云边一体的基站能源管理系统研究与设计

吴文浩 段明宜 黄金融

（1.联通（广东）产业互联网有限公司 广东省广州市 510000 2.广东新中望信息科技有限公司 广东省广州市 510000）

1 引言

近年来，随着通信业的发展，特别是5G 网络建设的兴起，移动通信基站数量迅速增加。通信基站的能耗支出，在电信运营商和铁塔公司日常运维开支中占比很大；同时，通信基站数量大，分布面广，安装位置分散且情况复杂，需要派专人或委托代维公司抄表、计量和维护等，也是一笔不小的开支。因此，如何降低基站能耗并节省运维成本，已经成为运营商和铁塔公司的当务之急。

2 基站能耗和运维现状

在普通的基站设计中，每个基站都要接入电源系统，配备蓄电池系统，空调24 小时开放保证设备运行环境的达标（一般要在25℃以下）。通信基站耗电约占总耗电量的73%。基站的用电设备有基站主设备、传输设备、电源设备、空调等，其中空调功耗占基站总耗电量的47%。[1]特别是在5G 时代，功耗的提升是同级4G基站的4 倍左右，而同一覆盖范围下，5G 基站的需求数量又是4G的3-4 倍左右，所以对于运营商而言，5G 的网络运营成本是4G 的10 倍以上。[2]

同时，基站点多面广，且大多是租用民房，有些基站长年失修，导致基站运维情况也十分复杂和困难，主要问题有：供电故障无法监测、偷电现象无法控制、抄表效率低下、用电数据没法科学统计、管理成本增加等。

综合上述问题，建设基站能源管理运维系统，改变现有的能耗和用电管理模式，及时解决上述存在的问题所带来的经济效益是长期的、可持续的。

3 技术路线研究

3.1 节能原理

在通信电源供电系统中，整流器与蓄电池并接于馈电线上，当市电正常时，由整流器给通信负载供电，同时也给蓄电池微小的补充电流，这种供电方式称为浮充，这一过程中整流器输出的电压称为浮充电压。电池在长期使用中，总是在浮充电情况下运行。电池的浮充电流对温度极为敏感，一般要求环境温度为25℃。温度每变化10℃，电流成倍变化，当温度大于25℃时，就会出现蓄电池已过充而开关电源并未关断，隔膜内电解液很快干枯；当蓄电池温度大于50℃时，十多次过充电就会导致蓄电池永久失效。[3]

通信基站里面的设备除了UPS 蓄电池对温度要求比较高，其他设备基本能在40℃左右长时间正常工作。[4]如果将蓄电池休眠，不处于浮充状态，那么蓄电池对温度就不是很敏感了，能和其他通信设备一样在正常的环境温度下工作，只要能保证在断电时蓄电池能被及时唤醒，对基站的正常运营就不会影响。

因此，基站内部温度能浮动至35℃以上。这样，全国各地的基站一年大部分时间可通过新风系统来实现内部温度的调节，而不需启用空调，能耗也能大幅下降。

3.2 云边一体化

图1：系统总体架构

边缘计算(Edge Computing)，是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。而云端计算，仍然可以访问边缘计算的历史数据。[5]

边缘计算通常会被与云计算做比较，但这并不意味着边缘计算要取代云计算。实际上，边缘计算与云计算各有所长，云计算擅长需要海量可扩展存储能力，非实时且周期相对较长的数据处理和分析，而边缘计算擅长的是局部短周期数据的实时处理和分析。从当前业界面临的实际情况出发，二者之间紧密结合才能更好地满足各种需求场景的匹配。

不难想象，云边一体的技术架构十分符合在基站管理运维领域的应用。基站能源及环境监测数据处理的实时性要求部分计算能力必须移至边缘节点以缩短响应时间，此外，部分能源数据由于要确保私密性与安全性也不适合交由云计算来处理。同时，云计算可以统一管理和调度基站边缘节点，通过汇聚边缘节点的数据以及部分计算结果，优化和更新模型或者业务规则下发到边缘侧，形成良性循环。

4 系统设计

4.1 总体架构设计

基站能源管理系统由基站端节点和大数据云平台组成。在每个基站节点部署AI 节能控制系统，实现基站环境的自我监测、调节和控制，同时在异常情况下能发出运维请求，确保整个机房运行安全；每个基站都是整个能源托管综合管理平台的边缘计算节点，和云端的大数据节能大脑一起，构成整个节能感知神经网络，也即云边一体。系统总体架构如图1 所示。

4.2 基站端功能设计

基站能源管理系统通过对基站通讯设备、空调、动环等设备进行实时监测，可以定期统计不同类型基站的用电参数。能耗监控单元通过运营商有线或无线网络将数据上传给大数据云平台，进而完成基站用电量的采集、统计、分析、比对等。如图2、图3 所示。

每个基站AI 控制系统具备监控、计量和运维三大功能模块。

图3：基站设备连接

图4：站点管理

4.2.1 监控功能

监控功能是AI 节能感控系统的核心，是实现基站节能的重要手段，也是基站节能AI 自适应、学习、建模、拟合的重要环节，具体功能如下：

（1）环境监控：实现对基站室内、室外温湿度以及空气质量的监控，来感知环境状态；

（2）感知监控：实现对电表、新风、空调、电池和动环设备的监控，来感知设备运行状态；

（3）协同联动：实现空调、新风和动环联动，通过环境监控所感知的信息，来决定新风和空调的启闭，或者调节新风系统的转速；

（4）对接电池系统：实现电池休眠和运行转态的切换，定期监测休眠转态的电池并及时予以充电，对于老旧或者有安全隐患的电池及时预警；

（5）电池和其他系统联动：当市电停电电池进入工作状态时，电池可维持基站通讯设备及节能感控系统的正常运行，并及时发出告警通知运维人员进行检修。

4.2.2 计量功能

计量功能是AI 节能感控系统的关键，通过抄表实现基站能耗的准确计算，并生成节能报表，为进一步实现大数据节能分析提供可靠依据。

（1）抄表：读取基站内部各种交直流电表的数据；

（2）计费：通过电表的数据并结合机房的实际PuE 值，计算各大运营商实际的电费；

（3）报表：统计分析各基站电费使用情况，为节能分析和改造提供依据。

4.2.3 运维功能

运维功能是AI 节能感控系统的保障，在节能系统触发告警时实现工单派发，并结合线下运维队伍和备品备件库，确保机房节能系统的正常可持续运行。

（1）人员管理：实现对线下运维人员队伍的管理，提供人员联络渠道；

（2）备件管理：实现对易耗品和关键零部件的管理和查询，比如滤网、电池等。

（3）告警管理：实现对基站主要设备和环境情况的预警管理；

（4）工单管理：开发运维工单APP 或小程序，对运维事件进行流程管控。

4.3 大数据平台功能设计

4.3.1 站点管理

实现在GIS 图上展示区域内站点分布情况并可查询站点基本信息，也可以进一步查看基站的详细信息和数据统计；基站详细信息包括用电量统计、用电对比、运行环境监控、设备监控、室内外温度对比等；数据统计包括近15日总表读数和分表总和对比、24 时分项耗电对比、年度能耗统计及趋势和年度故障类型统计等。

4.3.2 运维管理

包括基站设备告警、备件管理、运维人员管理、工单管理等。

（1）设备告警：显示告警列表，告警信息包括站点名、时间、内容，以及告警类型等；

（2）备件管理：包括备件的地理分布情况、备件类型、备件数量等；

（3）运维人员管理：包括运维组织架构、人员职务、职称、联系方式等；

（4）工单管理：包括工单类型，工单数量变化情况等。

4.3.3 节能运维APP

为管理人员和运维人员提供移动端APP 或小程序，随时随地掌握各个站点的监控情况，同时可以接收运维工单；实现站点信息、设备信息、实时告警、告警记录、组态信息、历史数据、图表统计等功能。

4.3.4 节能大脑

如图4 所示，实现在一张图上显示所有基站设备的监测信息，各个站点的实时状态、信息详情一览无余；同时展示辖区范围内基站节能的总体运行情况，包括能耗曲线、能耗分布、节能效益、预警态势、设备运行状况等。

5 结语

5G 已成为焦点，基站的建设和运维迎来新的发展机遇，当然也是运营商和铁塔公司需要共同面对的挑战。希望通过应用本文设计的节能路线和运维方案，构建云边一体基站能源管理系统，能为5G 时代的建站和管理提供有效价值。