移動(dòng)通信基站機(jī)房能耗數(shù)據(jù)采集分析論文
摘要：基站機(jī)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(jī)房的能耗組成、來(lái)源是首要的目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)。廣西移動(dòng)與工信部通信計(jì)量中心合作，通過(guò)在試點(diǎn)基站建立能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并結(jié)合話(huà)務(wù)、數(shù)據(jù)流量等基礎(chǔ)參數(shù)，深入地進(jìn)行了基站機(jī)房的能耗組成、變化規(guī)律及作用機(jī)制的研究分析。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集論文
截至2014年底，中國(guó)移動(dòng)通信用戶(hù)已達(dá)13億，基站數(shù)量已達(dá)200萬(wàn)以上。用戶(hù)數(shù)量及業(yè)務(wù)量爆炸式的增長(zhǎng)造成電信網(wǎng)絡(luò)的能耗居高不下。國(guó)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(guān)鍵能耗控制策略研究。而在通信網(wǎng)絡(luò)耗電中，基站機(jī)房的耗電量占總耗電量的60%以上，因此解決好基站機(jī)房的節(jié)能問(wèn)題是通信行業(yè)的節(jié)能減排進(jìn)程中的重中之重。而要達(dá)到基站機(jī)房的節(jié)能減排目標(biāo)，首先必須全面而準(zhǔn)確地獲取基站機(jī)房的能耗組成、變化規(guī)律、作用機(jī)制等，進(jìn)而科學(xué)地規(guī)劃節(jié)能方案、發(fā)掘節(jié)能潛力。開(kāi)展針對(duì)基站機(jī)房的能耗統(tǒng)計(jì)與分析，是合理的出發(fā)點(diǎn)和有效的落腳點(diǎn)。基站機(jī)房的能耗組成來(lái)源復(fù)雜，是話(huà)務(wù)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(shí)間的推移會(huì)有較大的起伏，因此在開(kāi)展基站機(jī)房的能耗統(tǒng)計(jì)活動(dòng)中，通常建立起針對(duì)試點(diǎn)機(jī)房的能耗采集系統(tǒng)，獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)而能完整地展現(xiàn)出基站機(jī)房的能耗狀況，是對(duì)科學(xué)研究和節(jié)能方案設(shè)計(jì)的有力支持。中國(guó)移動(dòng)廣西公司與工信部通信計(jì)量中心合作開(kāi)展了“移動(dòng)通信基站能耗數(shù)據(jù)采集和節(jié)能量分析”項(xiàng)目。該項(xiàng)目通過(guò)在試點(diǎn)基站建立能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)基站機(jī)房的能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)獲取得到的一年的基站能耗信息，科學(xué)、合理地分析機(jī)房能耗量的組成、數(shù)值、變化趨勢(shì)，得到話(huà)務(wù)量、溫度、地理環(huán)境等多重因素的作用機(jī)理和規(guī)律。項(xiàng)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(diǎn)基站機(jī)房，并進(jìn)行基礎(chǔ)能耗數(shù)據(jù)采集工作，同時(shí)采集試點(diǎn)基站的話(huà)務(wù)量、數(shù)據(jù)流量、機(jī)房配置信息等基礎(chǔ)參數(shù)；最終在獲取長(zhǎng)達(dá)一年的能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基站機(jī)房的能耗組成、變化規(guī)律及作用機(jī)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(jī)制
1.1基站能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成
項(xiàng)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(xiàn)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(hào)，支持MODBUS-RTU協(xié)議。可以有效地監(jiān)控機(jī)房?jī)?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(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)終端，利用公用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)為用戶(hù)提供無(wú)線(xiàn)長(zhǎng)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(jī)制
終端傳感器接收基站機(jī)房?jī)?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(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去；中心服務(wù)器接收Internet上的信息，并通過(guò)應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、匯總和分析。
2試點(diǎn)基站機(jī)房的選取
項(xiàng)目中選取的試點(diǎn)基站機(jī)房一般按照以下原則以涵蓋南寧市大多數(shù)的基站機(jī)房類(lèi)型。（1）主設(shè)備、傳輸設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常,蓄電池、空調(diào)等配套設(shè)備完好。（2）地理位置均勻分布在評(píng)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(jī)房?jī)?nèi)的主設(shè)備型號(hào)應(yīng)涵蓋有類(lèi)型。（4）機(jī)房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)涵蓋所有類(lèi)型（磚混結(jié)構(gòu)、彩鋼結(jié)構(gòu)等）。（5）根據(jù)話(huà)務(wù)量和數(shù)據(jù)流量等級(jí)均勻采樣，不應(yīng)有所遺漏。（6）對(duì)某些環(huán)境因素或者業(yè)務(wù)量變化較大的基站機(jī)房集中區(qū)域可以考慮增加試點(diǎn)數(shù)量，以提高采集數(shù)據(jù)的可信度。（7）所采集基站設(shè)備種類(lèi)必須涵蓋目前存在的所有設(shè)備種類(lèi)（比如室外設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)等并非所有基站機(jī)房都有的耗電設(shè)備）。（8）所有基站類(lèi)型應(yīng)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(dú)立基站等各類(lèi)基站。（9）所采集基站應(yīng)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(jī)房能耗組成與分析
3.1基站機(jī)房的能耗組成
在進(jìn)行基站機(jī)房的能耗組成分析時(shí)，通常將總能耗按照設(shè)備種類(lèi)進(jìn)行分類(lèi)討論，一般來(lái)說(shuō)，基站機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備主要分為兩大類(lèi)：交流供電設(shè)備和直流供電設(shè)備。交流供電設(shè)備包括交流配電箱、直流開(kāi)關(guān)電源柜、三相空調(diào)、照明設(shè)備、插座、新風(fēng)設(shè)備、電池恒溫柜等，該類(lèi)設(shè)備的供電端起于交流配電箱。而直流供電設(shè)備包括主設(shè)備（如RBS2206﹑RBS6201），傳輸設(shè)備（綜合柜），基帶處理單元（BBU），蓄電池組等，該類(lèi)設(shè)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(duì)三相四線(xiàn)電參數(shù)、單相電參數(shù)、直流電參數(shù)進(jìn)行分類(lèi)采集。根據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)各部分能耗的來(lái)源及影響因素不同，一般將機(jī)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(shè)備能耗、傳輸設(shè)備能耗、蓄電池組能耗、空調(diào)能耗及其它設(shè)備能耗等。
3.2能耗分類(lèi)討論與分析
3.2.1交流配電箱交流配電箱是基站機(jī)房的市電輸入起點(diǎn)，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(shè)置交流互感器以監(jiān)測(cè)輸入市電用量，站點(diǎn)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(jì)，由于2月機(jī)房?jī)?nèi)溫度較低，空調(diào)系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)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(yùn)行時(shí)間也較之更長(zhǎng)，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(guò)整流模塊整流為直流電后，為負(fù)載供電，給蓄電池組充電，是機(jī)房?jī)?nèi)直流供電設(shè)備的起點(diǎn)。直流電源柜因使用年限、環(huán)境的不同亦存在效率問(wèn)題，基站能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以通過(guò)監(jiān)測(cè)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(shè)備基站主設(shè)備是基站機(jī)房的核心設(shè)備，接收來(lái)自RNC的數(shù)字基帶信號(hào)，進(jìn)行射頻調(diào)制、功放、合路、經(jīng)雙工器由天線(xiàn)發(fā)射信號(hào)；收信部分將從天線(xiàn)接收信號(hào)，經(jīng)相反過(guò)程處理后送至RNC，習(xí)慣上也將主設(shè)備能耗稱(chēng)為基站能耗。南寧市的基站主設(shè)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(dòng)通信設(shè)備節(jié)能參數(shù)和測(cè)試方法》中的基站功耗模型進(jìn)行主設(shè)備能耗的分析。同時(shí)主設(shè)備類(lèi)型涵蓋GSM/TD-SCDMA/TD-LTE，分別對(duì)3種網(wǎng)絡(luò)制式進(jìn)行能耗對(duì)比和分析。（1）GSM設(shè)備。以C1基站為例，如圖1所示，為機(jī)房?jī)?nèi)3臺(tái)GSM設(shè)備24h內(nèi)的功耗對(duì)比。3臺(tái)GSM設(shè)備的型號(hào)均為RBS2206Ericsson，物理載頻數(shù)分別為10、12、8；由于3臺(tái)設(shè)備處于同一機(jī)房?jī)?nèi)，可認(rèn)為三者所處的地區(qū)環(huán)境一致、業(yè)務(wù)負(fù)荷情況類(lèi)似，對(duì)比其功耗情況，GSM設(shè)備1平均值2.4kWh、GSM設(shè)備2平均值2.709kWh、GSM設(shè)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(shè)備存在基礎(chǔ)能耗的因素，使得載頻數(shù)相差較大的GSM設(shè)備功耗比率達(dá)到一定的削弱。（2）TD-SCDMA/TD-LTE設(shè)備。以C2基站為例，如圖2所示，為兩臺(tái)TD-SCDMA/TD-LTE設(shè)備24h內(nèi)的功耗對(duì)比。兩臺(tái)GSM設(shè)備的型號(hào)均為BBU3900，由于兩臺(tái)設(shè)備處于同一機(jī)房?jī)?nèi)，可認(rèn)為三者所處的地區(qū)環(huán)境一致、業(yè)務(wù)負(fù)荷情況類(lèi)似，對(duì)比其功耗情況，設(shè)備1平均值2.37kWh，設(shè)備2平均值2.34kWh，可以看出二者功耗基本一致。（3）GSM設(shè)備/TD-SCDMA/TD-LTE設(shè)備。如圖3所示，為C3基站24h內(nèi)各類(lèi)主設(shè)備的功率對(duì)比，可見(jiàn)，各類(lèi)設(shè)備功耗在16～17時(shí)達(dá)到峰值，4G設(shè)備的功耗基本保持穩(wěn)定，起伏較小；而GSM設(shè)備和TD-SCDMA/TD-LTE設(shè)備從5時(shí)開(kāi)始逐漸攀升，直到16時(shí)達(dá)到峰值，然后緩慢下降。主設(shè)備的能耗與業(yè)務(wù)負(fù)荷直接相關(guān)。3.2.4傳輸設(shè)備基站機(jī)房中，傳輸設(shè)備是RNC與NodeB間遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)的關(guān)鍵。傳輸設(shè)備一般安置在配線(xiàn)架上，配線(xiàn)架有數(shù)字配線(xiàn)架和光纖配線(xiàn)架，在移動(dòng)基站中所有信號(hào)線(xiàn)纜均要通過(guò)配線(xiàn)架進(jìn)行連接。包含傳輸設(shè)備在內(nèi)的整體配線(xiàn)架習(xí)慣上成為綜合柜，在基站機(jī)房的能耗分析中作為一個(gè)整體來(lái)考慮，其能耗一般比較穩(wěn)定。截取多個(gè)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(gè)綜合柜）。C6基站因地處商業(yè)區(qū)，業(yè)務(wù)負(fù)荷較高，單位功耗量在1.6kW以上；其它對(duì)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(shí)，蓄電池與整流器并聯(lián)運(yùn)行，用來(lái)改善整流器的供電質(zhì)量，起平滑濾波作用；當(dāng)市電異常時(shí)，向負(fù)載提供直流電，是直流系統(tǒng)不間斷供電的基礎(chǔ)條件。在不出現(xiàn)突然斷電的情形時(shí)，基站蓄電池處于滿(mǎn)電待機(jī)狀態(tài)，消耗功率極小；當(dāng)出現(xiàn)基站突然停電狀況時(shí)，蓄電池自動(dòng)放電，并在基站恢復(fù)通電后自動(dòng)充電。如圖5所示，為C10基站的蓄電池組工作時(shí)的狀態(tài)變化，對(duì)C10基站的電源柜輸出、蓄電池組累計(jì)電能分別作出曲線(xiàn)，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(shí)，蓄電池組經(jīng)過(guò)充電，電能不斷累積，達(dá)到最高值1230.628kWh，市電掉電，然后電能逐漸減小直至市電恢復(fù)，繼續(xù)充電過(guò)程。如表1所示，可以看出，直流電源柜的耗電量曲線(xiàn)的變化情況：當(dāng)蓄電池組處于放電狀態(tài)下，直流電源柜的耗電量曲線(xiàn)斜率變陡，負(fù)載電流變大；當(dāng)市電恢復(fù)，蓄電池進(jìn)入充電狀態(tài)，直流電源柜的耗電量曲線(xiàn)斜率變小，負(fù)載電流變小。3.2.6空調(diào)系統(tǒng)為保證局站通信設(shè)備的安全運(yùn)行，通信局站內(nèi)的溫度和濕度控制都是通過(guò)安裝空調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而空調(diào)設(shè)備的能耗在局站總能耗中占有相當(dāng)大的比重，由于局站設(shè)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(shè)備越來(lái)越多，設(shè)備的功耗和發(fā)熱量將越來(lái)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(shí)現(xiàn)節(jié)能減排預(yù)定目標(biāo)的最大阻礙。通信機(jī)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(dǎo)致空調(diào)運(yùn)行時(shí)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(lèi)型、使用年限、能效比確定及預(yù)設(shè)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(duì)于機(jī)房的環(huán)境溫度信息的采集機(jī)制，來(lái)進(jìn)一步研究空調(diào)系統(tǒng)的能耗影響因素。通信機(jī)房來(lái)說(shuō)，環(huán)境溫度參數(shù)包括機(jī)房?jī)?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(dá)12個(gè)溫度參數(shù)，根據(jù)不同類(lèi)型的通信機(jī)房需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境溫度參數(shù)會(huì)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(shí)間流向，藍(lán)線(xiàn)所示為每小時(shí)空調(diào)耗電量，紅線(xiàn)所示為室內(nèi)空氣溫度，可見(jiàn)空調(diào)的溫度補(bǔ)償作用為滯后性補(bǔ)償，隨著溫度的上升，耗電量也會(huì)在延后一段時(shí)間持續(xù)上升，二者的波峰與波谷并不在同一時(shí)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(duì)比，可見(jiàn)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(píng)估系統(tǒng)能耗的主要指標(biāo)，同時(shí)也作為安全示警的重要參數(shù)。需要注意的是，因?yàn)镃11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(dāng)處于冬季時(shí)，空調(diào)耗電量的關(guān)系又表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)：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(duì)比，可見(jiàn)空調(diào)耗電量與東墻面的溫度保持變化趨勢(shì)一致，存在滯后性補(bǔ)償?shù)年P(guān)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(shì)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(shì)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(biāo)記指示了空調(diào)耗電量的變化趨勢(shì)。可見(jiàn)空調(diào)耗電量與室內(nèi)空氣溫度變化趨勢(shì)一致，而東墻、南墻墻面溫度的變化趨勢(shì)與空調(diào)系統(tǒng)耗電量曲線(xiàn)也比較接近，空調(diào)系統(tǒng)耗電量曲線(xiàn)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(jī)房的能耗居高不下是通信行業(yè)長(zhǎng)期存在的難題，也是實(shí)施節(jié)能減排戰(zhàn)略的重要目標(biāo)。而在不了解機(jī)房?jī)?nèi)部的能耗組成、來(lái)源的情況下，單一地安裝節(jié)能設(shè)備、啟用節(jié)能策略并不能完全達(dá)到節(jié)能降耗的目的，還可能造成資金的浪費(fèi)。基站機(jī)房的節(jié)能降耗也需要做到“因癥制宜”，因此需要準(zhǔn)確地獲取基站機(jī)房的能耗組成、變化規(guī)律、作用機(jī)制等，進(jìn)而科學(xué)地規(guī)劃節(jié)能方案、發(fā)掘節(jié)能潛力。開(kāi)展針對(duì)基站機(jī)房的能耗統(tǒng)計(jì)與分析，是優(yōu)化節(jié)能管理的基礎(chǔ)和必要手段。
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