核心局站基础配套运营保障优化方案

杜志炜

（中国电信广州分公司，广东 广州 510620）

0 引 言

近年来，伴随着5G、人工智能以及边缘计算等新技术的出现和发展，互联网进入快速发展模式。基础设施重构是运营商网络数字化、智能化的重要前提。在改造之前，网络都是专用设备，很多都是黑盒组成，相互之间的操作性和可配置性周期较长[1]。将通用设备加上服务器承载，然后云化，是运营商数字化、智能化或者项目演进最基本的前提。传统通信机房需向DC化机房方向转变，作为数字化转型过程中的核心基础设施——数据中心也掀起了建设的热潮。无论是改造传统机房还是新建数据机房，核心局站基础配套的机房面积、机房承重、高低压系统、油机系统、空调系统、开关电源系统、UPS系统等方面需要基于当前情况做统一规划、统一布局[2]。

1 基础配套运营保障优化方案

新形势下，核心局站基础配套的设计要求已有相关文章进行了深入全面的论述，在此不再做全面的分析和论述。本文主要想从运营维护人员的角度，对传统机房基础配套存在的缺陷进行分析，提出适应新形势下，核心局站机房基础配套的优化方案。以期能在核心局站基础配套的升级换代大潮下，解决运维人员多年诟病的机房配套缺陷，使新技术新设备能有更为精准和有效的应用，把工具交到真正会使用的人手中。

1.1 优化方案一：应用“非全尺寸”抽屉式开关备件

核心局站低压配电系统大量使用了抽屉式开关柜作为集中控制的配电中心，有较高的可靠性、安全性和互换性。抽屉式开关是能将电源断路的断路器。把断路器本体置于抽屉座中，就成为抽屉式断路器。设计抽屉式断路器的目的：其一，更换断路器方便，当正在运行的断路器一旦出现故障损坏，可用备用的断路器快速替换。这时只要把损坏的断路器从抽屉座中摇出，装上新的断路器即可，减少了停电时间；其二，可作为隔离器用。当电路或设备需要检修时，为安全隔离起见，把断路器本体摇出，电路即分断隔离[3]。

1.1.1 难点分析

抽屉式开关断路器的品牌、型号、种类很多，如果全部都进行购置备品备件，其采购成本较高，若不事前准备备件，在开关出现故障时，又可能得不到及时更换，通过应急电缆的驳接，操作较繁琐和困难，时间也较长，可能危及供电安全。通过引入“非全尺寸”抽屉开关的备品备件管理，可以解决这个矛盾。

1.1.2 改进措施

“非全尺寸”和“全尺寸”抽屉开关的区别：

（1）配置不同

全尺寸抽屉开关备件比较好理解，就是规格型号性能与在用的开关完全一致；非全尺寸抽屉开关备件则是原有在用型号的简化版，只保留最简单的电路接通功能。

（2）功能不同

非全尺寸抽屉开关对使用有限制（只能起到临时接通电路的作用），只能起到暂时顶替原开关的作用。其他保护性功能和耐用性不需具备。

（3）重量不同

全尺寸抽屉开关的规格与原抽屉开关规格完全相同，重量比非全尺寸的抽屉开关要沉重很多。非全尺寸抽屉开关由于简化了许多功能，其重量更轻便，应急使用更方便。

“非全尺寸”抽屉式开关的应用降低了抽屉式开关备件的采购成本，提高了故障抢修的时效性。“非全尺寸”抽屉式开关只作为应急抢修用，抢修完成后仍需尽快采购“全尺寸”产品进行更换，保证抽屉式开关功能性的完整。引入“非全尺寸”的备品备件管理可以扩展到其他非常用的备品备件，如空调系统的止回阀、自动清洗器、Y格等，既能减少运营成本，又能提高供电供冷的安全性[4]。

1.2 优化方案二：应用智能列头柜及监测产品提高服务器供电保障能力及机柜级能耗数据分析能力

核心机房末端配电的范围指从通信电源设备输出配电柜输出端引出至机架列头柜，再从列头柜输出端引出至机柜PDU插座端。列头柜处于这个“承上启下”的关键环节，对于保障机柜内的重要核心设备正常供电起到关键的作用。

1.2.1 难点分析

由于历史原因，列头柜处于动力专业和设备专业维护交接面，以往的功能单一和监测内容简单（一般只有列柜总电压和总电流的数据，以及简单的通断告警功能），关键保障作用未能正常发挥。此外，核心IT设备和服务器通常供电采用A/B双路供电模式，如图1所示。服务器内双电源模块其中一个故障不影响服务器正常运行，但也造成其单一电源模块故障不易被发现，造成供电隐患，及时发现该隐患，提醒专业设备维护工程师及时维修，是提高业务保障能力的关键[5]。

图1 列头柜A/B双路配电示意

1.2.2 改进措施

一方面，机柜端通过列头柜配置智能电能仪表、开关状态监控单元、通讯接口、单元等元件实时监测电流、电压、功率和电量，实时显示每个机柜PDU的运行状态，实现对机柜的监控和能效管理，如图2所示。可实现故障报警，实时监控电能质量，包括负载系数、谐波含量等，所有监测参数将汇集到监控总单元模块，通过开放通讯协议接口可与机房综合监控系统进行对接，可实时查看数据中心机房运营状况，任何监测点出现故障，均可在系统显示界面找到其对应编号，以便维护人员迅速作出响应，大大减少检修工作量。

图2 列头柜智能监测系统

此外，通过A/B双路PDU供电电流的实时监测，及时比对出服务器单路电源模块故障造成的电流变化情况，准确定位故障服务器位置，快速排除故障。

另一方面，列柜智能监测系统针对核心机房末端设计，能够综合采集所有能源数据的智能系统，为交直流电源配电柜提供电参量信息，并可通过通讯将数据上传到动环监控系统，实现对整个核心机房的用电情况实时监控和有效管理，通过精确计量单机柜的用电量，将服务器和IT设备的用电精确计量到机柜，有利于精确分析机柜用电能耗与机柜收入之间的匹配程度，提供经营分析依据，如IDC收入与成本的分析决策；精确计算效益分摊和代垫电费成本的回收等。

1.3 优化方案三：应用低负荷高效率通信电源优化PUE值

对于影响局站PUE值的电源、空调两大基础设施而言，虽然空调系统的制冷效率提升和能耗减少直接对PUE值产生影响，但电源系统的能效才是问题的根本，为了保障IT设备的不间断供电，电源供电系统必须通过能量转换，其转换效率的低效，伴随转换热量的产生加剧了空调系统的负担，加倍地导致PUE指标的攀升。而局站所有营运的重要负载几乎都是通过通信电源系统（包括UPS、高压直流和48 V直流系统）来供电的，因此如何进一步提高通信电源的工作效率，将是快速改善局站供电系统乃至整个局站PUE指标的核心途径。

1.3.1 难点分析

因为以下的原因,一般情况下,通信电源系统的实际负载率通常较低，其中UPS系统比直流系统更低。

（1）超前规划

因为通信电源系统不易改造,机房在规划时会考虑到未来3～5年的业务扩容,常常需要提前规划好扩容容量的通信电源系统。

（2）冗余配置

为保障可靠性,通信电源系统需要冗余配置,采用N+1或2N的配置。直流系统一般为模块配置，需要考虑后备电池的充电容量和每10个模块增加一个模块的冗余配置。UPS系统常采用N+1配置,部分核心负载甚至采用2N或2（N+1）配置,保证供配电系统任何一条线路出现问题时都不会导致负载掉电。

目前使用的工频UPS系统工作模式为双变换在线工作模式，其目的是通过“AC/DC和DC/AC的双变换”给IT负载提供稳定的净化电源。但负载率对UPS的效率影响很大，一般情况下，UPS的效率会随着负载率的提高而提高,并且会在负载率达到70%时达到效率最高点，如图3所示。然而实际场景中UPS负载率无法工作在最佳负载区间,对于2N系统，单机40%的负荷率已经是算系统满载了,冗余越高的,负载率越低,一些机房UPS负载率会低到20%左右甚至存在负载率极低,导致UPS效率极低的情况，如图4所示，这导致了能源的极大浪费，并降低了整个局站的PUE指标。

图3 工频UPS不同负荷率下的运行效率

图4 不同配置下的负荷率和运行效率

1.3.2 改进措施

直流系统无论是传统的48 V系统还是高压直流系统，目前均采用模块式供电，结合模块休眠、轮休等技术，很好地解决了上述问题，在低负荷情况下，其工作效率可以达到90%以上。

UPS系统建议参考直流系统的供电模式，工频机向高频塔式机、高频模块化UPS方向发展，高频机和工频机区别如下文所述。

高频机：利用高频开关技术，以高频开关元件替代整流器和逆变器中工频变压器的UPS，体积小、效率高。

工频机：采用工频变压器作为整流器与逆变器部件的UPS，主要特点是主功率部件稳定可靠、过负荷能力和抗冲击能力强。

高频机的输入特性指标好于工频机，不但可以极大地减少对电网的污染，并且可以减小对前端柴油发电机容量的需求。由于高频机采用IGBT整流器技术和无变压器设计，使高频机的效率有所提高，特别是在轻载（50%以下）时，效率提高更加明显。相对地，高频机在性能稳定性上稍弱于工频机。但是由于UPS供电系统配置采取了较多的冗余设计，这点稳定性的差异是可以覆盖的。此外，有的UPS推出了ESS高效运行模式，其技术是，正常情况下，UPS运行在静态旁路回路上，逆变器和整流器处于“休眠”状态，能无间断地从静态旁路回切到逆变输出状态。与目前的UPS正常供电模式，两者的控制逻辑指向相反，切换方向也相反。但其低负荷情况下的工作效率得到了大幅度的提升，PUE值得到明显优化，如图5所示。

图5 不同UPS对PUE值和运行效率的影响

2 结 论

本文从运营维护人员的视角出发，对传统机房基础配套在关键环节的备份应急、机柜内服务器等核心设备的用电监测、通信电源设备在低负荷下的运行效率等方面存在的缺陷进行分析，在适应“云改数转”形势下，核心局站机房基础配套改造升级中，就使用“非全尺寸”备品备件的应急管理措施、加强机柜级的用电监测功能以及低负荷情况下使用高效率通信电源设备，优化局站的PUE值，提出了自己的意见和建议。以期能起到抛砖引玉的作用，激发同行在核心局站基础配套的升级换代大潮下，多多思考，解决运维人员多年诟病的机房配套缺陷问题，使新技术新设备找到其更加适配的位置。