基于物联网云平台的机房削峰填谷及空调节能的控制管理策略

刘大洋，张 姣，张 悦，瞿 勇，陈冠文

（1.中国移动通信集团广东有限公司，广东 广州 510623；2.中国移动通信集团广东有限公司东莞分公司，广东 广州 523129）

0 引 言

目前，5G网络规模已处于全球领先地位，5G规模化应用渐入佳境，基站机房的建设规模也逐渐增加，但随之而来的机房高能耗与碳排放问题成为了5G未来发展的最大隐患，大幅度增加的耗电量为运营商带来了前所未有的挑战。空调是机房的耗电大户，如何使用先进的节能技术手段打造低碳化的机房空调系统对5G网络的绿色发展具有重大意义。

1 机房空调能耗现状分析

空调作为机房中主要的配套设备，其能耗以电能为主。机房内的电源设备、发射设备、传输设备等都是较大的发热体，在机房运转过程中，主要依靠空调对其进行散热，确保机房的工作环境温度，保障设备的稳定运行[1]。在一年（取365天）时间里，大部分时间空调均处于运转状态，加上室外低温时段可实现机房散热降温的有利条件被忽视，空调产生的电耗居高不下。

近年来，随着5G基站建设规模的扩大与电力成本的增加，机房能耗呈倍数增长，其中机房空调的电耗占据了50%左右。根据统计数据分析，在机房的总体能耗中，主设备功耗约占49%，空调能耗约占45%，且空调设备功耗在不同季节差异较大，如何减少空调等设备产生的电费是降低机房能耗最有效的途径之一[2]。机房空调能耗占比情况如图1所示。

图1 机房空调能耗占比情况

2 机房空调节能管控策略研究

随着5G基站大规模部署，运营商的机房功耗明显提升。另外，空调能耗部分占机房总功耗的比重高，存在缺乏空调的专项能耗管理以及节能减排的有效手段等问题。同时，电网侧实施分时计量电价，进一步增加了运营商的运维成本。针对这些情况，提出了在通信机房应用场景下开发基于物联网（Internet of Things，IoT）云平台的削峰填谷及空调节能的控制管理策略。

2.1 削峰填谷系统方案

机房削峰填谷系统通过IoT网关以4G无线接入储能锂电池、智能电表设备组网，储能锂电池与管理系统之间需通过安全加密协议进行安全连接。削峰填谷系统通过IoT云平台远程控制管理储能锂电池的充放电，实现削峰填谷电价模板下发、削峰填谷收益呈现、参数配置以及储能北向接口对接功能，支持按设定的分时电价表在峰值电价区间放电以替代市电对站点进行供电，在谷值电价区间使用市电对锂电池进行充电，系统方案框架如图2所示。

图2 机房削峰填谷系统示意图

其中储能锂电池采用双向功率变换技术，集成了电池管理系统（Battery Management System，BMS）与双向直流-直流（Direct Current-Direct Current，DC-DC）模块，具备双向升降压功能，支持与不同的电池混搭使用和恒压放电功能。根据IoT云平台设置的削峰填谷分时策略，远程定时控制调节储能锂电池端的双向电压实现储能锂电池的自主充放电管理。在电价峰时段，将储能电池设置为电源管理恒压放电模式，通过DC-DC电路恒压抬升至比电源柜直流母排电压略微高点的数值，通常根据电源柜的浮充电压1～2 V，从而实现负载供电在峰时段完全或大部分储能。在电价平时段，可以根据平台遥控智能锂电池充电回路断开，设置放电回路电压低于电源柜直流母排电压值，从而达到不充不放的待机状态。在电价谷时段，智能锂电池的充电回路闭合，由于经过白天的峰时放电，电池组整体电压低于直流母排电压，可以正常进行充电，整个削峰填谷过程中，对机房备电不会有太多的环流影响使用寿命。在市电断停时，储能锂电池通过持续监测直流母排电压，当持续下降幅度达到1 V时，IoT云平台会自主判断此时为市电断停，将削峰填谷模式中断，断开充电回路，保持放电回路闭合，并利用铅酸或原有锂电备电接替提供负载备电直至市电恢复正常。

储能锂电池BMS的电源方案采用高效多相交错Buck-Boost（升降压）拓扑，峰值效率最大可超过98.5%，工作模式灵活多变，如图3、图4所示。储能锂电池主用于放电模式：储能锂电池根据电价模型，主动进入升压放电状态。在市电停电时储能锂电池主用优先放电，储能锂电池放电深度可设置，在储能锂电池放电到预设放电深度后下调输出恒压值，转为备用电池放电，在备用电池放电至储能锂电池组较低的恒压电压时，储能锂电再次主用放电，直至储能锂电池低压保护，储能锂电池不再放电，备用电池继续放电。同时，为了利旧机房原有备电，在不新增外置合路器的情况下削峰填谷系统支持新增的储能锂电与站点的铅酸电池、普通锂电池及梯次电池混合使用，包括不同放电功率、不同容量、不同新旧程度以及不同品牌电池混用，可与机房存量电池直接并联使用，满足电池利旧、机房备电平滑扩容的需求[3]。

图3 储能锂电池BMS电源方案（Buck-Boost拓扑）

图4 储能锂电池BMS不同充放电工作模式电源拓扑

2.2 空调节能系统方案

机房空调节能系统通过IoT网关以4G无线接入温度传感器、空调控制器和智能电表等设备进行组网来集中统一管理独立空调，利用节能算法、远程监管等技术为降低机房碳排放提供最直接的手段，系统方案框架如图5所示。

图5 机房节能系统拓扑

结合IoT云平台、人工智能、大数据以及自主控制深度学习等多种融合的人工智能（Artificial Intelligence，AI）空调节能控制，从系统全局出发根据室外气象参数和设备健康状况（空调健康度、空调出力等作为加权影响因子），基于建筑热特性及气候特征等自主学习算法自动调优实现空调加卸协同控制，达到舒适与能耗之间的实时动态平衡[4]。空调智能协调控制技术如图6所示。机房空调节能系统可以通过IoT云平台设置多种节能控制策略，如批量控制（批量进行开关、温度、模式设置）、时段禁用（在过渡季节或要求的时间段禁止使用）、定额控制（设置预授用电额度对达阈值禁用）、定时控制（根据时间段来自动定时空调启动）、温度限制（按照要求限定空调的设置温度）以及联动控制（根据温度和湿度等设置其他策略）。

图6 空调智能协调控制技术

通过IoT云平台实现以下几点：一是空调能耗的统计与分析，包括空调用电统计、空调能耗分析、空调状态查询、空调温度分布以及空调故障分析；二是空调的控制与管理，包括智能舒适度控制、智能协同控制、集中管理控制、天气联动控制以及传感器联动控制等；三是空调的诊断与监督，包括非侵入式故障诊断、空调健康评估、空调用电安全、空调维保情况以及资产管理台账等[5]。

3 应用情况分析

本方案在某地市移动2个5G集中机房站点A和站点B试点应用，在原有机房新增一套智能储能锂电池（具备自主双向升降压调节功能）、空调控制器、智能电表以及物联网网关。通过在物联网云平台开启和关闭削峰填谷和空调节能系统，分别在削峰填谷和空调节能系统均关闭、仅开启削峰填谷系统、削峰填谷和空调节能系统均开启的3种状态下，观察并对比分析2022年5月23日—2022年5月29日站点A的机房每日计量电量和电费情况，具体如表1所示，并对比分析2022年5月27日—2022年5月29日站点B的机房每日计量电量和电费情况，具体如表2所示。

表1 站点A日耗电量和电费对比

表2 站点B日耗电量和电费对比

2022年5月，某地市分时段电价情况如表3所示。

表3 某地市5月份峰谷平时段及对应电价

通过2个站点的试点数据分析，机房节储备一体化能够降低机房耗电量的10%～16.25%，电费下降了41.66%～53.77%。

4 结 论

通过试点数据可得出结论，基于IoT云平台的空调节能控制管理策略，可以使得机房耗电量下降明显，削峰填谷系统可以使得机房电费下降非常明显。机房实施节储备一体化优势为当市电停电后储能电池也能自动起到备电作用从而增加备电时长。综上上述，基于物联网云平台的的机房削峰填谷及空调节能的控制管理策略可考虑作为一个发展的方向和趋势进行长期关注，尤其在广东省、浙江省等沿海地区峰谷电价差大的区域，实施削峰填谷和空调节能系统后的投资回报周期来看有可能会进一步缩短。5G部署导致机房原有市电容量难以满足，采用削峰填谷和空调节能系统后在增加一套储能锂电池作为备电的同时，能够缓解5G机房部署后对市电扩容的压力，一旦能够广泛应用，将对机房节能减排以及电费的运维支出均能产生良好的效果。