移動通信基站機房能耗數(shù)據(jù)采集分析論文

　　摘要：基站機房的節(jié)能降耗是通信行業(yè)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(fā)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以獲取實時數(shù)據(jù)，并結(jié)合話務、數(shù)據(jù)流量等基礎參數(shù)，深入地進行了基站機房的能耗組成、變化規(guī)律及作用機制的研究分析。

　　關鍵詞：數(shù)據(jù)采集論文

　　截至2014年底，中國移動通信用戶已達13億，基站數(shù)量已達200萬以上。用戶數(shù)量及業(yè)務量爆炸式的增長造成電信網(wǎng)絡的能耗居高不下。國家“十二五”規(guī)劃中首次將電信業(yè)節(jié)能降耗作為課題列出:通信行業(yè)節(jié)能降耗的整體戰(zhàn)略與若干關鍵能耗控制策略研究。而在通信網(wǎng)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(jié)能問題是通信行業(yè)的節(jié)能減排進程中的重中之重。而要達到基站機房的節(jié)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(guī)律、作用機制等，進而科學地規(guī)劃節(jié)能方案、發(fā)掘節(jié)能潛力。開展針對基站機房的能耗統(tǒng)計與分析，是合理的出發(fā)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(huán)境等多重因素共同作用的結(jié)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(tǒng)計活動中，通常建立起針對試點機房的能耗采集系統(tǒng)，獲取實時數(shù)據(jù)，進而能完整地展現(xiàn)出基站機房的能耗狀況，是對科學研究和節(jié)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(shù)據(jù)采集和節(jié)能量分析”項目。該項目通過在試點基站建立能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對基站機房的能耗實時監(jiān)測，根據(jù)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(shù)值、變化趨勢，得到話務量、溫度、地理環(huán)境等多重因素的作用機理和規(guī)律。項目首先建立基站能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并選取合適的試點基站機房，并進行基礎能耗數(shù)據(jù)采集工作，同時采集試點基站的話務量、數(shù)據(jù)流量、機房配置信息等基礎參數(shù)；最終在獲取長達一年的能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎上，進行基站機房的能耗組成、變化規(guī)律及作用機制的研究分析。

　　1基站能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成和工作機制

　　1.1基站能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

　　項目定制的基站能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由3部分組成。(1）多參數(shù)數(shù)據(jù)采集儀：集中了三相四線電參數(shù)、單相電參數(shù)、直流電參數(shù)、溫度參數(shù)等能耗參數(shù)，其中交流電參數(shù)包括電壓、頻率、電流、有功功率、功率因數(shù)、有功電能等電參數(shù)，直流電參數(shù)包括電壓、電流、功率、電能等。輸出為RS-485接口的數(shù)字信號，支持MODBUS-RTU協(xié)議�？梢杂行У乇O(jiān)控機房內(nèi)的電流、電壓以及溫度等信息。(2）DTU（GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端）：一種無線數(shù)據(jù)終端，利用公用運營商網(wǎng)絡為用戶提供無線長距離數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作機制

　　終端傳感器接收基站機房內(nèi)的電流電壓溫度等信息，饋送至多參數(shù)數(shù)據(jù)采集儀；多參數(shù)數(shù)據(jù)采集儀將接收到的傳感信息處理并經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸終端，通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)的基站機房類型。（1）主設備、傳輸設備運轉(zhuǎn)正常,蓄電池、空調(diào)等配套設備完好。（2）地理位置均勻分布在評估區(qū)域內(nèi)，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(nèi)的主設備型號應涵蓋有類型。（4）機房的圍護結(jié)構(gòu)材質(zhì)涵蓋所有類型（磚混結(jié)構(gòu)、彩鋼結(jié)構(gòu)等）。（5）根據(jù)話務量和數(shù)據(jù)流量等級均勻采樣，不應有所遺漏。（6）對某些環(huán)境因素或者業(yè)務量變化較大的基站機房集中區(qū)域可以考慮增加試點數(shù)量，以提高采集數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)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(qū)、商業(yè)中心區(qū)、辦公樓宇區(qū)、工業(yè)園區(qū)、室外獨立基站等各類基站。（9）所采集基站應包括不具有節(jié)能措施、包含單一節(jié)能措施、包含兩種及其以上節(jié)能措施等各種節(jié)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(nèi)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(diào)、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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也針對三相四線電參數(shù)、單相電參數(shù)、直流電參數(shù)進行分類采集。根據(jù)機房內(nèi)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(diào)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)首先在配電箱的三相市電輸入口處設置交流互感器以監(jiān)測輸入市電用量，站點的總耗電量是基站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的首要信息。據(jù)統(tǒng)計，由于2月機房內(nèi)溫度較低，空調(diào)系統(tǒng)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(diào)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(nèi)直流供電設備的起點。直流電源柜因使用年限、環(huán)境的不同亦存在效率問題，基站能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以通過監(jiān)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(zhuǎn)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(shù)字基帶信號，進行射頻調(diào)制、功放、合路、經(jīng)雙工器由天線發(fā)射信號；收信部分將從天線接收信號，經(jīng)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(nèi)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(jié)能參數(shù)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(wǎng)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(nèi)3臺GSM設備24h內(nèi)的功耗對比。3臺GSM設備的型號均為RBS2206Ericsson，物理載頻數(shù)分別為10、12、8；由于3臺設備處于同一機房內(nèi)，可認為三者所處的地區(qū)環(huán)境一致、業(yè)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(shù)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(shù)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(nèi)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(nèi)，可認為三者所處的地區(qū)環(huán)境一致、業(yè)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(nèi)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(wěn)定，起伏較�。欢鳪SM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(yè)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(shù)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(nèi)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(wěn)定。截取多個基站24h內(nèi)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(nèi)保持穩(wěn)定（其中C6-1，C6-2指C6基站內(nèi)部的兩個綜合柜）。C6基站因地處商業(yè)區(qū)，業(yè)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(tǒng)的重要組成部分，在市電正常時，蓄電池與整流器并聯(lián)運行，用來改善整流器的供電質(zhì)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(tǒng)不間斷供電的基礎條件。在不出現(xiàn)突然斷電的情形時，基站蓄電池處于滿電待機狀態(tài)，消耗功率極小；當出現(xiàn)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(tài)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(xiàn)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(jīng)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(xù)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(tài)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(tài)，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(diào)系統(tǒng)為保證局站通信設備的安全運行，通信局站內(nèi)的溫度和濕度控制都是通過安裝空調(diào)來實現(xiàn)，而空調(diào)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(diào)能耗一般占局站總能耗的50％～75％。隨著局站內(nèi)的設備越來越多，設備的功耗和發(fā)熱量將越來越大，空調(diào)的能耗也將隨之迅速增加。日益膨脹的空調(diào)系統(tǒng)能耗是實現(xiàn)節(jié)能減排預定目標的最大阻礙。通信機房的空調(diào)能耗主要受兩部分影響：外部環(huán)境，熱源的增加必然導致空調(diào)運行時間的加大，從而加大了空調(diào)的能耗；空調(diào)本身的使用年限、能效比。在空調(diào)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(diào)系統(tǒng)能耗主要由外部環(huán)境溫度決定。因此有必要建立起對于機房的環(huán)境溫度信息的采集機制，來進一步研究空調(diào)系統(tǒng)的能耗影響因素。通信機房來說，環(huán)境溫度參數(shù)包括機房內(nèi)部空氣溫度、內(nèi)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(nèi)頂墻、內(nèi)底墻、外頂墻），總共可達12個溫度參數(shù)，根據(jù)不同類型的通信機房需要監(jiān)測的環(huán)境溫度參數(shù)會略有調(diào)整，視具體情況而定。如圖6所示，為C11基站5月1～2日內(nèi)空氣溫度與空調(diào)耗電量在48h內(nèi)的變化情況，箭頭所示為時間流向，藍線所示為每小時空調(diào)耗電量，紅線所示為室內(nèi)空氣溫度，可見空調(diào)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(xù)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(nèi)部各墻面溫度與室內(nèi)空氣溫度的對比，可見空氣溫度變化起伏較大，且與空調(diào)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(tǒng)能耗的主要指標，同時也作為安全示警的重要參數(shù)。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(diào)耗電量的關系又表現(xiàn)出不同的特點：如圖8（2015年1月1日）所示，為24h內(nèi)C11基站內(nèi)部各墻面溫度、室內(nèi)空氣溫度與空調(diào)耗電量的對比，可見空調(diào)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?shù)年P系，基站內(nèi)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(jié)空調(diào)耗電量主要與基站內(nèi)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(nèi)空氣溫度變化情況，其中黃色三角型標記指示了空調(diào)耗電量的變化趨勢�？梢娍照{(diào)耗電量與室內(nèi)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(diào)系統(tǒng)耗電量曲線也比較接近，空調(diào)系統(tǒng)耗電量曲線是各墻面溫度及室內(nèi)空氣溫度共同作用的結(jié)果。

　　4總結(jié)

　　基站機房的能耗居高不下是通信行業(yè)長期存在的難題，也是實施節(jié)能減排戰(zhàn)略的重要目標。而在不了解機房內(nèi)部的能耗組成、來源的情況下，單一地安裝節(jié)能設備、啟用節(jié)能策略并不能完全達到節(jié)能降耗的目的，還可能造成資金的浪費�；�站機房的節(jié)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(guī)律、作用機制等，進而科學地規(guī)劃節(jié)能方案、發(fā)掘節(jié)能潛力。開展針對基站機房的能耗統(tǒng)計與分析，是優(yōu)化節(jié)能管理的基礎和必要手段。

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