5G电源设计降本增效措施研究

李媛媛

（中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，山东 济南 250000）

0 引 言

通信电源系统的降本增效是一个比较复杂又有些相互矛盾的问题，需要从资本性支出（Capital Expenditure，CAPEX）、运营成本（Operating Expense，OPEX）、供电系统的安全性与可靠性等方面综合考虑。随着5G核心网的建设和核心网设备网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV），网络架构布局逐步向“大区中心节点”和“边缘节点”演进，大区中心节点主要部署在数据中心及省级机房楼[1]。边缘节点机房以本地网或本地网区域中心为单位集中设置，涉及地市核心机房、传输重要汇聚机房、传输普通汇聚机房以及传输业务汇聚机房。而5G通信技术采用功耗较大的3 GHz及以上毫米波，使得无线接入网组网方式演进为密集部署微基站，能够满足空间覆盖和容量提升需求[2]。

1 核心机房

根据5G核心网建设思路，5G核心网控制面设备设置在省数据中心或大区数据中心，用户面设备下沉到地市，并且都采用虚拟化方式部署。目前，针对5G设备建设的核心机房条件两极分化。近年来建设的数据中心情况较好，但其他机房因单点百架级的建设需求，大部分需要通过老旧退网或云化迁移后清理传统设备并腾退机房，5G供电系统面临诸多问题，具体如下。

一是高低压配电系统大部分一直处于资源紧张状态，无法满足5G核心网中高功耗、高密度的用电需求。二是5G老旧核心机房楼运行中，随着设备单机柜功耗的逐年提升，原规划高低压供电系统已无法支撑新设备的增长，设备发展与供电发展不成比例，且面临空间、承重及外围电网容量等多重限制因素。三是设备用电系统日益庞大，电费支出在网络运营支出中所占的比例逐渐提高[3]。

面对以上供电难点，实现老旧核心机房5G电源建设降本增效的关键点就是充分利用现有资源，通过设备割接等方案实现现有资源整合。通过整合机房空间，腾出空间用于通信设备和电源设备的安装，避免新机房的扩建，实现了降本。整合电源资源，避免因后端用电设备分配不均导致的资源浪费，同时保证新增电源设备可以按照最小容量配置，实现了电源建设投入的降本[4]。与此同时，随着不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）、开关电源等动力设备的更新替换升级，可以开展小部分的电源资源整合，释放部分供电容量。电源设备的智能化、数字化是核心机房供电的发展优势，通过新技术、新产品及新理念的应用，减少供电设备自身的消耗。构建完善的监控系统，实现实时有效的电能数据分析。针对耗电量异常的机房进行重点分析，避免用电浪费。

老旧核心机房楼电源改造是通信行业发展不可避免的问题，充分利用好老旧核心机房是降本增效的一个重大议题。总结提炼了针对老旧核心机房楼电源改造的降本增效措施，重在盘活现有资源。从CAPEX、OPEX方面来看，整合资源投资大、风险高，但带来的是核心机房楼的可持续发展，智能化、数字化电源的发展将大大降低维护成本；从供电系统的安全性与可靠性方面来看，通过设备升级整合更及时、更详细地监控系统配置，有助于排查隐患，使得供电系统安全稳定运行。

2 重要汇聚机房

重要汇聚机房一般位于区县中心地域及个别大型城市的郊区，承担核心网转发面、数据承载网宽带远程接入服务器（Broadband Remote Access Server，BRAS）、内容分发网络（Content Delivery Network，CDN）等的设备下沉部署需求，后续在5G工程中会承载边缘计算设备等。机房内设备越来越多，但缺乏核心机房规划及后期专业管理[5]。

考虑省内建设现状，根据传输机房规划及建设指导意见，一般重要汇聚机房分为两类，分别是机房与办公同局址的综合楼和纯机房。在这两个分类的基础上，总结了一套考虑全面的供电结构类型。以应用于机房与办公同局址的综合楼为研究对象，考虑设置非保障配电柜，综合楼办公等非保障用电在该柜内取电。同时为保障操作安全，该柜体内设置空开连接至保障配电柜自动转换开关（Automatic Transfer Switching，ATS）上，与柴油发电机相互切换。

为了满足机房用电安全并实现分散供电，在机房内配置了1台机房用低压配电柜，开关电源及空调等设备从此处取电。在供电系统中设置了应急接口箱，并结合柴油发电车实际配置在箱体内安装3个接口，方便小容量柴油发电车接入并安全运行。在实际供电结构配置过程中，根据项目的个性化需要选取供电结构中的部分内容进行细节优化，提升局址的供电能力。

根据以上对供电结构的分析，总结提炼了重要汇聚节点机房机电扩容配置场景，优化了供电结构，形成了模式化方案，进而为设备套结构式订货的实现奠定了基础。针对柴油发电机众多可选配件，对地市项目经理电源专业知识提出了较高的要求，很容易出现漏订、多订的情况，进而产生不必要的投资，同时影响项目进度。通过与采购部合作对柴油发电机配件进行了删选，以模块概念为基础，采用套结构的方式固定了部分常用的配件，限定最大配置，给出建议配置，形成了常用配置结构体系。受区县机房不规整性及面积限制，室外箱式变电站及室外柴油发电机组的应用成为解决高低压室面积严重不足的最优方案，但室外箱式变电站在集采目录中不存在，导致在后期使用配置过程中规格差异较大。同样，结合设备布置情况及未来发展规划固定箱变内配置结构，方便后期设计及订货使用。

针对核心汇聚机房的发展特征及供电需求，形成了模板型供电结构方案。针对设备配件的复杂性，提出并实现了套结构订货方式。通过供电结构总结式优化和套结构式订货结构的配合使用，设计针对重要汇聚机房的降本增效措施。从CAPEX、OPEX方面来看，充分考虑未来机房发展，避免了机房的多次投入建设，同时节省了设备订货沟通所需的大量时间，侧面提高了工程建设效率和建设质量，有效减少成本；从供电系统的安全性与可靠性方面来看，通过应急接口箱的配置及合理型号断路器的设置，充分保障了供电系统的安全性和可靠性。

3 其他机房

5G新增功耗对站点整个供电系统提出了挑战，在5G供电建设中难点重重。首先，需要建设更多的站点，建设周期长。传统基站动力配套建设需要进行开关电源、蓄电池、升压模块等多种设备的订货、到货、安装等内容，需要耗费大量的时间和精力。其次，现有基站空间受限，传统电源无法扩容。省内存在大量基站空间紧张，扩建5G设备后对电源、蓄电池的需求增加，但机房面积不支持配套设备扩容。再次，5G设备耗电量大，电费支出大幅增加。5G基站设备功耗约为4G设备功耗的3～4倍，造成电费大幅增长，根据业务需要可选择关断5G高功耗设备亟待解决。最后，线损压降大、夏季用电高峰市电引入电压下降等因素明显影响通信设备的正常运行。高功率有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）在拉远时线损压降大，AAU无法正常运行。在夏季用电高峰期，市电引入电压下降明显，通信设备频繁断电。

5G基站一体化能源机柜将电源、电池集成在1个机柜内，同时还能安装主设备，基于能源多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MINO）理念为5G基站供电提供了按需投资、智能运维、高效运营的电源解决方案。5G基站一体化能源机柜适用场景如下。

（1）快速建站需求场景。一体化能源机柜集成MIMO电源插框、蓄电池、主设备安装空间为一体，集成度高，一个月内可到货安装并调测入网。

（2）机房空间受限场景。一体化能源机柜集成度高，特别适用于空间受限场合。通过1个机柜安装即可解决电源、电池扩容问题，并提供主设备安装空间。

（3）自动远程上下电需求场景。一体化能源机柜的远程上下电功能可以实现负载的自动上下电，根据业务需要灵活配置上电、下电策略，在业务闲时关闭高功耗设备，节省电费支出。通过策略配置，利用峰谷电价差来实现降本增效。

（4）远程升压供电需求场景。一体化能源机柜自带升压功能，避免AAU配置升压电源模块，降低工程复杂度并减少投资。

（5）机房新增负载后原有电源系统/电池容量不足场景。机房新增负载后，原有电源系统/电池容量不足，需要更换更高容量的电源系统/电池，投资多且建设周期长。采用原有电源系统保持不变，新增一体化能源机柜弥补不足的电源容量，可以减少投资、快速入网。

（6）机房新增负载后原有外市电容量不足场景。机房新增负载后，原有外市电容量不足，需要扩容市电引入，导致另选站址建设、建设周期长。采用新增一体化能源机柜，通过开启智能削峰填谷弥补不足的外市电容量，新增网元可快速入网。

（7）夏季用电高峰期交流引入电压下降明显场景。夏季用电高峰期交流引入电压下降明显，通信设备频繁断电，景区潮汐效应明显，通信设备全天候供电，造成高额电费支出。采用一体化能源机柜，能适应85～300 V的输入电压，有效解决夏季用电高峰期电压不稳造成的设备断电问题。此外，灵活配置上下电策略，通过配置自动上下电策略与削峰填谷策略节省电费支出，实现降本增效。

根据主设备项目需求，本工程新增14台服务器。根据现有机柜内的设备安装情况，需要新增1台机柜，用于安装新增服务器。机房内现有UPS容量为30 kVA/27 kW，按照90%负荷上限计算，可承载24.3 kW负荷。配置2组100 Ah蓄电池，满负荷后蓄电池可维持约55 min后备时间。目前A、B、C三相每相可承载负荷约为2.5 kW、3.1 kW、4.3 kW，总计约9.9 kW。本期工程预计新增负荷约11 kW，现有UPS无法满足全部设备的供电需求。

按照传统的建设思路，目前西机房的条件已无法满足新增需求，需启用机房隔墙外的东区域，新增UPS、蓄电池、空调、走线架以及主设备机架等配套设施。与此同时，需对现有机房进行装修和消防改造，并对新增UPS、空调等设备进行选型，投资估算约11.5万元，详细投资分析如表1所示。

表1 投资估算

为了在小空间内满足机柜和电源需求，在现有机房面积基础上新增1台一体化能源机柜，与现有UPS分别供电。本工程共新增14台服务器，其中8台安装在现有机架内，采用现有UPS供电，新增交流功耗3.75 kW；另外4台安装在新增一体化能源机柜内，由一体化能源机柜供电，新增直流功耗7.2 kW。在未启用东机房的情况下，一体化能源机柜安装等费用为63 805元。该一体化能源机柜集设备与电源一体，上端的电源设备采用模块化处理，灵活配置可实现与业务的高度融合，大大减少了增容、改造等工程投资。

通过典型案例的分析，一体化能源机柜适用于解决市电容量不足、开关电源更新扩容、蓄电池组增容、电网不稳定以及机房安装空间紧张等场景的问题。以分析适用场景为基础，结合现有的运行数据，总结5G基站一体化能源机柜解决方案所带来的降本增效优势。从CAPEX、OPEX方面来看，支持多电源输入输出的解决方案，按需配置且与业务高度融合，极大避免了机房建设的二次投入，利用峰谷平电价差降低成本，通过模块化设计实时监控负载状态，支持远程上下电功能，系统恒压直流57 V输出，无需其他电源设备投入，人工维护成本也大大降低。从供电系统的安全性与可靠性方面来看，一体化能源机柜本身成熟化的设计及大规模的应用能够弥补市电不足，保证设备安全正常运行。

4 结 论

目前电信行业面临市场竞争日趋激烈、产业融合进程加速、移动互联网对传统电信业带来巨大冲击等严峻挑战，深入开展开源节流、降本增效工作是实现高效发展的长期举措。精细管理、多措并举是降本增效的核心思想，在未来的电源建设工程项目中充分践行降本增效原则，针对通信电源的各种节能减排措施及锂电池与市电混用等都可以成为降本增效优选方案。