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数字能源管理系统方案

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数字能源管理系统方案
   项目背景

近年来，随着移动互联网、物联网的快速发展，4G、5G通信技术已经融入大众生活，成为经济社会发展和人们不断提高的精神和物质生活需求的必然产物。同时催生了运营商对基站、机房等基础设施的大量建设，在工信部发布的《2019年中国无线电管理年度报告》中提到，2019 年，公众移动通信依然是无线电技术应用规模最大的领域。截至2019 年年底，我国移动电话用户总数已超16 亿户，其中，4G 用户总数达到12.8 亿户，居世界第一。移动互联网接入流量消费保持较快增长，移动互联网接入流量消费达1220 亿GB，比2018年增长71.6%；移动互联网月户均流量（DOU）达7.82GB/ 户/ 月，是上年的1.69 倍。依托移动通信网络，我国已建成全球覆盖范围最广的物联网，蜂窝物联网连接数达到10.3 亿个，泛智能终端产品超过3000 款。
2019 年，5G 成为公众移动通信领域发展最大的亮点，在不到半年的时间里完成了从“起跑”到“加速”的全过程。商用3 个月间，我国5G 套餐签约用户数量已超300 万，并以每月新增百万用户的速度扩张。截至2019 年年底，我国已建成5G 基站逾13 万个，有104个型号的5G 基站、终端获得无线电发射设备型号核准证。基站、机房建设的步伐将越来越快：

但是，在移动通信网络中，基站同时还是耗电大户，大约80%的能耗来自广泛分布的基站。现实情况是，每GB流量约消耗2千瓦时的电量，也就是说下载一部1GB的电影相当于你家里的2000瓦吹风机连续工作1小时。若按每度电1元计算，你下载一部1GB的电影，运营商需消耗2元的耗电量，如今无限流量套餐流量上限动辄40GB，而可预见的5G流量需求只会升不会降，可想而知，随着5G流量需求暴增，运营商的能源消耗压力将越来越大。
另一方面，我国已成为名副其实的能源消耗大国，节能减排刻不容缓。随着我国工业化的快速大规模推进，也消耗了大量的资源和能源，资源环境承载力已接近上限。因此，国务院印发“十三五”节能减排综合工作方案的通知。工信部也陆续发布了多项指导性文件，其中在信息通信行业发展规划（2016-2020年）（工信部规〔2016〕424号），引导和推进“十三五”信息通信业节能减排工作，要求单位电信业务总量综合能耗较2015年底下降10%。
针对目前基站、机房固有能耗结构，汕尾电信分公司拟利用创新性的技术改进，提供实现基站、机房能耗降低、减少有害物质排放及远程智能化管理的解决方案。本项目选取陆丰金厢、陆丰陂洋等两个局点的直流供电系统进行试点改造，替换现有蓄电池组并部署运维监测设备。

  解决方案
目前，通信基站、机房内主要设备有交流配电模块、直流系统、动力环境监控、空调、智能门禁及通信相关装置等大量设备，为保证设备工作在合适的温度环境及考虑设备的安全等因素，一般配备空调进行温度调节，并且采用密闭的空间设计，避免空调冷气外泄。因此，室内设备的发热和外部环境透过箱体传导的热量只能通过空调持续制冷，才能维持室内温度的下降，无法做到真正的节能

下图基站电能消耗分布图

其次，蓄电池是通信电源直流系统的重要组成部分，是保证通信系统安全、可靠运行的关键。而目前通信直流系统的主流选择为阀控式铅酸蓄电池，因其有着技术成熟、性能稳定、可靠，适用性好等特点，性价比较高。但铅酸蓄电池的运行状况并不乐观，其对环境温度敏感，对蓄电池组内单体的一致性要求较高，并且长期浮充电使功率输出能力下降等问题严重影响了直流系统稳定可靠运行。
其一，铅酸蓄电池经过一段时间使用以后，常易因有效活性物质的脱落、蓄电池性能下降、正极栅格腐蚀以及硫化（Sulfuration）等原因，其容量逐渐减低。
其二，铅酸蓄电池对温度非常敏感，电池容量会随着温度的变化而改变。蓄电池的标准环境温度范围是20℃~30℃，一般取25℃最佳。蓄电池浮充温度每上升10℃，其使用寿命将减半，因此一旦供电异常或基站空调损坏，环境温度的急剧变化将会导致铅酸蓄电池性能急剧恶化。温度对铅酸蓄电池的影响主要表现在以下两方面：
（1）高温对铅酸蓄电池使用寿命的影响;
（2）高温易造成热失控事故;阀控密封铅酸蓄电池的热失控除了引起逸气、失水和电池壳体鼓胀外，严重时甚至会引起电池爆炸!
根据上述情况，对基站、机房进行节能综合管理是一个必然的选择。我公司研制的基站、机房数字能源管理系统具备节能综合管理能力，通过蓄电池能量碎片化管理、机房智能新风系统控制、空调智能控制以及远程数字能源管理系统平台，实现蓄电池远程充放电管理、基站及机房通风技能、空调智能控制等功能，达到节能减排的效果，数字化的呈现出来，用能一目了然。

系统总体设计:

系统总拓扑图

   1.  能量碎片化管理
基站直流系统在改造之前是由两组48V电池组并联使用互为备用，由于串联电池组的容量受制于最差的那个电池单体，因此任意一只电池单体容量下降或开路都会影响整组蓄电池的输出。为保证蓄电池的使用性能需要更换整组蓄电池组，蓄电池的利用率降低，而如果不能及时更换，使蓄电池带病工作，将严重影响基站的供电可靠性。

  关键特性
·      独立并联：支持新、旧电池串并联使用，提高蓄电池的利用率，降低维护时间和经济成本。
·      断电升压：在市电停电或整流器输出异常时，能够将电池串电压提升，无缝为负载供电；
·      续航能力预测：对电池的充放电过程进行远程控制及实时监测，通过对充放电电流积分估算电池容量，为准确的续航能力评估提供精确的数据支撑；
·      在线监测：在线监测各电池组总电压、电流及电池单体的电压；
·      远程控制：通过后台软件有效控制下位机并联设备各DC/DC管理模块的工作；
·      告警自动脱离：各DC/DC管理单元在告警时自动脱离母线停止放电，能完全隔离电池串而不影响其他管理单元的使用，保障系统运行安全。
·      双向DC/DC控制：双向DC/DC控制使充电时直流母线降压为电池串充电，放电时提升电池串电压为负载供电；
·      强大的后台监控软件：基于B/S模式，管理员通过网页或APP即可登录系统，实现远程一键控制充放电工作、在线检测电池运行状态、远程控制系统设备工作、实时对电池异常情况进行报警；软件可生成各种分析图表协助分析。

技术参数

序号指标范围

1 支持接入单体电池个数 4-8个单体

2 电池组输入电压范围 DC6.5V～20V

3 电池组额定电压 DC48V

4 支持负载最大电流 120A

5 电池组核容电流 0~50A可调

6 电池组充电电流 0~30A可调

7 电池组电压检测精度 ±0.50%

8 电池组充放电流检测精度 ±1%

9 直流母线电压纹波系数 ±0.50%

10 温度检测精度 ±1℃

11 升压放电转换效率大于95%

2. 智能新风系统

下图为我司智能新风系统



一些基站、机房，采用通风散热的方式，为节省空调的能耗。但是，外部的空气质量带有大量的尘埃，不能进入基站、机房内，因此需要对外部空气进行过滤。过滤则需要采用空气过滤网，空气过滤网使用一段时间后往往需要更换，针对分散的、无人值守的基站、机房，频繁更换空气过滤网则需要大量的人力、物力，使得成本变相上升。
为解决上述问题，我司组织专业人员专门去到多地考察后研发出一套智能新风系统产品，在基站、机房密闭空间的一方侧壁开一进风口，将智能新风系统进风装置固定壁体上，然后在另一方侧壁顶部开一个或数个出风口，出风口只安装滤网，实行主动进风、被动出风的散热方式。智能新风系统与数字能源管理系统通过RS485通信方式连接，控制智能新风系统运行。当系统检测到室内温度过高、室外温度在合理区间时，系统将关闭空调，继而启动智能新风系统，通过通风散热与外部进行热量交换，保证室内温度适合重要设备的运行，利用风机的低能耗长时间运行，在不影响基站、机房室内温度的情况下，实现了真正的节能效果。

关键特性
·      结构较空调简单，能保证长时间稳定运行。
·      滤网具备自动除尘功能，使用寿命更长。
·      滤网可以根据环境要求，选择不同过滤精度的材料，保证室内颗粒≤5μm。
·      根据基站、机房实际空间大小选择风机数量，以维持室内室外热交换的效率。
·      可采用特殊导热材料对机房门进行改造，配合风机，加快室内散热速度。

3.空调智能控制
由于室内设备自发热量就很大，大部分基站、机房内都安装了空调以调节室内温度，维持重要设备的稳定运行。但是，空调自身能耗极大，其次，长时间的连续运行也容易造成自身故障，一旦故障造成空调无法启动时，在外部环境和设备发热双重影响下，密闭空间内部极易产生高温，轻则损坏重要设备而使基站、机房失去服务能力，重则造成安全事故，隐患极大。
根据上述情况，我公司的空调智能控制装置通过温度传感器实时检测基站、机房内部及外部环境温度，当检测到室外环境温度过高，无法通过智能新风系统进行的热交换达到室内降温的效果，则关闭智能新风系统，控制空调启动，以降低室内温度，保证机房设备的安全。当检测到室外环境温度处于适合通风散热区间，则控制空调停止，系统检测空调停止后将开启智能新风系统，实现对基站、机房室内温度的智能控制，以维持重要设备和蓄电池的平稳运行。

关键特性
·      空调开启和关闭根据室内室外温度检测自动控制，达到节能的效果。
·      支持电池高温环境使用，提高基站室内温度控制范围，降低基站空调电能损耗。
·      防止空调长时运行，且无需自身滤网滤尘，降低空调故障及维护频率。

4.数字能源管理系统
    平台架构
平台由监测历史时序数据库、物联网通信服务系统和数字能源管理管理系统平台。时序数据库管理从监测终端采集的实时数据；物联网通信服务系统负责接收智能基站空调监测终端上传的数据信息，数字能源管理系统平台完成面向用户日常的业务管理相关的功能。
平台采用了规模可扩展的架构，可以部署在单台服务器上。随着系统用户数及基站供电监测终端的数量规模扩大时可采用多台服务器的分布式方案。比如设置一台应用服务器，一台数据库服务器和多台通信服务器，可以支持海量的用户及基站供电监测终端设备。
平台软件完全独立于运营商的其他业务平台，因此全部服务器可部署在电信机房或者其他公有云平台。
    平台的通信服务
平台的通信服务支持大规模监测终端的接入，可多台服务器并行工作。它的主要功能就是接收监测终端上传的采集的实时数据，以及下发管理服务器下发给监控终端的控制命令，另外还要对实时数据进行管理并为上层应用提供数据访问接口！

5.方案实施效益分析
   5.1 经济效益
Ø  铅酸蓄电池延寿
在传统的基站、机房模式下，每个铁塔基站一般需配备2组备用铅酸蓄电池组（并联，在网），以确保电网停电状态下为铁塔设备提供3小时续航供电能力。普遍存在的问题有：
基站电池一致性差，导致电池整体性能快速下降；
基站电池使用环境恶劣：电池处于长期浮充工况，温度每上升10℃，使用寿命减半，即使更换电池也无法避免续航能力迅速下降的问题；
无法及时准确地评估电池续航能力，只能例行更换或出现问题再处理。
由于上述等原因，导致蓄电池组在使用2-3年后就达不到续航要求，而蓄电池使用标准年限为6年。在数字能源管理系统投入使用后，在能量碎片化管理及室内温度智能控制下，配合我公司的蓄电池修复再生技术，可以使铅酸蓄电池延长3年以上的使用寿命。一般基站两组24个单体电压为2V的蓄电池计算，蓄电池单体容量一般为300Ah～500Ah，按300Ah计算则每个站就有14400Ah，则每年因为铅酸蓄电池延寿减少2400Ah以上的蓄电池投入。按1.3元/Ah的采购价格计算，相当于一个站每年降低了超过3000元的蓄电池采购成本。假设中国电信股份有限公司汕尾分公司在100个基站、机房内使用数字能源管理系统，则因铅酸蓄电池延寿而降低的蓄电池采购成本将达到每年30万元，具有巨大的经济价值。

Ø  能源节省
Ø  运维成本
5.2 社会效益
Ø  消除安全隐患
Ø  节能减耗
Ø  环境效益以及可持续发展

数字能源管理系统投入使用后，可以降低空调制冷的使用量，切实做到节能减耗前提下，维持基站、机房自身的稳定服务能力。
数字能源管理系统中能量碎片化管理模块实现将旧电池并联接入基站直流系统继续使用，将动力电池利旧实施在野外相对偏远的基站里，既利用了锂电池循环性能好、高温性能优秀等特点解决基站后备能源问题，又降低了动力锂电池只能“生产—废弃”单一模式下对生态环境造成的污染，切实响应了国家环境保护和可持续发展的要求。

详细技术参数请点击下载数字能源管理系统

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序号	指标	范围
1	支持接入单体电池个数	4-8个单体
2	电池组输入电压范围	DC6.5V～20V
3	电池组额定电压	DC48V
4	支持负载最大电流	120A
5	电池组核容电流	0~50A可调
6	电池组充电电流	0~30A可调
7	电池组电压检测精度	±0.50%
8	电池组充放电流检测精度	±1%
9	直流母线电压纹波系数	±0.50%
10	温度检测精度	±1℃
11	升压放电转换效率	大于95%