗主要由控制板、风扇等设备构成，占主设备能耗的10%左右；载频能耗主要由功放、基带处理、电源、模拟电源等构成，占主设备能耗的90%，是基站主设备能耗的主要组成部分，其中以功放的能耗占比最高。

在相同的业务负荷条件下，不同厂家不同型号的基站设备的耗电是不一样的，可以用设备能效来定义基站的能耗效率。

对于同一基站设备，不同业务负荷条件下的基站耗电、设备能效也是不一样的，对于基站PUE的影响也是不一样的。

影响空调能耗的因素较多，主要包括：

（1）空调的能效比：即空调名义制冷量（制热量）与运行功率之比，空调的能效等级分为3级，1级最优。

（2）气候温度：主要指当地环境温度对机房能耗的影响。

（3）机房围护结构：按照房屋结构类型，可以将分为两类：砖混结构机房、彩钢板机房；外界通过机房围护结构与机房内部进行热量交换，砖混结构机房的保温效果要好于彩钢板机房。

（4）空调制冷温度的设定：基站中对温度最敏感的设备，就是阀控式铅酸蓄电池。温度过高会导致蓄电池出现热失控、极板腐蚀加剧等故障，因此要求基站的环境温度不超过30℃。

（5）各类设备产生的热量：对于基站来说，以无线主设备、传输设备产生的热量为主。

开关电源的能效与整流模块的效率有关，目前在网使用的普通高频开关电源整流模块效率一般在90%～95%之间，新型高效整流模块的效率达到96%以上。

由上述分析可知，影响基站能效比（PUE）的因素之间关系如图2所示。

其中：主设备厂家型号、空调能效比、空调制冷温度的设定、整流模块效率在基站建设完成之后就确定了，各类设备产生的热量又是与主设备厂家型号、主设备业务负荷相关的，所以，主设备业务负荷、气候温度、机房围护结构对基站PUE的影响是重点分析对象。

3.1 主设备业务负荷对PUE的影响分析

主设备业务负荷的高低与其直流输入电流有关，主设备业务负荷越高，主设备直流功耗越大，其直流输入电流越大，反之，主设备业务负荷越低，主设备直流功耗越小，其直流输入电流越小。

图2 影响基站能效比（PUE）的因素关系图

主设备直流输入电流可以方便的从开关电源控制显示屏上读取，这里用主设备直流输入电流表征主设备业务负荷的高低。

为了研究主设备直流输入电流与PUE的关系，需要保证研究时间段内基站所处环境的气候温度的相当稳定，故取晚上20:00～次日6:00这段时间作为研究周期，这10个小时时间内，气候温度变化不大，基站业务忙时闲时均包含在内。

选取2018/10/14～2018/10/20一周内晚上20:00 ～次日6:00时间段内站点的数据进行分析，如表1所示。

表1 基站PUE与业务负荷关系表

从上表可以看出，基站忙时出现在20:00-23:00，DC总输出电流最大，基站闲时出现在2:00-6:00，DC总输出电流最小，然后这段时间内PUE基站没有变化，说明主设备业务负荷对PUE影响较小。

3.2 气候温度对PUE的影响分析

取2017年11月～2018年10月12个月的采集数据如表2所示。

表2 基站平均PUE与气候温度关系表

由上面的数据可知，2017年11月～2018年10月气候温度从15～30 ℃之间变化，气候温度越低，PUE值越小。

3.3 机房围护结构对PUE的影响分析

取2017年11月～2018年10月12个月的采集数据如表3所示：

表3 不同围护结构基站PUE对比表

从上表可以看出，砖混结构基站的PUE明显优于彩钢板基站0.10～0.28，优于比例在6%～22%之间。

4 PUE评估模型及应用

根据第3节的分析可知，主设备业务负荷、气候温度、机房围护结构三个因素中，对基站PUE有明显影响的是气候温度、机房围护结构这两个因素。

考虑到基站空调制冷开启门限一般为28 ℃，如果环境温度低于基站温度10～15 ℃，基站内设备产生的热量将可以通过围护结构散发到室外，空调制冷无需开启。据此，将气候环境温度划分为【0，10），【10，20），【20，30】三个区间：

气候环境温度在【20，30】区间时，温度越高，空调需要的制冷输出越多，空调的能耗越大，PUE越高。

气候环境温度在【10，20）区间时，温度越高，空调需要的制冷输出越多，空调的能耗越大，PUE越高；当时当气候温度低于（28-10）=18或者（28-15）=13时，PUE随气候温度增长而增加的速度将变缓。

气候环境温度在【0，10）区间时，这时候空调一般情况下无需开启，PUE随温度的变化将不明显。

在空调不开启的情况，基站PUE将达到理想中的最优值，一般开源电源能耗占基站总能耗的10%左右，并且相当恒定，所以理论上基站PUE的最小值为1/(1-10%)=1.11。

对标数据中心的PUE，一般在1.346～1.441之间，数据中心由于使用了高效率空调、电源、建筑结构设计方面也考虑了节能等因素，其PUE值会优于移动通信基站，可以作为优秀基站PUE的对标参考值。

将PUE划分为1级、2级、3级3个等级，1级最优，2级次之，3级最耗电。得到评估模型如表4所示。

表4 PUE分级评估模型

评估模型中PUE的定义：额定输入电压、电池浮充模式下，基站稳定运行1天的PUE值，温度取当天温度最高值、最低值的平均值。

将建立的PUE评估模型应用在日常的基站管理之中，根据不同的等级制定不同的管理思路：

（1）1级为能效先进值，通信企业需要通过努力，通过节能技术改造和加强节能管理使基站达到能效先进值。

（2）2级为能效准入值，通信企业新建基站应达到准入值。

（3）3级为能效限定值，通信企业基站应达到限定值，否则应进行改造。

当基站的能效达不到管理要求时，可以考虑使用如表5的方法进行改造：

表5 提高基站PUE技术措施建议

节能方案除了需要根据基站的具体情况、技术方案的特性有针对性的引入外，还需要考虑经济效益，分析节能方案的产出投入比=节约电费/投资。

由基站PUE公式：基站PUE值＝总能耗/主设备总能耗，可知：总能耗=主设备总能耗＊基站PUE值。

基站节省能耗=主设备能耗＊（改造前PUE-改造后），主设备能耗在基站总能耗中占60%～70%，故能效提升对于基站的能耗降低效果明显。

假设每基站月耗电5 000 kWh，主设备耗电占基站耗电量比例为65%，其中主设备耗电=5000＊65%=3250 kWh，如果PUE提升1级即0.2，每个基站每月能省电=3250＊0.2=650 kWh。

1个地级市按照2000个物理站点，每度电1.1元估算，全年1个地区PUE提升1级（每级PUE相差0.2），可以节省电费 =650＊12＊2000＊1.1/10000=1716 万元。

5 总结

本文在分析影响基站能效比（PUE）的因素基础上，通过实际基站的测试数据，建立不同场景下的基站能效比（PUE）的典型值的合理区间范围。

本课题选取的样本基站均为室外有机房的宏基站，基站设备均采用-48V供电。故此模型适用范围为室外有机房、有空调的宏基站，室外无机房的宏基站不适用。