陳 郁，潘江林，金立標(biāo)，曹 燦，萬 愷

（1.中國聯(lián)通蘇州市分公司，江蘇 蘇州 215021；2.中國聯(lián)通江蘇省分公司，江蘇 南京 210019；3.中國聯(lián)通南京市分公司，江蘇 南京 210029）

0 引 言

新技術(shù)的發(fā)展會直接或間接影響到傳統(tǒng)運(yùn)營商業(yè)務(wù)，由通信技術(shù)（Communication Technology，CT）業(yè)務(wù)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⑼ㄐ偶夹g(shù)（Intermation Communication Technology，ICT）業(yè)務(wù)，推動傳統(tǒng)通信機(jī)房在建造模式、設(shè)計規(guī)格、空調(diào)技術(shù)、機(jī)房環(huán)境與安全控制等方面產(chǎn)生了革命性的變化。傳統(tǒng)分散的整體布局設(shè)計在接地性、節(jié)能性、智能控制以及靈活擴(kuò)容等方面表現(xiàn)不足，由模塊化概念所衍生出的數(shù)據(jù)中心（Data Center，DC）化建設(shè)方案得到越來越多業(yè)界專家和從業(yè)人員的青睞。將傳統(tǒng)通信機(jī)房與機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施集中部署、熱冷氣流隔離的模塊化架構(gòu)規(guī)避了通信機(jī)房對部署現(xiàn)場的依賴，并且在靈活擴(kuò)容、智能化運(yùn)維等方面得到大幅提升。根據(jù)國家“雙碳”政策和“十四五”規(guī)劃中關(guān)于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的要求，對于新建機(jī)房和改造機(jī)房都需要重點降低能耗，提升能效水平（Power Usage Effectiveness，PUE）。

1 通信機(jī)房現(xiàn)狀

目前，運(yùn)營商的傳統(tǒng)核心機(jī)樓與通信機(jī)樓建設(shè)年份都比較久遠(yuǎn)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)老舊，現(xiàn)網(wǎng)通信機(jī)樓普遍存在以下問題。

傳統(tǒng)機(jī)房因早期布局規(guī)劃的局限性，機(jī)柜間距較小，隨著5G等高功耗設(shè)備的不斷上線，導(dǎo)致機(jī)房內(nèi)出現(xiàn)局部散熱問題，部分機(jī)房傳統(tǒng)送風(fēng)方式已經(jīng)無法滿足制冷要求。此外，部分傳統(tǒng)機(jī)樓配電室空間不足，需要統(tǒng)籌規(guī)劃機(jī)樓、機(jī)房用途，核實空間、承重等條件，為網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)及數(shù)據(jù)中心DC化改造的電源擴(kuò)容需求預(yù)留足夠的空間。

部分機(jī)樓柴油機(jī)組配置較早，容量無法滿足DC化重構(gòu)需求。機(jī)房現(xiàn)有空閑空間比較零散，用于DC化設(shè)備安裝的機(jī)房空間不足，難以滿足網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)演進(jìn)的需求。隨著通信設(shè)備機(jī)架密度越來越大，機(jī)樓建設(shè)時間較長，建設(shè)時未規(guī)劃空調(diào)平臺和空調(diào)管道專用空洞，對空調(diào)的擴(kuò)展存在一定影響。

2 土建及工程裝修支持DC化重構(gòu)

合理設(shè)置功能分區(qū)，充分考慮空間彈性利用，并預(yù)留適當(dāng)?shù)目臻g、層高、荷載、通道、容量以及配套設(shè)施管線，分步實施，減少未來改造投入。隨著DC化演進(jìn)，逐步過渡至數(shù)據(jù)中心。

為了提高機(jī)房的密封性及墻身的保溫性，同時屏蔽一定數(shù)量的電磁波及無線電波干擾，一般要求墻身材料為金屬飾面板內(nèi)襯具有保溫隔熱功能的底板。這樣不但滿足A級機(jī)房的要求，同時機(jī)房的整體裝飾效果也高檔、豪華。

依據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》（GB 50174—2017）要求，活動地板下的空間既作為電纜布線、又作為空調(diào)靜壓箱時，地板高度不宜小于400 mm；活動地板下的空間僅作為電纜布線時，地板高度不宜小于250 mm[1]。活動地板下的地面和四壁裝飾應(yīng)采用不起塵、不易積灰、易于清潔的材料，樓板或地面應(yīng)采取保溫、防潮措施，維護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)采取防結(jié)露措施。

主機(jī)房凈高應(yīng)根據(jù)機(jī)柜高度、管線安裝及通風(fēng)要求確定。新建數(shù)據(jù)中心時，主機(jī)房凈高不宜小于3.0 m，同時不宜設(shè)置外窗。當(dāng)主機(jī)房設(shè)有外窗時，外窗的氣密性不應(yīng)低于《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能分級及檢測方法》（GB/T 7106—2008）規(guī)定的8級要求或采用雙層固定式玻璃窗。此外，外窗應(yīng)設(shè)置外部遮陽，遮陽系數(shù)按《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2015）確定。當(dāng)不間斷電源系統(tǒng)的電池室設(shè)有外窗時，應(yīng)避免陽光直射。

主機(jī)房和輔助區(qū)內(nèi)的主要照明光源宜采用高效節(jié)能熒光燈，也可采用LED燈。熒光燈鎮(zhèn)流器的諧波限值應(yīng)符合《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值》（GB 17625.1—2016）的有關(guān)規(guī)定，燈具采取分區(qū)、分組的控制措施。對于主機(jī)房內(nèi)有可能發(fā)生水患的部位，應(yīng)設(shè)置漏水檢測和報警裝置，強(qiáng)制排水設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)納入監(jiān)控系統(tǒng)[2]。

3 供配電系統(tǒng)重構(gòu)方案

3.1 預(yù)制化供配電模組

3.1.1 預(yù)制化UPS供配電動力模組

在“東數(shù)西算”的發(fā)展背景下，預(yù)制化供配電模組的誕生是必然的。預(yù)制化供配電模組是將數(shù)據(jù)中心的高壓10 kV交流引入電源直接輸出為380 V交流電源，它將傳統(tǒng)的供配電系統(tǒng)中的變壓器、電容補(bǔ)償柜、低壓配電柜、不間斷電源輸入輸出柜以及不間斷電源融合成一個整體的供配電系統(tǒng)單元。

預(yù)制化供配電模組具備超高效率、低損耗、低建設(shè)成本、安全可靠、易安裝維護(hù)以及節(jié)約空間等顯著優(yōu)勢，可以滿足DC化重構(gòu)等各種業(yè)務(wù)場景的需求。相較于傳統(tǒng)的供配電建設(shè)系統(tǒng)，預(yù)制化供配電模組可以提高30%的空間利用率。與此同時，預(yù)制化供配電模組系統(tǒng)優(yōu)化了供配電鏈路，整個系統(tǒng)上變壓器和整流設(shè)備的損耗占比較大[3]。

傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)的運(yùn)維工作過于依賴有經(jīng)驗的運(yùn)維人員，而絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心現(xiàn)場都缺少有經(jīng)驗且技術(shù)底蘊(yùn)扎實的現(xiàn)場維護(hù)人員。傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)設(shè)備繁多，導(dǎo)致其系統(tǒng)復(fù)雜、故障種類多、問題排查難度加大，在故障恢復(fù)消耗的主要時間花費(fèi)在故障點定位上。預(yù)制化供配電模組可以將關(guān)鍵部位的器件模塊化，同時支持熱插拔功能，其故障定位耗時短、故障排查難度小，維護(hù)相對簡單，對運(yùn)維人員的技能要求低。

3.1.2 預(yù)制化HVDC動力模組

對于供電鏈路而言，高壓直流系統(tǒng)（High Voltage Direct Current，HVDC）相較于傳統(tǒng)不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）最大的特點是電源轉(zhuǎn)換過程中沒有逆變環(huán)節(jié)，電池直連母線。整個HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、元器件減少，電源采用模塊化設(shè)計，支持在線更換模塊。

HVDC在供電連續(xù)性和可靠性方面優(yōu)于UPS，電池直接向負(fù)載放電，中間環(huán)節(jié)少、距離近，整個過程無能量損耗，也不用擔(dān)心逆變器故障導(dǎo)致斷電。HVDC無同步問題，在擴(kuò)容、并機(jī)方面具有優(yōu)勢，而UPS需要考慮幅度、頻率、相位同步問題，同時對于模塊化UPS還需要考慮環(huán)流等細(xì)節(jié)問題[4]。

一般而言，HVDC整流模塊的功率小于UPS模塊，單個UPS模塊故障對于系統(tǒng)負(fù)載率躍遷影響較大，嚴(yán)重的情況下甚至直接切換到旁路供電。對于直流供電系統(tǒng)的負(fù)載而言，由于HVDC使用懸浮供電，負(fù)載處無零地電壓問題、無三相不平衡問題、無諧波治理問題，因此直接從原理層面規(guī)避了引發(fā)UPS常見供電故障的因素，降低了設(shè)備的故障率，提高了系統(tǒng)的可用性。

3.2 優(yōu)化供配電容量

通常情況下，電力負(fù)荷包括暖通空調(diào)、機(jī)房動力配套設(shè)施以及電氣照明等。在具體計算電力負(fù)荷時，通常按照負(fù)荷的額定功耗和不同設(shè)備的冗余度選取不同的同時系數(shù)來計算整體機(jī)房的負(fù)荷值，這樣可以有效保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，確保供配電設(shè)計能夠有效滿足機(jī)房的用電負(fù)荷需求。

通信機(jī)房DC化重構(gòu)后，后續(xù)會逐步向數(shù)據(jù)中心演進(jìn)。對于已定的DC機(jī)樓，按照DC機(jī)房業(yè)務(wù)需求等級搭建供配電系統(tǒng)。對于等級設(shè)置較高的DC節(jié)點，優(yōu)選2路市電引入，高低壓配電按照2N系統(tǒng)建設(shè)，高壓側(cè)和低壓側(cè)均為母聯(lián)聯(lián)接。不間斷電源配電系統(tǒng)也按照2N方式配置，后端設(shè)備負(fù)載均衡分布在兩個系統(tǒng)上，每個系統(tǒng)帶載率不高于40%。對于等級設(shè)置較低的DC節(jié)點，優(yōu)先保證有一路可靠的市電輸入，不間斷電源配電系統(tǒng)按照N+1（N≤4）方式配置，后端設(shè)備負(fù)載的用電需求不高于N系統(tǒng)的總?cè)萘?。對于不同等級的DC節(jié)點，所需求的供配電建設(shè)等級也不同，從設(shè)計階段就開始優(yōu)化供配電系統(tǒng)容量尤為重要，可以減少系統(tǒng)容量配置過大而造成的資源浪費(fèi)[5]。除此之外，不同電源設(shè)備的帶載率不同，其效率值也不同，UPS與HVDC模塊的效率與帶載率曲線如圖1、圖2所示。

圖1 UPS模塊的效率與帶載率曲線

圖2 HVDC模塊的效率與帶載率曲線

每種電源設(shè)備均有高效帶載區(qū)間，使其運(yùn)行在高效率區(qū)間，盡量減少因電源設(shè)備無功功率造成的能量損失?，F(xiàn)階段市場上主流的不間斷電源品牌中，效率值均已實現(xiàn)不低于94%。在20%～60%的帶載區(qū)間內(nèi)，UPS和HVDC的效率可高達(dá)96%。根據(jù)DC節(jié)點的建設(shè)等級，無論是2N系統(tǒng)配置還是N+1系統(tǒng)配置，其均可以實現(xiàn)處于20%～60%的帶載區(qū)間。在DC機(jī)房不間斷電源系統(tǒng)建設(shè)時，對于后端負(fù)荷明確的場景，合理控制建設(shè)容量；對于后端負(fù)荷不明確的場景，建議采用模塊機(jī)，按照設(shè)備負(fù)荷需求分階段配置電源模塊。

供配電系統(tǒng)的設(shè)計具有復(fù)雜性、系統(tǒng)性以及可擴(kuò)展性，在具體設(shè)計和建設(shè)過程中需要根據(jù)實際情況確定負(fù)荷等級，合理配置電力設(shè)備，優(yōu)化高、低壓供配電系統(tǒng)的設(shè)計容量，以此來提高供配電系統(tǒng)設(shè)計的科學(xué)性和合理性，實現(xiàn)電力資源的有效利用，更好地滿足DC化機(jī)房的用電需求。

3.3 減少供配電轉(zhuǎn)換級數(shù)

UPS的雙變換功能可以為負(fù)載提供高質(zhì)量電能，但是由于功率變換有整流（AC/DC）和逆變（DC/AC）兩個環(huán)節(jié)，因此這也是消耗能量最大的運(yùn)行模式。此外，不同類型UPS的雙變換效率也存在顯著差異，特別是傳統(tǒng)工頻UPS在雙變換模式下的運(yùn)行效率普遍較低。

如果運(yùn)行在節(jié)能模式，即在靜態(tài)旁路的基礎(chǔ)上增加有源濾波器，該模式下逆變器作為有源濾波器實時動態(tài)在線，配合靜態(tài)旁路上的電能調(diào)制單元，使系統(tǒng)能夠滿足相當(dāng)大范圍內(nèi)的電網(wǎng)和負(fù)載電能調(diào)節(jié)需求。當(dāng)無功負(fù)載或非線性負(fù)載連接到UPS且存在諧波或無功電流時，UPS中的逆變器能夠起到有源濾波器的作用來進(jìn)行補(bǔ)償，并且僅消耗部分電能來補(bǔ)償電路干擾，效率較高。

巴拿馬系統(tǒng)也是基于減少整流環(huán)節(jié)和功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）升壓電路來進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率，通過減少這些環(huán)節(jié)，巴拿馬系統(tǒng)的效率比高壓直流系統(tǒng)提高1%。

3.4 提升供電電壓等級

傳統(tǒng)通信機(jī)房中，高低壓配電室一般設(shè)置在機(jī)樓一層或獨(dú)立建設(shè)的輔樓內(nèi)，后備電源常選用低壓柴油發(fā)電機(jī)組。由于負(fù)載設(shè)備在不同的樓層，因此設(shè)備供電需要通過長距離的線纜傳送，線路損耗大，不滿足DC重構(gòu)的節(jié)能建設(shè)需求?；诖?，合理安排變電站和配電站的位置、縮短管網(wǎng)、減少線路損耗、降低運(yùn)行成本是DC化重構(gòu)供配電系統(tǒng)構(gòu)建的一種趨勢，也是未來通信機(jī)房供配電系統(tǒng)建設(shè)演進(jìn)的一種趨勢。

為了降低線路損耗，可以提升供電電壓等級，將變壓器就近設(shè)置在負(fù)荷層。根據(jù)功率公式P=UI，同等功率的電力傳輸中，電壓越大則線路上的電流越小，線路上的發(fā)熱就越少，線路上的電力損耗也就越少。與此同時，合理選用設(shè)備系統(tǒng)，提高其負(fù)荷率，使設(shè)備處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，降低其無功功耗。在變配電房的低壓側(cè)安裝電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償，以此提高變壓器利用率，降低無功損耗。合理選用變壓器，提高其負(fù)荷率，使變壓器處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)[6]。

4 空調(diào)系統(tǒng)重構(gòu)方案

4.1 優(yōu)化氣流組織

空調(diào)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心中的能耗大戶，只有從空調(diào)系統(tǒng)入手才能從根本上解決通信機(jī)房或數(shù)據(jù)中心的高能耗問題。根據(jù)多年工作經(jīng)驗，優(yōu)化氣流組織往往是最簡單有效且容易實現(xiàn)閉環(huán)的措施。根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》（GB 50174—2017），對于單臺機(jī)柜發(fā)熱量大于4 kW的主機(jī)房，宜采用活動地板下送風(fēng)/上回風(fēng)、行間制冷空調(diào)前送風(fēng)/后回風(fēng)等方式，同時采取冷熱通道隔離措施。

4.2 使用全變頻技術(shù)

數(shù)據(jù)中心運(yùn)營中，IT設(shè)備的發(fā)熱量受業(yè)務(wù)變化的影響會有很大起伏，定頻空調(diào)壓縮機(jī)，只能通過啟/停來調(diào)節(jié)冷量輸出，造成數(shù)據(jù)中心運(yùn)行環(huán)境出現(xiàn)較大的溫度波動，而且全年平均能效水平也很低。而全變頻氟泵空調(diào)采用變頻壓縮機(jī)，可以根據(jù)室內(nèi)負(fù)載變化、室外溫度變化調(diào)節(jié)冷量輸出，完全匹配制冷需求，溫度控制也更精確。

變頻壓縮機(jī)支持高送回風(fēng)溫度，可以提高空調(diào)能效比，實現(xiàn)高顯熱比運(yùn)行。在機(jī)房發(fā)熱量未達(dá)到設(shè)計負(fù)荷時，可以實現(xiàn)降頻輸出，降低空調(diào)機(jī)組功率，相比定頻空調(diào)系統(tǒng)更加節(jié)能。由于變頻空調(diào)在滿負(fù)荷運(yùn)行時增加了變頻器的損耗，耗電量大于定頻機(jī)組，因此機(jī)房負(fù)載率較高的情況下，建議使用定頻空調(diào)。

除此之外，變頻技術(shù)也存在一定的缺點，例如電路控制板的復(fù)雜設(shè)計導(dǎo)致控制電路故障頻發(fā)、復(fù)雜的配管設(shè)計導(dǎo)致配管回路故障等，對此需要采取切實可行的解決方案。

4.3 合理提高送回風(fēng)溫度

在合理范圍內(nèi)提高機(jī)柜的送風(fēng)溫度，一般為18～27 ℃，進(jìn)一步降低空調(diào)核心系統(tǒng)的壓力功耗，從而提高空調(diào)的能效比，降低系統(tǒng)整體PUE指標(biāo)。實際DC化重構(gòu)中當(dāng)然不能完全照搬理論數(shù)據(jù)，需要切實考慮項目中存在的具體問題，如DC化重構(gòu)后的使用目的、日常運(yùn)維對于環(huán)境的要求等。

4.4 集成無線連接和智能電表

空調(diào)系統(tǒng)集成智能電表，可以方便日常運(yùn)維中隨時查看空調(diào)系統(tǒng)的用電量，減少后期工程難度。在空調(diào)系統(tǒng)中集成無線連接模塊，支持無線通信，減少了空調(diào)設(shè)備接入動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的布線、調(diào)試等安裝調(diào)試時間和人力成本。根據(jù)調(diào)研，在某聯(lián)通機(jī)房中已率先開展試點工作，招標(biāo)規(guī)范要求設(shè)備廠家空調(diào)產(chǎn)品具備無線連接和智能電表計量，并且支持在后期的升級改造中進(jìn)行人工智能控制。

5 微模塊系統(tǒng)重構(gòu)方案

傳統(tǒng)通信機(jī)房為分布式部署模式，不僅依賴于機(jī)房所在樓宇，而且對于業(yè)務(wù)變化后的機(jī)房擴(kuò)容也極不友好。DC化重構(gòu)中標(biāo)志性的動作便是部署封閉通道樣式的微模塊方案，解決了其分散式、尺寸不統(tǒng)一、對現(xiàn)場依賴高等缺點，極大地提高了方案的靈活性。在此基礎(chǔ)上，要考慮滿足PUE降低、智能化管理所帶來的新需求。通信機(jī)柜重構(gòu)為DC化服務(wù)器機(jī)柜后，機(jī)柜的可用空間增大，可以利用這部分空間部署智能傳感器，集成在機(jī)柜內(nèi)部。與此同時，在工程前期利用計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真等手段測算出項目實際運(yùn)行所需的冷量曲線、地板開孔面積等。

對于系統(tǒng)級管理問題，同樣也可以下沉到機(jī)柜內(nèi)部的U位級管理，能效監(jiān)控的顆粒度可以得到顯著降低。除此之外，DC化服務(wù)器機(jī)柜的承重問題、DC化服務(wù)器機(jī)柜前后門開孔率等問題也不容忽視，需要強(qiáng)化對于系統(tǒng)細(xì)節(jié)的管理和認(rèn)識，杜絕盲目追求參數(shù)極限，結(jié)合實際需求保證功能落地。

運(yùn)營商現(xiàn)網(wǎng)存在大量需要DC化重構(gòu)的通信機(jī)房，對于DC重構(gòu)方案要有較好的建設(shè)周期來滿足業(yè)務(wù)需求。在行業(yè)常用微模塊方案中，集成到DC化服務(wù)器內(nèi)部的智能母線系統(tǒng)可以極大地縮短交付周期，同時提高系統(tǒng)出柜率。良好的客戶化定制能力同樣非常關(guān)鍵，面對DC化重構(gòu)非常復(fù)雜的應(yīng)用場景，微模塊的框架結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。對于機(jī)柜子系統(tǒng)、布線結(jié)構(gòu)、防雷接地以及封閉通道內(nèi)部的動環(huán)系統(tǒng)，應(yīng)該做到即插即用、平滑擴(kuò)容。

微模塊作為DC化重構(gòu)的核心系統(tǒng)，要符合高可用性要求。機(jī)柜系統(tǒng)應(yīng)考慮覆蓋全場景的附件系統(tǒng)，例如可支持刀片高密設(shè)備的承重附件、支持上下進(jìn)線封堵的板件、支持多種顏色告警聯(lián)通的照明系統(tǒng)以及提高運(yùn)維效率的本地化可視化監(jiān)控系統(tǒng)等。

6 結(jié) 論

通信機(jī)房DC化重構(gòu)涉及不同場景和業(yè)務(wù)需求，需要針對機(jī)房的實際情況確定優(yōu)化重構(gòu)方案。結(jié)合小母線、智能雙循環(huán)空調(diào)、冷熱通道分離以及AI節(jié)能等新技術(shù)的應(yīng)用，提升機(jī)房空間利用率、降低機(jī)房PUE、降低機(jī)房能耗，在滿足機(jī)房機(jī)架資源需求的同時，實現(xiàn)降本增效。