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移動通信基站機房能耗數據采集分析論文
摘要：基站機房的節能降耗是通信行業的重中之重，而全面而透徹地分解和分析基站機房的能耗組成、來源是首要的目標和出發點。廣西移動與工信部通信計量中心合作，通過在試點基站建立能耗數據采集系統以獲取實時數據，并結合話務、數據流量等基礎參數，深入地進行了基站機房的能耗組成、變化規律及作用機制的研究分析。
關鍵詞：數據采集論文
截至2014年底，中國移動通信用戶已達13億，基站數量已達200萬以上。用戶數量及業務量爆炸式的增長造成電信網絡的能耗居高不下。國家“十二五”規劃中首次將電信業節能降耗作為課題列出:通信行業節能降耗的整體戰略與若干關鍵能耗控制策略研究。而在通信網絡耗電中，基站機房的耗電量占總耗電量的60%以上，因此解決好基站機房的節能問題是通信行業的節能減排進程中的重中之重。而要達到基站機房的節能減排目標，首先必須全面而準確地獲取基站機房的能耗組成、變化規律、作用機制等，進而科學地規劃節能方案、發掘節能潛力。開展針對基站機房的能耗統計與分析，是合理的出發點和有效的落腳點。基站機房的能耗組成來源復雜，是話務量、溫度、地理環境等多重因素共同作用的結果，而且隨著時間的推移會有較大的起伏，因此在開展基站機房的能耗統計活動中，通常建立起針對試點機房的能耗采集系統，獲取實時數據，進而能完整地展現出基站機房的能耗狀況，是對科學研究和節能方案設計的有力支持。中國移動廣西公司與工信部通信計量中心合作開展了“移動通信基站能耗數據采集和節能量分析”項目。該項目通過在試點基站建立能耗數據采集系統，實現對基站機房的能耗實時監測，根據獲取得到的一年的基站能耗信息，科學、合理地分析機房能耗量的組成、數值、變化趨勢，得到話務量、溫度、地理環境等多重因素的作用機理和規律。項目首先建立基站能耗數據采集系統，并選取合適的試點基站機房，并進行基礎能耗數據采集工作，同時采集試點基站的話務量、數據流量、機房配置信息等基礎參數；最終在獲取長達一年的能耗統計數據的基礎上，進行基站機房的能耗組成、變化規律及作用機制的研究分析。
1基站能耗數據采集系統的組成和工作機制
1.1基站能耗數據采集系統的組成
項目定制的基站能耗數據采集系統主要由3部分組成。(1）多參數數據采集儀：集中了三相四線電參數、單相電參數、直流電參數、溫度參數等能耗參數，其中交流電參數包括電壓、頻率、電流、有功功率、功率因數、有功電能等電參數，直流電參數包括電壓、電流、功率、電能等。輸出為RS-485接口的數字信號，支持MODBUS-RTU協議。可以有效地監控機房內的電流、電壓以及溫度等信息。(2）DTU（GPRS數據傳輸終端）：一種無線數據終端，利用公用運營商網絡為用戶提供無線長距離數據傳輸功能。(3）終端傳感器：包含直流互感器、交流互感器和溫度傳感器。
1.2基站能耗數據采集系統的工作機制
終端傳感器接收基站機房內的電流電壓溫度等信息，饋送至多參數數據采集儀；多參數數據采集儀將接收到的傳感信息處理并經由數據傳輸終端，通過GPRS網絡發送出去；中心服務器接收Internet上的信息，并通過應用軟件進行數據處理、匯總和分析。
2試點基站機房的選取
項目中選取的試點基站機房一般按照以下原則以涵蓋南寧市大多數的基站機房類型。（1）主設備、傳輸設備運轉正常,蓄電池、空調等配套設備完好。（2）地理位置均勻分布在評估區域內，并涵蓋各種地形（平原、高原、山地等）、降水量、植被覆蓋等因素。（3）機房內的主設備型號應涵蓋有類型。（4）機房的圍護結構材質涵蓋所有類型（磚混結構、彩鋼結構等）。（5）根據話務量和數據流量等級均勻采樣，不應有所遺漏。（6）對某些環境因素或者業務量變化較大的基站機房集中區域可以考慮增加試點數量，以提高采集數據的可信度。（7）所采集基站設備種類必須涵蓋目前存在的所有設備種類（比如室外設備、監控系統等并非所有基站機房都有的耗電設備）。（8）所有基站類型應涵蓋居民小區、商業中心區、辦公樓宇區、工業園區、室外獨立基站等各類基站。（9）所采集基站應包括不具有節能措施、包含單一節能措施、包含兩種及其以上節能措施等各種節能情況。
3基站機房能耗組成與分析
3.1基站機房的能耗組成
在進行基站機房的能耗組成分析時，通常將總能耗按照設備種類進行分類討論，一般來說，基站機房內的設備主要分為兩大類：交流供電設備和直流供電設備。交流供電設備包括交流配電箱、直流開關電源柜、三相空調、照明設備、插座、新風設備、電池恒溫柜等，該類設備的供電端起于交流配電箱。而直流供電設備包括主設備（如RBS2206﹑RBS6201），傳輸設備（綜合柜），基帶處理單元（BBU），蓄電池組等，該類設備的供電端起于直流電源柜的輸出端。因此基站能耗數據采集系統也針對三相四線電參數、單相電參數、直流電參數進行分類采集。根據機房內各部分能耗的來源及影響因素不同，一般將機房的總能耗分為交流配電箱能耗、直流電源柜能耗、基站主設備能耗、傳輸設備能耗、蓄電池組能耗、空調能耗及其它設備能耗等。
3.2能耗分類討論與分析
3.2.1交流配電箱交流配電箱是基站機房的市電輸入起點，基站數據采集系統首先在配電箱的三相市電輸入口處設置交流互感器以監測輸入市電用量，站點的總耗電量是基站數據采集系統獲取的首要信息。據統計，由于2月機房內溫度較低，空調系統的啟動時間較短，耗電量較少，可以明顯看出2月的基站耗電量均小于其它各月，而隨著氣溫回升，空調利用率逐漸提高，運行時間也較之更長，以后各月耗電量也隨之上升。3.2.2直流電源柜直流電源柜的主要作用是從交流配電箱引入交流電，將交流電通過整流模塊整流為直流電后，為負載供電，給蓄電池組充電，是機房內直流供電設備的起點。直流電源柜因使用年限、環境的不同亦存在效率問題，基站能耗數據采集系統可以通過監測獲知直流電源柜的直流電源柜的輸出直流累積電量和輸入交流累積電量，二者的比率即為直流電源柜的直流轉換效率。目前，各基站的直流電源柜的效率一般保持在0.86～0.90之間。3.2.3基站主設備基站主設備是基站機房的核心設備，接收來自RNC的數字基帶信號，進行射頻調制、功放、合路、經雙工器由天線發射信號；收信部分將從天線接收信號，經相反過程處理后送至RNC，習慣上也將主設備能耗稱為基站能耗。南寧市的基站主設備主要為室內宏基站和分布式基站，一體化基站較為稀少，故主要參照GB/T29239-2012《移動通信設備節能參數和測試方法》中的基站功耗模型進行主設備能耗的分析。同時主設備類型涵蓋GSM/TD-SCDMA/TD-LTE，分別對3種網絡制式進行能耗對比和分析。（1）GSM設備。以C1基站為例，如圖1所示，為機房內3臺GSM設備24h內的功耗對比。3臺GSM設備的型號均為RBS2206Ericsson，物理載頻數分別為10、12、8；由于3臺設備處于同一機房內，可認為三者所處的地區環境一致、業務負荷情況類似，對比其功耗情況，GSM設備1平均值2.4kWh、GSM設備2平均值2.709kWh、GSM設備3平均值2.057kWh，可以看出其平均功耗比率為1:1.13:0.86，與物理載頻數1:1.2:0.8接近，這是由于GSM設備存在基礎能耗的因素，使得載頻數相差較大的GSM設備功耗比率達到一定的削弱。（2）TD-SCDMA/TD-LTE設備。以C2基站為例，如圖2所示，為兩臺TD-SCDMA/TD-LTE設備24h內的功耗對比。兩臺GSM設備的型號均為BBU3900，由于兩臺設備處于同一機房內，可認為三者所處的地區環境一致、業務負荷情況類似，對比其功耗情況，設備1平均值2.37kWh，設備2平均值2.34kWh，可以看出二者功耗基本一致。（3）GSM設備/TD-SCDMA/TD-LTE設備。如圖3所示，為C3基站24h內各類主設備的功率對比，可見，各類設備功耗在16～17時達到峰值，4G設備的功耗基本保持穩定，起伏較小；而GSM設備和TD-SCDMA/TD-LTE設備從5時開始逐漸攀升，直到16時達到峰值，然后緩慢下降。主設備的能耗與業務負荷直接相關。3.2.4傳輸設備基站機房中，傳輸設備是RNC與NodeB間遠距離傳輸信號的關鍵。傳輸設備一般安置在配線架上，配線架有數字配線架和光纖配線架，在移動基站中所有信號線纜均要通過配線架進行連接。包含傳輸設備在內的整體配線架習慣上成為綜合柜，在基站機房的能耗分析中作為一個整體來考慮，其能耗一般比較穩定。截取多個基站24h內綜合柜的能耗狀況，如圖4所示，雖然各基站的綜合柜單位能耗相差較大，但在24h內保持穩定（其中C6-1，C6-2指C6基站內部的兩個綜合柜）。C6基站因地處商業區，業務負荷較高，單位功耗量在1.6kW以上；其它對比基站的單位功耗量均在0.25kW以下。3.2.5蓄電池組蓄電池是直流供電系統的重要組成部分，在市電正常時，蓄電池與整流器并聯運行，用來改善整流器的供電質量，起平滑濾波作用；當市電異常時，向負載提供直流電，是直流系統不間斷供電的基礎條件。在不出現突然斷電的情形時，基站蓄電池處于滿電待機狀態，消耗功率極小；當出現基站突然停電狀況時，蓄電池自動放電，并在基站恢復通電后自動充電。如圖5所示，為C10基站的蓄電池組工作時的狀態變化，對C10基站的電源柜輸出、蓄電池組累計電能分別作出曲線，清楚地體現出C10基站的蓄電池充電又放電的情況，市電正常工作時，蓄電池組經過充電，電能不斷累積，達到最高值1230.628kWh，市電掉電，然后電能逐漸減小直至市電恢復，繼續充電過程。如表1所示，可以看出，直流電源柜的耗電量曲線的變化情況：當蓄電池組處于放電狀態下，直流電源柜的耗電量曲線斜率變陡，負載電流變大；當市電恢復，蓄電池進入充電狀態，直流電源柜的耗電量曲線斜率變小，負載電流變小。3.2.6空調系統為保證局站通信設備的安全運行，通信局站內的溫度和濕度控制都是通過安裝空調來實現，而空調設備的能耗在局站總能耗中占有相當大的比重，由于局站設備配置不同，空調能耗一般占局站總能耗的50％～75％。隨著局站內的設備越來越多，設備的功耗和發熱量將越來越大，空調的能耗也將隨之迅速增加。日益膨脹的空調系統能耗是實現節能減排預定目標的最大阻礙。通信機房的空調能耗主要受兩部分影響：外部環境，熱源的增加必然導致空調運行時間的加大，從而加大了空調的能耗；空調本身的使用年限、能效比。在空調的類型、使用年限、能效比確定及預設制冷溫度一定的情況下，空調系統能耗主要由外部環境溫度決定。因此有必要建立起對于機房的環境溫度信息的采集機制，來進一步研究空調系統的能耗影響因素。通信機房來說，環境溫度參數包括機房內部空氣溫度、內外部的墻面溫度（東墻、西墻、南墻、北墻、外東墻、外西墻、外南墻、外北墻、內頂墻、內底墻、外頂墻），總共可達12個溫度參數，根據不同類型的通信機房需要監測的環境溫度參數會略有調整，視具體情況而定。如圖6所示，為C11基站5月1～2日內空氣溫度與空調耗電量在48h內的變化情況，箭頭所示為時間流向，藍線所示為每小時空調耗電量，紅線所示為室內空氣溫度，可見空調的溫度補償作用為滯后性補償，隨著溫度的上升，耗電量也會在延后一段時間持續上升，二者的波峰與波谷并不在同一時刻。如圖7所示，為C11基站內部各墻面溫度與室內空氣溫度的對比，可見空氣溫度變化起伏較大，且與空調功耗保持一致，而其它墻面溫度變化不大，一般情況下，以空氣溫度作為評估系統能耗的主要指標，同時也作為安全示警的重要參數。需要注意的是，因為C11基站處于樓房頂層，大部分墻面處于遮蔽處，溫度變化并不敏感。而當處于冬季時，空調耗電量的關系又表現出不同的特點：如圖8（2015年1月1日）所示，為24h內C11基站內部各墻面溫度、室內空氣溫度與空調耗電量的對比，可見空調耗電量與東墻面的溫度保持變化趨勢一致，存在滯后性補償的關系，基站內部空氣溫度一般高于墻面溫度，且除去東墻外其它各面墻壁的溫度變化趨勢一致。與夏秋季節空調耗電量主要與基站內部空氣溫度變化趨勢一致完全不同。以C12基站為例，圖9為C12基站5月15日的各墻面及室內空氣溫度變化情況，其中黃色三角型標記指示了空調耗電量的變化趨勢。可見空調耗電量與室內空氣溫度變化趨勢一致，而東墻、南墻墻面溫度的變化趨勢與空調系統耗電量曲線也比較接近，空調系統耗電量曲線是各墻面溫度及室內空氣溫度共同作用的結果。
4總結
基站機房的能耗居高不下是通信行業長期存在的難題，也是實施節能減排戰略的重要目標。而在不了解機房內部的能耗組成、來源的情況下，單一地安裝節能設備、啟用節能策略并不能完全達到節能降耗的目的，還可能造成資金的浪費。基站機房的節能降耗也需要做到“因癥制宜”，因此需要準確地獲取基站機房的能耗組成、變化規律、作用機制等，進而科學地規劃節能方案、發掘節能潛力。開展針對基站機房的能耗統計與分析，是優化節能管理的基礎和必要手段。
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