基于一体化能源柜的汇聚机房电源建设方案及实践

严 瑾，王梓宇，刘 驰，高兴旺，刘 绚，陈志江

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

0 引 言

5G网络具有连接密度高和网络流量大等特点，随着5G基站的大规模建设和投运，对作为基础承载设施的汇聚机房提出了更高的要求，由于功耗显著提升，因此机房电源改造成为配套设施建设的重要环节[1]。针对传统电源系统建设成本高、能耗高、运维成本高等特点，提出“融合发展、动态匹配”的一体化能源柜解决方案[2]。

1 传统电源系统在工程实践中的问题与挑战

在工程实践中，传统电源系统主要面临的问题和挑战分别是电池利用率低、建设周期长、空调散热及能耗有待优化、机房空间布局限制。

1.1 电池利用率低

由于传统机房电源整流系统按终期需求配置，演进能力差，加上后备电池组中不同厂家、不同容量和不同时间的电池内部存在差异形成“木桶效应”，使成组后的电池容量受限，因此工程建设初期电池组一般也是按终期需求配置。在负载真正达到设计需求时，电池的容量或寿命也到了中后期，电池的有效利用时间短，即电源系统还在使用年限中，而电池却面临更换。运营商采用的锂电池对其性能要求一般以使用年限为准，厂家未对电池的循环寿命提供确切数据，电池的使用寿命往往是在考验当地的市电质量，无形增加了外市电引入的成本。

1.2 建设周期长

机房机电配套涉及的设备包括开关电源、蓄电池、空调、走线架、综合机柜以及电缆等，从生产订单下达、设备到货、入库、出库、上站以及安装要进行多个供货商的协调，开站周期长，流程较多。

1.3 空调散热及能耗有待优化

（1）冷量浪费严重。机房采用民用空调，空调产生的冷量先冷机房、再冷设备，冷量浪费严重。

（2）局部热点限制。出于机柜柜门及柜内设备走线的考虑，一个标准的42U机柜一般仅设置6个基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）。在传统制冷方案下，增加BBU会因柜内设备冷热风互相干扰导致柜内局部热点。

（3）室外机数量增加。每台机房空调对应一台室外机，为了满足设备的散热需求，机房空调数量不断增加，同时也增加了室外机的数量，使非自建房的室外机安装难度提升。

（4）空调能耗高影响机房电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值。传统空调为单系统定频空调，为了保障柜内设备的工作温度，机房空调的温度需设定到20 ℃或16℃，基站的年均PUE通常在1.8左右。通过空调控制系统根据设备温度或环境温度自动启动及待机，基站的年均最佳PUE也大于1.6。在机房设备安装初期，机房PUE值更高。

1.4 机房空间布局限制

（1）电源设备空间需求大。电源设备分属不同的供货商，每个设备均需占用一定的机房空间。传统机房中，电源及配套设备占用机房面积较多，单位面积负荷密度低。

（2）不同设备混杂。不同电压等级用电设备需配置不同的电源系统，例如4 V系统、不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）系统。对于特殊的24 V设备或远供设备，需要增加各种变换装置。此外，机房的地面或墙上会放置各类小型设备，影响机房美观与布局。

（3）空间受限。19英寸设备和21英寸设备不能共机柜，当机房空间受限时，无法满足无线设备与传输设备的共柜安装需求。

（4）布线杂乱。机房走线架众多，电缆布放杂乱。一旦设备安装，布线杂乱导致即使退网也轻易不敢拆除，占用有限的柜内空间或机房空间。

综上所述，在实际工程应用中，传统电源系统在建设成本、使用效率、空间布局以及运行维护上都存在不足，有较大的提升空间。

2 基于一体化能源柜的改造方案优势

为了有效解决汇聚机房中传统电源系统的实际问题，提出了基于一体化能源柜的机房电源改造方案。一体化能源柜采用了“柔性、智能、高效”的设计理念，通过全模块化设计实现一柜收容多系统，进而实现一体化建站。

（1）高度集成。6U的设备空间集成了整流、配电、监控及新能源的接入，最大容量为675 A，同时满足不同等级电压需求。

（2）智能锂电容量大、效率高、扩展性好。单柜收容电池容量可达1 500 Ah，且电池可以新旧混插、按需建设、按需扩容。同时，智能锂电独有的内置直流/直流转换器使电池组恒压输出，避免了传统电池组电池在计算容量、保障设备供电及选择电缆时需考虑的放电终止电压。

（3）机柜级制冷设备能耗低。采用专门开发的机柜级制冷方案，冷量全部用于设备的散热需求[3]。双系统空调采用重力热管和压缩机制冷，最大程度利用自然冷源。只要环境温度低于柜内温度5 ℃，即可采用自然冷源。室外环境温度越低，自然冷源利用率越高。变频技术可以实现按需制冷，使机房PUE降至1.06～1.25。

（4）空间布局合理。机柜与空调一体化合成，同时室外机采用1托多技术，室外、室内占地需求同时减少。一个机柜可以同时安装19英寸和21英寸设备，供电电缆、电池电缆全部内部连接，清晰明了且路由最佳。机房内除传输设备接入的尾纤槽外，对走线架的需求极少，机房不仅美观，而且设备安装、维护清晰方便[4]。

（5）建设周期短，运行维护成本低。设备到货后，安装只需0.5～1天，有效缩短建站周期。根据不同场景的需求，备用型电池循环寿命800次，循环型电池寿命3 000次。与运营商对通信不间断电源合理使用年限要求基本同步，节省运行维护成本。一体化能源柜方案通过与智慧网管平台联动实现远程管控，能够进一步降低运维成本[5]。

3 基于某移动公司2022年汇聚机房需求的成本分析与比较

3.1 某移动公司2022年改造需求

某省移动公司拟在汇聚机房部署光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）、城域网等，为了满足建设需求，结合动环、资管等现状数据进行分析，已投产机房中有约375个机房不满足装机需求，需进行电源配套扩容。此外，436个土建已立项且具备电源建设条件的新机房需进行电源配套建设。电源配套扩容包括市电扩容、开关电源系统扩容、蓄电池组扩容、空调系统扩容等。电源配套建设内容包括机房启用所必需的外电引入，包括开关电源、蓄电池、配电箱、空调、走线架以及动环设备等。针对汇聚机房的电源方案，分别采用传统系统和一体化能源柜方案进行成本测算，结果如下文所述。

3.2 传统电源系统的投资成本

根据新建机房和扩容机房种类、机房面积的大小，参考最新集采价格标准，得到各类汇聚机房传统电源系统的投资成本，如表1所示。

表1 汇聚机房采用传统电源系统的成本分析（单位：万元）

传统电源配套建设需占用3～4个标准机柜位置及空调室内机位置，而通信设备安装机柜还需另考虑机位。此方案配置的机房空调仅能满足6 kW设备的散热需求，并且理想情况下机房PUE最低只能达到1.6。

3.3 基于一体化能源柜的投资成本比较

当采用一体化能源柜方案时，新建机房和扩容机房两个场景的成本分别计算如下。

3.3.1 新建机房的配套电源系统

按照新建50 m2机房，终期能安装设备20～25 kW的配置进行投资分析，结果如表2所示。

表2 新建汇聚机房采用一体化能源柜的成本分析

采用一体化能源柜的方案，初期仅需一个电源柜及2～3个设备柜即能满足10 kW设备的散热需求，同时机房的PUE可以降至1.2。一体化能源柜初期建设方案布局如图1所示。

图1 一体化能源柜初期建设方案布局

由于设备均在机柜内部集成、安装，不存在设备之间电缆跨接，因此节省了走线架和电缆，待后期增加扩容电源设备，终期系统投资约为24万元。

3.3.2 扩容改造机房的配套电源系统

对扩容改造机房采用一体化能源柜，成本计算结果如表3所示。

表3 扩容改造机房采用一体化能源柜的成本分析

采用节能柜，同样3个机柜的空间满足电源设备、无线设备与传输设备的装机需求，终期系统投资约为11万元，成本显著降低。

4 结 论

综上所述，与传统方案对比，一体化能源柜方案具有高密度集成、机柜级制冷、全模块化设计等优势，能够匹配网络演进，一柜收容多系统，从而实现极简建站。基于某省2022年汇聚机房需求进行了成本比较，一体化能源柜初期投资较传统方案更少，且节电、节能减排效果显著。