通信核心机楼电源系统存在的问题及对策分析

2023-08-22秦书瑞郑小军包巴图

通信电源技术 2023年13期

秦书瑞，郑小军，包巴图

（中电科普天科技股份有限公司，广东广州 510310）

0 引言

随着自有业务及第三方租赁业务的增长，5G 核心网、加密虚拟网络（Secret Private Network，SPN）传输网、内容分发网络（Content Delivery Network，CDN）等设备下沉分公司核心机楼，通信运营商核心机楼动力配套需求持续增加。因此，保障核心机楼电源系统尤为重要，只有电源系统正常工作，才能为设备提供不间断“能量”供应。

1 核心机楼电源系统组成

通信运营商核心机楼的电源系统主要由交流电源系统、直流电源系统、防雷接地系统以及动力环境监控系统4 部分组成，如图1 所示。

图1 通信运营商核心机楼的电源系统

（1）交流电源系统。交流电源系统主要包括3个部分，分别是变配电系统、备用电源系统、不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）。当市电发生故障时，UPS 电源将蓄电池直流电转换为交流电，对设备进行短暂的供应，如果停电的时间比较长，还应启动备用发电装置来取代市电。UPS 供电可实现电压稳定、报警等功能[1]。

（2）直流电源系统。直流电源系统主要由整流器、蓄电池、直流配电屏以及直流/直流变换设备构成，它的作用是将交流电转换为直流电，给直流通信设备供电并向蓄电池浮充充电。遇到交流电源的突然停电时，由蓄电池向通信设备提供直流不间断供电。

（3）防雷接地系统。防雷系统由避雷针、接地引下线、接地体、等电位连接、各级浪涌保护器等组成，接地系统由接地体、接地引下线、汇集排、楼层接地排、工作及保护地线组成。

（4）动力环境监控系统。动力环境监控系统由采集设备、网络传输设备、监控系统组成，实现机房动力设备、环境系统的监视与控制[2]。

2 核心机楼电源系统的主要问题

（1）电源设备容量不足。第一，机楼用途的改变。地市的综合楼建设之初是按照办公+机房功能进行建设，随着业务的发展，部分办公用房通过改造后用作机房，使得用电负荷增加，导致动力机房空间及动力配套设备容量不足。第二，用电设备的改变。用电设备的集成度越来越高，单机架功耗是初期设计功耗的多倍，导致动力机房空间不够、动力配套设备容量不足，尤其是变压器及油机容量不足。第三，业务需求增长。随着自有业务需求及第三方业务的增长，各局房动力配套需求也逐步增加，部分机楼高低压配电系统、UPS 及开关电源系统负载率偏高，难以满足后期新增设备的需求，造成网络安全隐患。

（2）存在安全隐患设备。部分电源设备长期不间断运行，零部件老化，超期服役，导致运行故障率提高、能耗提升，存在安全隐患。

（3）机房电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值偏高。由于局房设备摆放不合理、制冷系统老旧、能耗高以及气流组织不合理等因素，导致机房PUE 值高，主要体现在以下3 个方面：一是机房空调系统能耗高，目前机房内配置空调大多为定频空调，能效较低、耗电量高，且部分空调使用年限长、能效比低，导致机房空调能耗较高；二是室外侧散热不良，部分室外机由于通风不畅，局部进排风温度较高，造成机房空调始终处于较高的转速运行，能耗较高；三是机房内气流组织混乱，早期启用的机房机柜摆放无序，机房内空调气流组织较差，导致部分相对发热较高的机柜散热效果差，热点明显。

（4）装机空间不足。随着业务增长，各专业用电设备不断增加，而老旧设备腾退周期较长，用电负荷不断增长，导致部分电源设备容量不足，且随着电源设备数量持续增加，部分机楼已无动力设备新增空间。此外，由于数据中心（Internet Data Center，IDC）业务设备、传输设备等单机柜负载大幅度增加，部分地市二枢纽出现业务机房装机位置较充足但动力机房空间趋近饱和的现象。

（5）土建条件滞后。部分机楼变压器已经超负荷运行，亟需扩容，但是目前土建还未开始建设，影响动力建设进度，带来了较大的安全隐患。

（6）电源设备利用率低。部分48 V 直流电源和UPS 交流电源系统的负载率不高，其主要原因为负载不是一步到位，而是根据后期工程逐步新增，导致目前实际单机柜的负载未达初期设计值。

3 问题解决对策

（1）合理预测需求，按需扩容。总用电负荷需求根据各专业自用系统及IDC 设备运行功率、交直流电源系统蓄电池组充电功率、电源系统损耗、空调设备功率及其他建筑设备的负荷进行确定，并考虑用电设备的需要系数、同时系数、无功补偿容量等。根据现网资源梳理及用电需求分析，如果现网资源不能满足需求，则需根据需求提前部署电源设备，按需增加容量。针对部分机楼有扩容需求但是无安装空间的情况，建议短期内通过“盘活资源”的方法进行解决。

（2）盘活资源、提前布局。重点从以下方面进行：对现有机房设备进行梳理和清退，对部分设备进行搬迁，释放空间及电力资源，解决部分电源设备超负荷运行的问题，并为后续新增业务预留资源，保证各专业业务的用电需求以及各电源配套设备的正常运行；根据业务情况适时启用暂未启用的楼层或机房，为新增动力设备预留空间；应对空间紧张的问题，核实可改造空间的承重条件及可行性，改造现有机房（如活动室或办公区域），承重改造后作为动力机房使用；提前落实土建情况，由于土建建设周期较长，需提前布局，避免因土建条件不满足而影响电源配套的建设进度及各专业业务的部署进度。

（3）节能改造，降低PUE。一是从维护管理方面，提升主用空调回风温度、关闭备用空调，电源设备模块按需运行，退网设备及时下电；二是采取节能改造手段，综合考虑区域气候条件及核心机楼的实际运行情况，充分利用自然冷源，采用间接蒸发冷却、氟泵、热管、水冷板式热交换、引入新风等自然冷源技术，冷热通道隔离、精确送风、送风地板改造等气流组织优化手段，同时可配合空调群控系统，智能供冷。

（4）针对存在安全隐患的设备，根据下带负载的重要性，分批分级更新替换，保障网络安全稳定运行。

（5）对于长期低负载率运行的电源设备，应提升电源设备负载率，从而提升供电效率。UPS 设备负载率宜为40%～45%，开关电源负载率宜为65%～80%。UPS 设备应采用高频机或模块化UPS，-48 V 开关电源系统应采用高效整流模块。具体解决方案如表1所示。

表1 低负载率设备的解决方案

4 案例分析

本文以北京某公司D 机楼为实例，从3 个方面来着手解决电力供应的困境。

4.1 外市电扩容

核心机房用电受限的结点主要有变压器、发电机、交直流系统容量，其中最基本的界限是变压器容量，即外市电容量。D 机楼的变压器容量不足，亟需扩容。在申请扩建期间，各部门经过方案比选，共同配合，顺利通过电力公司审批。经过多部门的通力合作，仅3 个月的时间就完成了项目批复、设计、土建施工、设备的采购安装调试以及验收通电等整个过程，顺利实现了2台变压器的扩容、带载工作[3]。该项目既保证了已有服务的顺利开展，又解决了D 机楼的供电问题。

4.2 优化资源配置

D 机楼最初只承载自有系统业务，但近年来IDC业务增长迅速，IDC 服务器的电能消耗较大，导致D机楼用电紧张。对此，首先梳理该机楼内的业务设备，进行拆分和搬迁，其中一些老旧的电力和空调设备由于长期的使用，已经出现了性能退化、效率降低、散热不良等现象，不仅安全性和可靠性差，而且消耗的电力也远高于新设备[4]。在对已投入使用的设备进行综合评价后，对D 机楼中已超过使用年限的UPS、开关电源即空调进行检修；对电池和其他的动力装置进行及时的更换，腾出电能，解决安全问题。

4.3 采用节能新技术

D 机楼使用风冷式制冷系统，外机设于屋顶户外露台。因为常规的空调外机面积较大，而屋顶的面积小，空调机的布置紧密，散热较差[5]。外机长时间的高负载工作，导致大量的电能浪费。同时，在户外平面已无空间容纳新扩建的外机设备，因此迫切需要对空调户外设备进行改进和优化。最终选择了“V”形结构的紧凑型空调室外机，克服了“平面型”室外机所占空间大的问题，释放空间，也改善了散热效果。