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移动通信基站机房能耗数据采集分析论文
摘要：基站机房的节能降耗是通信行业的重中之重，而全面而透彻地分解和分析基站机房的能耗组成、来源是首要的目标和出发点。广西移动与工信部通信计量中心合作，通过在试点基站建立能耗数据采集系统以获取实时数据，并结合话务、数据流量等基础参数，深入地进行了基站机房的能耗组成、变化规律及作用机制的研究分析。
关键词：数据采集论文
截至2014年底，中国移动通信用户已达13亿，基站数量已达200万以上。用户数量及业务量爆炸式的增长造成电信网络的能耗居高不下。国家“十二五”规划中首次将电信业节能降耗作为课题列出:通信行业节能降耗的整体战略与若干关键能耗控制策略研究。而在通信网络耗电中，基站机房的耗电量占总耗电量的60%以上，因此解决好基站机房的节能问题是通信行业的节能减排进程中的重中之重。而要达到基站机房的节能减排目标，首先必须全面而准确地获取基站机房的能耗组成、变化规律、作用机制等，进而科学地规划节能方案、发掘节能潜力。开展针对基站机房的能耗统计与分析，是合理的出发点和有效的落脚点。基站机房的能耗组成来源复杂，是话务量、温度、地理环境等多重因素共同作用的结果，而且随着时间的推移会有较大的起伏，因此在开展基站机房的能耗统计活动中，通常建立起针对试点机房的能耗采集系统，获取实时数据，进而能完整地展现出基站机房的能耗状况，是对科学研究和节能方案设计的有力支持。中国移动广西公司与工信部通信计量中心合作开展了“移动通信基站能耗数据采集和节能量分析”项目。该项目通过在试点基站建立能耗数据采集系统，实现对基站机房的能耗实时监测，根据获取得到的一年的基站能耗信息，科学、合理地分析机房能耗量的组成、数值、变化趋势，得到话务量、温度、地理环境等多重因素的作用机理和规律。项目首先建立基站能耗数据采集系统，并选取合适的试点基站机房，并进行基础能耗数据采集工作，同时采集试点基站的话务量、数据流量、机房配置信息等基础参数；最终在获取长达一年的能耗统计数据的基础上，进行基站机房的能耗组成、变化规律及作用机制的研究分析。
1基站能耗数据采集系统的组成和工作机制
1.1基站能耗数据采集系统的组成
项目定制的基站能耗数据采集系统主要由3部分组成。(1）多参数数据采集仪：集中了三相四线电参数、单相电参数、直流电参数、温度参数等能耗参数，其中交流电参数包括电压、频率、电流、有功功率、功率因数、有功电能等电参数，直流电参数包括电压、电流、功率、电能等。输出为RS-485接口的数字信号，支持MODBUS-RTU协议。可以有效地监控机房内的电流、电压以及温度等信息。(2）DTU（GPRS数据传输终端）：一种无线数据终端，利用公用运营商网络为用户提供无线长距离数据传输功能。(3）终端传感器：包含直流互感器、交流互感器和温度传感器。
1.2基站能耗数据采集系统的工作机制
终端传感器接收基站机房内的电流电压温度等信息，馈送至多参数数据采集仪；多参数数据采集仪将接收到的传感信息处理并经由数据传输终端，通过GPRS网络发送出去；中心服务器接收Internet上的信息，并通过应用软件进行数据处理、汇总和分析。
2试点基站机房的选取
项目中选取的试点基站机房一般按照以下原则以涵盖南宁市大多数的基站机房类型。（1）主设备、传输设备运转正常,蓄电池、空调等配套设备完好。（2）地理位置均匀分布在评估区域内，并涵盖各种地形（平原、高原、山地等）、降水量、植被覆盖等因素。（3）机房内的主设备型号应涵盖有类型。（4）机房的围护结构材质涵盖所有类型（砖混结构、彩钢结构等）。（5）根据话务量和数据流量等级均匀采样，不应有所遗漏。（6）对某些环境因素或者业务量变化较大的基站机房集中区域可以考虑增加试点数量，以提高采集数据的可信度。（7）所采集基站设备种类必须涵盖目前存在的所有设备种类（比如室外设备、监控系统等并非所有基站机房都有的耗电设备）。（8）所有基站类型应涵盖居民小区、商业中心区、办公楼宇区、工业园区、室外独立基站等各类基站。（9）所采集基站应包括不具有节能措施、包含单一节能措施、包含两种及其以上节能措施等各种节能情况。
3基站机房能耗组成与分析
3.1基站机房的能耗组成
在进行基站机房的能耗组成分析时，通常将总能耗按照设备种类进行分类讨论，一般来说，基站机房内的设备主要分为两大类：交流供电设备和直流供电设备。交流供电设备包括交流配电箱、直流开关电源柜、三相空调、照明设备、插座、新风设备、电池恒温柜等，该类设备的供电端起于交流配电箱。而直流供电设备包括主设备（如RBS2206﹑RBS6201），传输设备（综合柜），基带处理单元（BBU），蓄电池组等，该类设备的供电端起于直流电源柜的输出端。因此基站能耗数据采集系统也针对三相四线电参数、单相电参数、直流电参数进行分类采集。根据机房内各部分能耗的来源及影响因素不同，一般将机房的总能耗分为交流配电箱能耗、直流电源柜能耗、基站主设备能耗、传输设备能耗、蓄电池组能耗、空调能耗及其它设备能耗等。
3.2能耗分类讨论与分析
3.2.1交流配电箱交流配电箱是基站机房的市电输入起点，基站数据采集系统首先在配电箱的三相市电输入口处设置交流互感器以监测输入市电用量，站点的总耗电量是基站数据采集系统获取的首要信息。据统计，由于2月机房内温度较低，空调系统的启动时间较短，耗电量较少，可以明显看出2月的基站耗电量均小于其它各月，而随着气温回升，空调利用率逐渐提高，运行时间也较之更长，以后各月耗电量也随之上升。3.2.2直流电源柜直流电源柜的主要作用是从交流配电箱引入交流电，将交流电通过整流模块整流为直流电后，为负载供电，给蓄电池组充电，是机房内直流供电设备的起点。直流电源柜因使用年限、环境的不同亦存在效率问题，基站能耗数据采集系统可以通过监测获知直流电源柜的直流电源柜的输出直流累积电量和输入交流累积电量，二者的比率即为直流电源柜的直流转换效率。目前，各基站的直流电源柜的效率一般保持在0.86～0.90之间。3.2.3基站主设备基站主设备是基站机房的核心设备，接收来自RNC的数字基带信号，进行射频调制、功放、合路、经双工器由天线发射信号；收信部分将从天线接收信号，经相反过程处理后送至RNC，习惯上也将主设备能耗称为基站能耗。南宁市的基站主设备主要为室内宏基站和分布式基站，一体化基站较为稀少，故主要参照GB/T29239-2012《移动通信设备节能参数和测试方法》中的基站功耗模型进行主设备能耗的分析。同时主设备类型涵盖GSM/TD-SCDMA/TD-LTE，分别对3种网络制式进行能耗对比和分析。（1）GSM设备。以C1基站为例，如图1所示，为机房内3台GSM设备24h内的功耗对比。3台GSM设备的型号均为RBS2206Ericsson，物理载频数分别为10、12、8；由于3台设备处于同一机房内，可认为三者所处的地区环境一致、业务负荷情况类似，对比其功耗情况，GSM设备1平均值2.4kWh、GSM设备2平均值2.709kWh、GSM设备3平均值2.057kWh，可以看出其平均功耗比率为1:1.13:0.86，与物理载频数1:1.2:0.8接近，这是由于GSM设备存在基础能耗的因素，使得载频数相差较大的GSM设备功耗比率达到一定的削弱。（2）TD-SCDMA/TD-LTE设备。以C2基站为例，如图2所示，为两台TD-SCDMA/TD-LTE设备24h内的功耗对比。两台GSM设备的型号均为BBU3900，由于两台设备处于同一机房内，可认为三者所处的地区环境一致、业务负荷情况类似，对比其功耗情况，设备1平均值2.37kWh，设备2平均值2.34kWh，可以看出二者功耗基本一致。（3）GSM设备/TD-SCDMA/TD-LTE设备。如图3所示，为C3基站24h内各类主设备的功率对比，可见，各类设备功耗在16～17时达到峰值，4G设备的功耗基本保持稳定，起伏较小；而GSM设备和TD-SCDMA/TD-LTE设备从5时开始逐渐攀升，直到16时达到峰值，然后缓慢下降。主设备的能耗与业务负荷直接相关。3.2.4传输设备基站机房中，传输设备是RNC与NodeB间远距离传输信号的关键。传输设备一般安置在配线架上，配线架有数字配线架和光纤配线架，在移动基站中所有信号线缆均要通过配线架进行连接。包含传输设备在内的整体配线架习惯上成为综合柜，在基站机房的能耗分析中作为一个整体来考虑，其能耗一般比较稳定。截取多个基站24h内综合柜的能耗状况，如图4所示，虽然各基站的综合柜单位能耗相差较大，但在24h内保持稳定（其中C6-1，C6-2指C6基站内部的两个综合柜）。C6基站因地处商业区，业务负荷较高，单位功耗量在1.6kW以上；其它对比基站的单位功耗量均在0.25kW以下。3.2.5蓄电池组蓄电池是直流供电系统的重要组成部分，在市电正常时，蓄电池与整流器并联运行，用来改善整流器的供电质量，起平滑滤波作用；当市电异常时，向负载提供直流电，是直流系统不间断供电的基础条件。在不出现突然断电的情形时，基站蓄电池处于满电待机状态，消耗功率极小；当出现基站突然停电状况时，蓄电池自动放电，并在基站恢复通电后自动充电。如图5所示，为C10基站的蓄电池组工作时的状态变化，对C10基站的电源柜输出、蓄电池组累计电能分别作出曲线，清楚地体现出C10基站的蓄电池充电又放电的情况，市电正常工作时，蓄电池组经过充电，电能不断累积，达到最高值1230.628kWh，市电掉电，然后电能逐渐减小直至市电恢复，继续充电过程。如表1所示，可以看出，直流电源柜的耗电量曲线的变化情况：当蓄电池组处于放电状态下，直流电源柜的耗电量曲线斜率变陡，负载电流变大；当市电恢复，蓄电池进入充电状态，直流电源柜的耗电量曲线斜率变小，负载电流变小。3.2.6空调系统为保证局站通信设备的安全运行，通信局站内的温度和湿度控制都是通过安装空调来实现，而空调设备的能耗在局站总能耗中占有相当大的比重，由于局站设备配置不同，空调能耗一般占局站总能耗的50％～75％。随着局站内的设备越来越多，设备的功耗和发热量将越来越大，空调的能耗也将随之迅速增加。日益膨胀的空调系统能耗是实现节能减排预定目标的最大阻碍。通信机房的空调能耗主要受两部分影响：外部环境，热源的增加必然导致空调运行时间的加大，从而加大了空调的能耗；空调本身的使用年限、能效比。在空调的类型、使用年限、能效比确定及预设制冷温度一定的情况下，空调系统能耗主要由外部环境温度决定。因此有必要建立起对于机房的环境温度信息的采集机制，来进一步研究空调系统的能耗影响因素。通信机房来说，环境温度参数包括机房内部空气温度、内外部的墙面温度（东墙、西墙、南墙、北墙、外东墙、外西墙、外南墙、外北墙、内顶墙、内底墙、外顶墙），总共可达12个温度参数，根据不同类型的通信机房需要监测的环境温度参数会略有调整，视具体情况而定。如图6所示，为C11基站5月1～2日内空气温度与空调耗电量在48h内的变化情况，箭头所示为时间流向，蓝线所示为每小时空调耗电量，红线所示为室内空气温度，可见空调的温度补偿作用为滞后性补偿，随着温度的上升，耗电量也会在延后一段时间持续上升，二者的波峰与波谷并不在同一时刻。如图7所示，为C11基站内部各墙面温度与室内空气温度的对比，可见空气温度变化起伏较大，且与空调功耗保持一致，而其它墙面温度变化不大，一般情况下，以空气温度作为评估系统能耗的主要指标，同时也作为安全示警的重要参数。需要注意的是，因为C11基站处于楼房顶层，大部分墙面处于遮蔽处，温度变化并不敏感。而当处于冬季时，空调耗电量的关系又表现出不同的特点：如图8（2015年1月1日）所示，为24h内C11基站内部各墙面温度、室内空气温度与空调耗电量的对比，可见空调耗电量与东墙面的温度保持变化趋势一致，存在滞后性补偿的关系，基站内部空气温度一般高于墙面温度，且除去东墙外其它各面墙壁的温度变化趋势一致。与夏秋季节空调耗电量主要与基站内部空气温度变化趋势一致完全不同。以C12基站为例，图9为C12基站5月15日的各墙面及室内空气温度变化情况，其中黄色三角型标记指示了空调耗电量的变化趋势。可见空调耗电量与室内空气温度变化趋势一致，而东墙、南墙墙面温度的变化趋势与空调系统耗电量曲线也比较接近，空调系统耗电量曲线是各墙面温度及室内空气温度共同作用的结果。
4总结
基站机房的能耗居高不下是通信行业长期存在的难题，也是实施节能减排战略的重要目标。而在不了解机房内部的能耗组成、来源的情况下，单一地安装节能设备、启用节能策略并不能完全达到节能降耗的目的，还可能造成资金的浪费。基站机房的节能降耗也需要做到“因症制宜”，因此需要准确地获取基站机房的能耗组成、变化规律、作用机制等，进而科学地规划节能方案、发掘节能潜力。开展针对基站机房的能耗统计与分析，是优化节能管理的基础和必要手段。
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