社會快速發(fā)展使網(wǎng)絡(luò)日益成為生活不可或缺的組成部分，隨著通信網(wǎng)絡(luò)IP化和扁平化發(fā)展，單個核心機(jī)房覆蓋的網(wǎng)絡(luò)用戶更多，數(shù)據(jù)流量快速增長。主設(shè)備不斷演進(jìn)帶來單位數(shù)據(jù)流量耗電量下降，但支撐數(shù)字洪水的寬帶網(wǎng)絡(luò)總體能耗仍在不斷上升，電源容量越來越大，也使得電源和電池占地面積繼續(xù)增長。通信大樓與機(jī)房布局規(guī)劃在先，區(qū)域占比既定，電力電池室面積日益緊張。
核心機(jī)房一天浪費電能千度以上
隨著供電規(guī)模的增大，核心機(jī)房配置多臺大型電力變壓器變得越來越普遍，一個機(jī)房一天耗電10萬度并不鮮見。核心機(jī)房主要耗電設(shè)備包括以核心交換機(jī)為代表的直流負(fù)載、以服務(wù)器為代表的交流負(fù)載和以機(jī)房精密空調(diào)為代表的溫控系統(tǒng)，耗電量占核心機(jī)房總能耗的90%以上。根據(jù)傳統(tǒng)核心機(jī)房能效模型分析，1W的處理器耗能，需要1.07W的溫控耗能，0.31W的整流耗能，變壓器、UPS、二次電源等消耗0.46W，總能耗達(dá)到2.83W，處理器能耗僅占機(jī)房總能耗的35%。除處理器外，其它耗能沒有發(fā)揮直接的價值，存在著巨大的節(jié)省空間。
基于對能效邏輯的理解，運營商在網(wǎng)絡(luò)快速演進(jìn)過程中優(yōu)選低功耗主設(shè)備，通過降低處理器能耗，獲得了近三倍的節(jié)能效果。為主設(shè)備供電的電源系統(tǒng)演進(jìn)相對緩慢，通信電源從線性電源、相控電源發(fā)展到高頻高開電源，經(jīng)歷了60年的時間。2006年以后，高效拓?fù)浼夹g(shù)開始顯露曙光，目前業(yè)界主流廠家可以提供以30A和50A規(guī)格為主的96%效率高效整流模塊，高效整流模塊組成的電源系統(tǒng)在發(fā)達(dá)國家運營商成為主流應(yīng)用。據(jù)華為公司發(fā)貨數(shù)據(jù)統(tǒng)計，90%以上的電源發(fā)貨均為高效電源系統(tǒng)。
由于電源設(shè)備運行壽命遠(yuǎn)長于主設(shè)備，在網(wǎng)普效電源還有較長的生命周期，總體效率低于90%，10%以上的電能以發(fā)熱的形式被浪費。以年耗電100億度的中國電信為例，核心機(jī)房能耗約占總能耗的35%，其中直流負(fù)載用電占核心機(jī)房總耗電的25%，直流電源本身每年浪費1億度左右的電能。對于一個200kW直流負(fù)載的核心機(jī)房，一天浪費電能高達(dá)1000度以上。
電力電池室占比1:5岌岌可危
傳統(tǒng)核心機(jī)房的主要負(fù)載是交換設(shè)備，電路交換機(jī)單柜功率1kW左右，軟交換單柜功率2kW以上。軟交換取代電路交換，使核心機(jī)房單機(jī)柜處理能力大幅上升，曾一度使核心機(jī)房機(jī)柜數(shù)量減少，電能消耗下降。隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，計算機(jī)從偶而上網(wǎng)到永遠(yuǎn)在線；隨著平板電腦、智能手機(jī)廣泛應(yīng)用，人們生活已經(jīng)離不開網(wǎng)絡(luò)，寬帶和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)高速發(fā)展，機(jī)房總能耗水平反轉(zhuǎn)并急驟上升。
近年來，交換設(shè)備平均單柜功耗從3kW將發(fā)展到接近4kW；傳輸系統(tǒng)單位機(jī)架功率密度由4kW/m2增加到6kW/m2；數(shù)據(jù)設(shè)備功率上升速度明顯，如BOSS機(jī)房單柜功率達(dá)到5~7kW。由于新老設(shè)備并存，列頭柜、配線架、空調(diào)、消防等存在，現(xiàn)在實際主設(shè)備機(jī)房功率密度為0.2~0.3kW/m2。從發(fā)展趨勢來看，通信設(shè)備平均單柜功率可達(dá)5kW以上，機(jī)房功率密度最高可達(dá)0.8kW/m2以上。
長期來看，電源和電池能量密度沒有顯著上升，電力電池室的功率密度僅為2kW/m2左右。在機(jī)房規(guī)劃時，電力電池室與設(shè)備機(jī)房面積存在一定的比例，常見比例為1:5左右。通信網(wǎng)絡(luò)多年來高速發(fā)展，使電力電池室可用面積下降速度快于主設(shè)備機(jī)房，造成電力電池室空間瓶頸。如甘肅某運營兩個核心節(jié)點機(jī)房的電力電池室面積平均為730平米，機(jī)房平均面積3617平米，比例為1:4.95。主設(shè)備機(jī)房空間利用率為72%，電力電池室空間利用率達(dá)到90%，電力電池室面積不能同步支撐通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)展。
按機(jī)房面積1:5，2kW/m2左右的電力電池室只能支持0.4kW/m2的設(shè)備機(jī)房，離較高集成度的0.8kW/m2有很大的差距，需要2倍提升電力電池室功率密度。
96%新一代高效大電源帶來核心機(jī)房節(jié)能曙光
主設(shè)備耗電僅占核心機(jī)房總耗電的50%左右，其余能耗主要被溫控系統(tǒng)和電源自身損耗。采用冷熱通道、風(fēng)道密封的精確制冷方式，輔以利用外部冷源方式，溫控系統(tǒng)節(jié)能正在如火如荼，取得了顯著成果。而以分立式大電源為代表的核心機(jī)房電源系統(tǒng)，其最高轉(zhuǎn)換效率在近20年以來一直都在90%左右，實際效率88%以下。
華為公司于2012年推出業(yè)界首款高效大電源系統(tǒng)，采用效率高于96%的100A三相整流模塊，與業(yè)界92%模塊效率的電源相比，能量轉(zhuǎn)換損耗降低了50%。以一個200kW直流負(fù)載的核心機(jī)房為例，電源損耗一年就減少8萬度，發(fā)熱量也減少了8萬kWh。因核心機(jī)房散熱主要依賴于精密空調(diào)制冷，電源效率的提升，還帶來4萬度空調(diào)電費節(jié)省。
降了整流模塊本身高效帶來的節(jié)能效果外，華為電源還設(shè)計了電池休眠技術(shù)，一方面降低了浮充電能損耗，另一方面還能延緩電池極板腐蝕，降低失水速度，大幅提升電池使用壽命。
華為高效大電源的推出，吸引了英國電信的注意。英國電信能耗在其國內(nèi)所有企業(yè)中排名第一，根據(jù)節(jié)能減排規(guī)劃，需要在2020年達(dá)到在1996年基礎(chǔ)上節(jié)能80%的目標(biāo)。為了達(dá)成這一能源戰(zhàn)略，通過對現(xiàn)網(wǎng)電源采取多種措施節(jié)能，包括手動優(yōu)化系統(tǒng)效率的方式。為了進(jìn)一步降低能耗，英國電信從華為公司引入全系列高效電源，包括由100A模塊組成的分立式大電源，規(guī)劃替換現(xiàn)網(wǎng)系統(tǒng)。
25.4W/立方英寸超高功率密度整流模塊讓電源大幅瘦身
大電源包括交流配電柜、整流柜和直流配電柜。由于關(guān)鍵器件固有體積及安規(guī)要求，配電柜體積長期以來變化較少，必然占據(jù)一定的機(jī)房面積。整流模塊作為功率部件，其轉(zhuǎn)換效率的高低直接影響了整流機(jī)柜總發(fā)熱量。傳統(tǒng)電源整流模塊最高轉(zhuǎn)換效率為92%左右，一個120kW（2000A）的整流機(jī)柜，最大發(fā)熱量高達(dá)10kW，功率密度難以再提升，最大只能達(dá)到為333kw/m2。正因為如此，傳統(tǒng)核心機(jī)房電源整流柜單柜額定容量都不超過2000A，在網(wǎng)運行整流柜容量以1000A系統(tǒng)為主，一套6000A系統(tǒng)，機(jī)柜多達(dá)11個，占地面積4.56平米。
華為大電源采用高效三相整流拓樸專利技術(shù)，使整流效率和功率密度得到大幅提升，100A高效模塊僅1U高，尺寸為當(dāng)前業(yè)界主流100A模塊的一半，功率密度達(dá)到25.4W/英寸3。因為效率高，總體發(fā)熱量小，整流柜可輕易布置30個以上100A模塊，總發(fā)熱量小于7kW，功率密度達(dá)到500kW/m2，超過業(yè)界領(lǐng)先水平的50%，是現(xiàn)網(wǎng)大電源的三倍。正是由于這種高功率密度設(shè)計，使大電源具備了瘦身的條件。同樣的6000A系統(tǒng)，比現(xiàn)網(wǎng)電源節(jié)省4個整流機(jī)柜，占地面積減少36%。
24000A超大功率電源幫助電力室面積再減20%
業(yè)界主流大電源系統(tǒng)容量上限為6000A，一臺電源不能滿足大型核心機(jī)房供電需求，一個核心機(jī)房需要配置相互獨立的多臺甚至十?dāng)?shù)臺電源系統(tǒng)進(jìn)行分散供電，額定電流之和達(dá)到2萬安以上。在分散供電模式下，每臺電源需要配置滿足設(shè)計備電時長的蓄電池組，對于同一機(jī)房來說，電池備電時長要求是一樣的，但由于每臺電源對應(yīng)的負(fù)載功率不同，電池最小需求容量相差很大，而機(jī)房不可能配置正好滿足最小需求容量的電池，電池平均過配置達(dá)到30%以上。例如，兩套電源系統(tǒng)理論計算分別需求2500AH和3500AH電池，實際各配置兩組2000AH的電池，共8000AH，超過理論需求的33%，電池所占空間也相應(yīng)多了33%。此外，由于網(wǎng)絡(luò)融合，超備的電池并不能帶來額外的備電時長，實際備電時長取決于某一套電源系統(tǒng)的最小值，大于該值的電池能量不發(fā)揮效益，不但形成電池容量浪費，還要為這些冗余電池容量配置相應(yīng)的整流模塊以保證充電功率，電源容量增加，占地面積也相應(yīng)增加。
采用更大容量的單套電源系統(tǒng)，電池可以通過電源系統(tǒng)全部并聯(lián)，電池總配置容量將變小，且獲得統(tǒng)一的實際備電時長，即使因為電池規(guī)格的關(guān)系比理論計算值多配置了電池，過配置容量也在更長的備電時間上得到回報。
由于電池容量配置可以減小30%，電源配置也瘦身，使電源和電池總占地面積進(jìn)一步減小20%以上。若機(jī)房普遍采用高功率密度和超大容量電源系統(tǒng)，即使電池功率密度沒有任何改進(jìn)，電力電池室功率密度也可以提升30%以上，由常見的2kW/m2提高到2.6kW/m2。
核心機(jī)房電力電池室不但包括直流電源和蓄電池組，還有UPS等交流電源。效率大于96%的華為高效高密UPS即將面世，在不改變電力電池室與主設(shè)備機(jī)房1:5占比的條件下，可以實現(xiàn)支持未來功率密度達(dá)到0.8kW/m2的要求。
高可靠是根本
高效模塊發(fā)熱量小，高效電源具有更高的可靠性不會被質(zhì)疑。對于集中供電的超大容量電源系統(tǒng)，一般會被問兩個問題：雞蛋放在一個籃子里是否安全？大電源系統(tǒng)可能導(dǎo)致設(shè)備距離電源更遠(yuǎn)，壓降是否會導(dǎo)致最遠(yuǎn)設(shè)備過早宕機(jī)？
華為大電源系統(tǒng)采用正負(fù)排超間距設(shè)計，完善的短路保護(hù)技術(shù)，故障模塊能自動隔離，通過一千多項嚴(yán)格測試，系統(tǒng)可靠性有充分保證。如果需要更高的可用性，可以采用1+1并機(jī)，相互獨立的電源系統(tǒng)可以徹底消除用戶的顧慮。
華為大電源的多項創(chuàng)新減壓降設(shè)計，如中部并機(jī)技術(shù)、扭排連接技術(shù)，并采用低壓降分流器，使屏內(nèi)壓降顯著降低，供電距離顯著延長。
結(jié)語
高效大電源不但節(jié)能、省地，還具有更高的可靠性。TCO分析表明，新建機(jī)房宜采用高效大電源系統(tǒng)，8年以上老舊電源改造也能得到合理回報，幫助客戶解決在網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展過程中產(chǎn)生的節(jié)能省地難題。
