信息设备供电系统发展趋势

胡先红

摘要：认为降低总体拥有成本（TCO）是信息设备供电系统发展的最直接驱动力，高效、节能、绿色、共享、智能、互联是未来信息设备供电系统的发展趋势和特征。能源互联网可以实现能源的互联共享，减少冗余浪费，提高供电可靠性，是未来各种能源系统的发展方向。信息设备供电系统是智能化最高的能源设备，可能是最先成为能源互联网“终端”的设备。

关键词：信息设备供电；高效；节能；绿色；共享；智能；互联；能源互联网

在M-ICT时代，连接无处不在。高度连接的信息社会，对能源的使用要求越来越高，ICT系统消耗的能源也不断增加，绿色节能成为M-ICT时代的迫切需求，也越来越得到人们的重视。另一方面，新能源技术的发展也为绿色节能的信息设备供电提供了有力的支撑。信息设备供电系统呈现出高效、节能、绿色、共享、智能、互联等特征。

1 高效

高效是指在ICT设备供电系统中，从能源的产生、转换、分配、使用等能效矩阵的各个环节，对能源进行高效的转换和利用，各个环节的高效汇集成整个供电系统的高效。高效意味着在供电系统有着更小的能量损失。

1.1 能源的高效率转换

ICT设备所直接使用的是5 V、3.3 V等低压直流，从能源的供给到最终的低压直流电源之间，有很多的能源转换、分配环节。每一个转换分配环节，都存在能量的损失。高效率的电源变换技术，使得能源在各个转换环节的损失最小。各种功率变换模块都在追求更高的转换效率。

（1）通信用电源整流器的（交流220 V转直流48 V）效率，已从92%提升到当前主流的96%以上，未来将进一步提升到98%甚至更高。从92%到96%，再到98%，整流器损耗依次降低50%。采用高效率的整流器，能有效降低站点的电能消耗。

（2）通信站点用太阳能功率模块（直流到直流（DC/DC））效率提升到98%以上。

（3）数据机房用不间断电源（UPS）效率提升到97%以上。

（4）太阳能极板光电转换效率不断提升，例如单晶硅的量产效率达到20%以上，并且每年提升绝对值0.3%～0.5%左右。光电转换效率的提升可以提高太阳光的利用率，产生更多的电能。

（5）各种能源变换器中轻载下的效率不断提升，满足实际负载情况下的节能，通信整流器的最佳效率点出现在50%～80%负载，30%以上负载就能实现很高的效率。

1.2 高效率的能源利用

信息设备供电除了来源于公共电网，还来自于新能源发电、油机发电等。为了降低成本，这些小型发电设备的配置容量都非常有限，因此能源的高效利用则成为了很重要的研究内容。

（1）最大功率点跟踪（MPPT）技术，成为太阳能、风能利用中的普遍需求。太阳能功率模块MPPT效率达到99%，通过实时跟踪太阳能或风机的最大输出功率点，可以实现最大功率的利用，可比传统控制器增加30%的利用率。

（2）油机发电的变频输出，可以提高轻载燃油效率。传统交流油机，工作在恒定频率状态，在轻载状态下，燃油效率较低。通过采用新型直流油机，油机发电机工作在变频状态，输出频率随负载调整，使得燃油效率有较大提升。

1.3 高效率的供电架构

不同的供电架构有着不同的能源效率。数据流量的指数级增长，推动了大量的数据中心的建设，也催生了新型供电架构的应用，供电架构的探讨成为互联网数据中心（IDC）机房供电领域的热门话题。

（1）高压直流取代交流UPS供电成为趋势[1-2]。高压直流（HVDC）供电比传统交流UPS减少了输出直流电/交流电（DC/AC）逆变、负载侧的整流环节等，供电转换环节少，供电效率高。电池直接挂在母线上，可靠性更高。行业内通用的高压直流有240 V和336 V两种制式之争，240 V制式对目前的交流供电系统兼容性好，主要在中国国内应用；336 V则更为彻底，能够节省更多转换的环节，在全球范围内得到广泛认可。无论哪种制式最终胜出，都会逐步取代交流UPS而成为数据机房供电的主流，并带来供电效率的提升。

（2）市电直供技术逐步推广。为进一步提升供电效率，减少转换环节，市电直供主用、高压直流备用的供电架构得到越来越多的应用。这种架构在正常情况下采用市电直接供电，进一步提升了供电的效率[3]。

（3）中间总线电压存在争论。传统服务器采用12 V的中间母线供电架构，而传统通信设备则采用48 V为供电母线电压。随着服务器的功耗越来越大，母线电阻的损耗不可忽视，于是出现了采用48 V作为中间母线的供电架构，可以大幅降低母线电流。而48 V基本上是人可接触的安全电压上限，较好地实现了效率与安全之间的平衡[4-5]。

2 节能

节能主要是指通过各种节能措施，在保证信息业务可靠性的基础上，降低信息设备站点和机房的能源消耗。随着节能减排的要求不断提高，对已部署的设备实行节能改造，往往能够有效降低站点能耗，并降低站点的运营成本（OPEX）。

2.1 休眠技术节能

在信息设备供电系统中，大多数都采用模块化并联实现冗余以保证可靠性，并且为保证最大负载情况的供电，系统设备配置都偏大。正常情况下的负载率一般在20%～40%，并不在电源设备的最佳工作状态。模块休眠可以根据负载的情况关闭或开启部分模块，使剩余模块以50%～70%负载率工作在最佳效率状态，并让系统的各模块轮换进行休眠已使得各模块工作时间均衡。通信直流电源系统中的整流器休眠技术可以实现节电4%～10%。模块化UPS、高压直流供电系统均可采用模块休眠技术实现节能。在负载侧，也实现了根据用户量实现设备的休眠，大幅减少信息设备自身的功耗。

2.2 混合供电节能

在偏远无市电通信站点，为实现通信，一般采用双油机轮换供电，蓄电池浮充备用。在这种情况下，油机配置都有较大的冗余量以适应电池充电、未来扩容等，从而导致正常情况下油机带载率低、燃油效率低。通过改造，可以实现油机、电池轮流混合供电，例如油机工作5 h，给负载供电的同时给电池充电；然后油机停机，电池放电给负载供电7 h；然后油机再工作，如此循环。采用这种方式，油机负载率大幅提升，燃油效率有效提高，油机工作时间减少，燃油消耗减少，油机维护费用也下降[6]。

2.3 热管理节能

在传统的信息设备机房，制冷消耗了大约40%电能。一方面，我们可以采用高效、节能的信息设备供电系统，以减少机房设备的热量产生；另一方面，可以通过新型的热管理技术，有效降低机房的制冷耗能[7]。这些新型的热管理技术包括：

（1）机房精确制冷。即改变机房整体制冷的情况，将冷风精确送达需要冷却的部件，实现精确制冷，并通过空间布局设计防止冷热风短路，这样可以有效降低制冷空调的耗电量。

（2）分区制冷。在信息设备机房中，不同设备对温度的要求不同。通过对不同的区域实现分区制冷策略，可以减少制冷的能耗。例如，对电池单独实现温控，同时适当调高机房的整体温度，可以有效减少空调耗能。

（3）户外机柜取代机房。对于小型站点，采用户外设备（含电源系统、基站设备）取代户内设备，相比机房，可有效减少制冷空间，大幅度降低制冷能耗，也能减少机房占地面积和建设费用。

（4）采用新风技术、自然冷源等散热技术。采用新风技术，在室外环境温度低、昼夜温差大、空气洁净的地区，可以有效减少空调工作时间。在大型水库、湖泊、海边，可充分利用自然冷源进行机房冷却，降低机房制冷能耗。

（5）电能利用率（PUE）被用来衡量机房的绿色程度。国际先进的数据中心PUE值能达到1.1。在通信行业标准中，对各种机房的PUE值有比较明确的要求[7]。量化的标准将推动机房的能耗降低，PUE值的提高。

3 绿色

绿色是指采用可再生能源、清洁能源取代化石能源为信息设备供电，以减少站点碳排放。在信息设备供电的清洁能源中，主要有太阳能、风能、燃料电池等。

3.1 太阳能绿色供电

随着太阳能发电的成本近年来大幅度的降低，太阳能供电的经济性大幅提高。在没有市电或市电不稳定的站点，太阳能供电得到了大量的应用；而在市电较好的地方，通过配置一定的太阳能，也能有效减少信息设备对市电的消耗[8]。太阳能供电将是未来信息设备绿色供电的主流。

3.2 风光互补混合供电

风能和太阳能在昼夜、季节上存在一定程度的互补性，例如白天阳光强、风弱，晚上无太阳能、风大，冬季阳光弱、风强。在风能比较好的地区，通过风光互补方式给信息设备站点供电，也得到了较多的应用。

3.3 燃料电池绿色供电

燃料电池在通信站点的清洁供电试点越来越多，但目前燃料电池还是以氢为主要燃料（其他非氢燃料电池也需要最终制备成氢气进入燃料电池），由于成本高、燃料获取的不便利等特点，燃料电池的供电普及受到了比较大的限制。随着技术的成熟和成本的降低，燃料电池将越来越多地应用于信息设备供电。

4 共享

共享能有效节省空间、硬件资源，在信息设备供电系统中，共享在各个层次展开。

4.1 共享部件

不同功率的整流器（如2 000 W与3 000 W）、不同类型的变换器（如太阳能模块与整流器模块）在物理和电气接口实现兼容，可以共享插箱槽位，减少系统槽位空间。同一变换器，可以兼容交流输入、直流输入，以及不同的电压输出。同一电源插箱，可以实现市电、油机、太阳能、风能、电池的接入，统一输出并监控，实现了部件级的共享，减少了重复冗余的硬件资源和空间。

4.2 共享机柜

随着功率模块、监控单元、电池等功率密度不断提高，各种不同单元在单机柜内实现一体化，同时在部分室外站点，信息设备与电源设备共用机柜，实现了整个站点的一体化，减少了设备占地空间。

4.3 共享站点

大多数情况下，通信运营商在同一站点实现了无线2G、3G、4G通信的共享供电。中国铁塔公司的成立，意味着中国国内运营商将全面进入站点共享，包括电源在内的基础设施共享。随着非洲、拉丁美洲的基建运营商的规模不断扩大，全球范围内的通信站点共享越来越多。站点共享能大幅度降低通信运营商在基础设施建设和运营上的费用支出。

随着电动汽车的发展，通信站点与电动汽车充电融合的方案也开始实施，以实现信息设备供电与电动汽车充电的站点共享。

4.4 共享能源

目前物理地址不同的站点之间还不能实现能源的共享，每个站点都需要备用电池、油机等备电设备，每个站点的新能源发电也是站点内部使用。随着能源互联网的发展，未来不同站点共享备电和供电将成为可能。汽车到电网（V2G）技术也会让电动汽车与通信站点共享电池能量。能源的共享可以有效降低各个站点的备用容量，降低设备投资，供电可靠性也得以提高。

5 智能

智能化伴随着信息设备供电系统的发展不断发展，从早期的站点参数的监控扩展到站点的能源数据管理，智能化已经可以有效降低站点运维成本和能源消耗。

（1）智能监控。信息设备供电系统的智能监控功能实现对供电系统的信息采集、监测、告警和远程控制。实现了站点的无人值守，维护成本得以降低。

（2）数字控制技术。数字信号处理（DSP）数字控制技术具有控制灵活、成本低、保密性好、时间稳定性好等特点，在各种功率变换逐渐成为主流。而在复杂的功率变换系统，必须靠DSP数字控制技术才能实现复杂的变换。

（3）能源数据管理。站点的能源数据管理除了能够实现站点的设备监控外，还可以进一步实现站点预防性维护，提醒设备维护人员进行预防维护保养；通过站点能耗分析，可以实现站点能效管理；通过远程读取设备资产信息，可以实现在网资产的自动统计和盘点等资产管理；通过站点门禁、防盗视频抓拍等，可以实现站点安全管理。

（4）软件定义。DSP为软件定义电源奠定了基础。软件定义的电源系统逐步出现，可以通过软件定义电源的特性，实现能量的双向流动。随着功率器件的发展，四象限器件的出现，更可以同一硬件电路，实现AC/DC、DC/AC、DC/DC之间的任意功率变换[9]。

（5）自适应。产品的智能化可以根据使用的外部环境如电网、季节、天气、温度、负载，调整电源系统的工作状态，如输出电压、频率、负载率、电池充电状态等，以使得系统工作在最优状态，减少电能消耗、延长设备寿命。

6 互联

当前的信息设备供电系统，实现了远程的网络监控，已经具备了信息互联。随着新能源的应用普及，每个站点不仅消耗能源，也能产生能源、储存能源。

新能源站点多余的能源可以实现供电的互联，共享给其他不同物理地址的站点，实现通信站点供电的互联共享，并可进一步进入公用供电网络，成为大的能源互联网的子网。

信息设备供电站点的电池除了可以用来做停电时给站点设备供电外，还可以共享给其他站点，也可以作为能源互联网削峰填谷、平滑输出的储能单元。

能源互联网是信息技术与新能源相结合的产物，虽然还没有一个统一的定义，但智能、开放、互联、共享等是能源互联网的一些主要特征。能源互联网可以实现能源的互联共享、峰谷互补，减少冗余浪费，提高供电可靠性[10]。信息设备供电系统是智能化最高的能源设备，可能是最先成为能源互联网“终端”的设备。

7 结束语

信息设备供电系统的发展往往决定于以下两个因素：一是产品的使用者（用户）的需求变化；二是技术的发展。前者是外因，后者是内因。降低总拥有成本（TCO）是信息设备供电系统发展的最直接的驱动力，高效、节能、绿色、共享、智能、互联最终都能带来信息设备供电系统的TCO降低，各种新材料、新器件、新应用技术为系统的发展提供了技术支撑。能源互联网是未来各种能源系统的发展方向，虽不能准确定义，不能准确预测，但都是朝着这个方向发展着。

节能减排既是企业利益诉求，也是企业的社会责任。我们将致力于推动信息设备供电系统更为高效、节能、绿色、共享、智能、互联，推动信息技术系统的创新发展。

参考文献

[1] MCEACHERN Alex. Energy for Telecommunications： the Next 25 Years [C]//The 37th International Telecommunications Energy Conference （INTELEC2015）， Osaka， Japan， 2015

[2] TAKASHI O， SHINTARO O. Strategy for Introduction of High-Voltage DC Power Supply System at NTT Group[C]// The 37th International Telecommunications Energy Conference （INTELEC2015）， Osaka， Japan， 2015

[3]彭广香. 基于336V直流的市电直供技术[J]. UPS应用， 2015（11）： 38-43

[4] TORU T， HIROAKI M. The HVDC Power Supply System Implementation in NTT Group and Next Generation Power Supply System[C]// The 36th International Telecommunications Energy Conference （INTELEC2014）， Vancouver， Canada， 2014

[5] 李典林. 数据中心未来供电技术发展浅析[J] 电信网技术， 2014（10） ： 47-52

[6] LIU M M. A Resilient Hybrid Energy Power System Architecture[C]// The 36th International Telecommunications Energy Conference （INTELEC2014）， Vancouver， Canada， 2014

[7] YD/T 3032-2015通信局站动力和环境能效要求和评测方法[S]

[8] WANG Y， XU L. A New Integrated Hybrid Power Supply System for Telecom Site Sharing Solution[C]// The 37th International Telecommunications Energy Conference （INTELEC2015）， Osaka， Japan， 2015

[9] Bruce Carsten. The Past and Future of Power Electronics[C]// The 36th International Telecommunications Energy Conference （INTELEC2014）， Vancouver， Canada， 2014

[10] 冯庆东. 能源互联网与智慧能源[M]. 北京： 机械工业出版社， 2015