作者：刘 峰
现任：中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司
【摘 要】：通过对PUE的组成部分逐项剖析，在保障通信电源供配电系统安全性的同时，减小通信设备附属功耗，并结合相应案例及国家四部委、国家电网相应法规和指导意见，依据具体案例剖析，给出合理化建议及相应技术手段。
【关键词】：PUE1.2以下 通信电源系统 设计方案思考
前言
PUE是指Power Usage Effectiveness的简写，是评价数据中心能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比，是DCIE(data center infrastructure efficiency )的反比。
即，
，PUE是一个比值，基准是2，越接近1表明能效水平越好。
PUE值已经成为国际上比较通行的数据中心电力使用效率的衡量指标。
1、通信电源设备的选用
1.1开关电源高效模块及240-336V直流系统的采用
现有48V开关电源高效模块单体效率可达96%，在原有直流整流系统可直接采用，在节省投资的前提下可以根据通信负荷浮充功率配置，剩余普通模块可以根据使用和维修周期进行轮换更新为高效模块。
240-336V直流系统针对于传统48V系统具有更远的供电半径及更小的线路损耗，其节能效果及减少有色金属量的使用是显著的，同时结合相应的专利技术可以在保证直流供配电系统安全可靠性的前提下减少相应机房造价。
1.2模块化UPS的采用及ECO运行模式
模块化UPS相对于传统UPS从外部结构就有所不同，将整个UPS按主要功能部分分为功率变换、电池系统、智能管理和通信等几部分，把每部分又按基本功能和功率容量在结构上做成独立的可热插拔的模块。其优势是在保证供配电系统可靠性的前提下，提高系统的使用效率，减少损耗。
ECO运行模式：在市电质量能满足通信设备供电要求时，UPS由静态旁路直接给通信设备供电，同时主路通过整流器给电池充电，此时逆变器处于待机状态，不输出能量，当旁路电源异常时，UPS自动切换到主路或电池逆变器供电状态（切换时间一般在1～2ms以内），当旁路电源恢复正常后（在允许范围内），系统自动地恢复到ECO运行模式。由于UPS在ECO运行模式工作时，逆变器处于待机状态，所以自身损耗很小，UPS整机效率都可高达98%以上。
上述运行模式需要供配电具备相应的电能质量条件，即高功率因数及低谐波含量。
2、空调系统设置
机房空调的冷量不浪费，有效的利用可以很大的提高空调的利用率。在实现机房制冷的前提下空调运行也可以节能。通过空调系统一系列的优化，可以降低整个机房的PUE值。
然而，空调本身的耗电量是最主要的。所以解决空调自身的耗电量成本降低空调能耗的关键。机房中采用传统的风冷制冷方式是最耗电的运行方式。在大的IDC中现在基本上都采用水冷式的机房空调系统，比风冷系统节能20%左右。
但是，我们可以在通过新的空调技术还可以比水冷空调在节能30%以上的空调系统(非电空调)。
非电空调俗称溴化锂空调、吸收式制冷机、燃气空调等，其工作原理是通过采用天然气、城市煤气、发电废热、工业废热、工业废水、太阳能、沼气等任何能产生80℃以上的热能为动力、以溴化锂为冷媒进行热交换，从而降低空调循环水温度，达到制冷目的;但“非电”只是空调本身的制冷不直接用电来运作，但是支持空调运作的后方机组，比如说，风机、水泵、冷却塔都是需要耗电的。
但相对于直接用电来制冷和制热，非电空调对电力的消耗非常小。所以这种非电技术的意思是，我们无法杜绝用电，但是可以做到大幅度节约用电。
非电空调制冷原理：就是利用溴化锂溶液实现的，即水和溴化锂的二介介质，由于沸点不同而且具有吸水性的原因当加热溴化锂溶液时，水被蒸发，蒸发的水流入蒸发器内蒸发吸热，然后蒸汽被冷凝，再次与溴化锂混合成为溶液。这些过程中，它被热源加热，然后通过蒸发将需要冷却的一端冷却了，同时冷凝的热量通过室外的冷却塔冷却或送到室内制热等。这样就实现了用热制冷。
所谓非电技术，就是采用直接由热能来制冷的原理。传统意义上的电空调，要完成制冷效果，必须由热能到机械能、由机械能到电能、再由电能回到机械能，最后才能到冷能，这其中5次能量转换过程都将排出一定数量的二氧化碳。因此，从理论上来说非电空调不仅节约了能源，还有效地减少了空调制冷过程中4倍的碳排放。
3、供配电系统组成
从供配电系统组网和配置来看，中压方案具备损耗小和结构简单的优势。尤其是当功率达到一定容量以后，低压元器件已不能对供配电负荷做到很好的保护。以备用发电系统为例，采用8台2400KW机组并机运行，按照国标要求功率因数0.8、输出电压400V计算，低压输出电流将达到34642A，以现有元器件来看仅可支持到6300A,无法满足要求；而采用中压(10.5KV)系统，该值为2285A，以现有元器件来看仅可支持到4000A，完全可满足要求。由此可以看出，针对大型通信电源系统中压供配电系统是更好的解决方案。
同时针对10KV供配电系统，容量达3000A中压（10KV）带维修旁路双电源转换装置在通信供配电系统方案中起到重要作用；无论从供配电系统安全性还是运行维护方便都很好地解决了原中压系统（10KV）的技术瓶颈。
4、分布式能源应用相应法规及指导意见
四部委《关于发展天然气分布式能源的指导意见》
该《意见》明确指出：发展天然气分布式能源的重要意义：天然气分布式能源是指利用天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要方式。与传统集中式供能方式相比，天然气分布式能源具有能效高、清洁环保、安全性好、削峰填谷、经济效益好等优点。
同时，2013年2月27日，国家电网公司在京召开“促进分布式电源并网新闻发布会”，向社会正式发布《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》。这是国家电网公司继2012年发布《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见》后，出台的积极促进分布式能源发展的又一重大举措，一系列标准和细则的制定，将优化并网流程，简化并网手续，提升服务效率，切实提高分布式电网并网的服务水平。
其中，从适用范围可以看出，6000KW天然气发电系统可以得到很好的并网使用。
国家电网《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见》摘选
5、设备运行及成本核算案例
我们以某一负荷容量为6000KW的通信局址进行设计方案模拟及相应的成本核算：
该系统主要用于为IDC机房提供自用电、为数据交换设备提供冷却、为办公区域进行制冷及制热。项目总电量需求约6020kW。
同时根据可给出的天然气参数可知，天然气低发热值约为34910kJ/m3，密度约0.61kg/m3，供气压力约0.1MPa~0.4MPa，可保证压力0.2MPa。
配置相应的中压内燃机发电机组及溴化锂空调系统。
根据三联供系统的特点，三联供系统适合用电量及用冷量较稳定的用户。通信机房楼全年具有比较稳定的发热量和耗电量，且用电负荷相对稳定，适宜采用三联供系统。其系统流程如下图所示。
图 6.11 系统工艺流程图
采用上述系统，综合能效可达88%~92%。
三联供运行方案经济性分析
对比项目
单位
三联供
常规方案
备注
总用电负荷需求
KVA
6000
6000
市电引入
办公楼
热量
KW
2070
2070
办公楼供暖需求
机房楼
冷量
KW
2900
2900
三联供仅供机房楼冷量
运行工况
全时使用
公共电网用电负荷需求
kW
1428
4428
冷负荷需求
kW
2900
2900
机房制冷
总投资
3234
1532
不含市电引入费用
能源单价
电费单价
元/kWh
0.77
峰谷平均价
燃气费单价
元/m3
1.98
规模
三联供发电容量
kW
3000
3台1000KW天然气机组
市电补充容量
kW
1428
4428
制冷系统容量
KW
2900
2900
3台溴化锂空调，制冷1012KW/台
年供能
年发电量
kWh
24120000
每台检修1个月
年余热供冷量
kWh
15665760
全年制冷
年余热制热量
kWh
1728000
供暖期5个月,制热384KW/台
年电空调供冷量
kWh
14964000
年耗能
年购市电
kWh
12509280
38789280
年耗气
万m3
766
26
年运行费用
电费
万元
963
2987
市电备用容量费
万元
116
31元/KVA.月，按3000备用含积金
燃气费
万元
1518
51
供暖费
万元
119
每平方35元
运行维护费用
万元
186
100
机组运行维护
合计
万元
2783
3257
运行费用经济效益分析
年节约运行费用
万元
474
三联供系统增量投资
万元
1702
静态投资回收期
年
3.59
三联供收益
发电收益
万元
1857
供冷收益
万元
270
供热收益
万元
119
燃料支出
万元
1518
备用容量费
万元
116
维修支出
万元
186
净收益
万元
427
三联供收益经济效益分析
三联供系统增量投资
万元
1702
静态投资回收期
年
3.99
排放指标
CO2
吨
26201
节约1度电减排0.997KG
SO2
吨
788
节约1度电减排0.03KG
NOX
吨
394
节约1度电减排0.015KG
发电指标
每立方天然气发电量
kWh/m3
3.70
上述方案PUE可达1.17，同时月可用度≥99.999%，月不可用时间小于0.075分钟。
同时从设备安装运行周期（30年）和投资回收期来看，采用该系统方案不但安全可靠而且经济合理的。
6、结论
综上所述，通信运营商的供配电系统在满足PUE达到1.2及以下的前提下，应就各类容量的供配电系统进行大量的探索、研究、应用及寻求相应的节能产品供应商，在节能增效的同时减少碳排放，为社会绿色发展尽一份力量。
作者简介：
刘峰：男，高级工程师，1970年生，1992年毕业于齐齐哈尔轻工学院自动化专业，学士学位，现从事通信电源设计研究工作。中国照明学会理事，哈尔滨市照明学会秘书长兼副理事长。
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