一、概述
能源是發(fā)展國民經濟和提高人民生活水平的重要物質基礎；節(jié)約能源是合理有效地利用能源、緩解能源緊缺狀況、提高企業(yè)經濟效益和保護環(huán)境的重要措施。在通信 行業(yè)中，人們通常把電源比喻為通信系統(tǒng)的“心臟”。 隨著我通信產業(yè)的快速發(fā)展,通信電源和空調設備的規(guī)模將越來越大,消耗的電能也是一個龐大的數(shù)目.通 信電源作為電信運營商運行維護的"心臟",在節(jié)能降耗方面具有很大的潛力.電費作為最后一項未被控制的成本,在節(jié)能方面更具有緊迫性。
隨著通信由語音為主的通信時代轉為數(shù)據(jù)通信為主的時代,人們對通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了越來越高的要求.相應的,對通信直流電源設備而言,其各方面的性能要 求也越來越高,否則無法滿足通信網絡的高性能要求.同時,隨著人們對于環(huán)境保護意識的不斷增強,以及能源價格的不斷上漲,對通信直流電源產品在環(huán)境保護和 節(jié)能方面提出了更高的要求。從宏觀、全局和經營效益的角度來看，通信電源似乎顯得并不十分搶眼，但從微觀和電源專業(yè)本身來看，從確保通信質量、生產安全和 財產安全的角度提出高度重視通信電源的運行管理與應用研究，頗有一定道理。
消耗能源巨大，設備資源豐富，需要精心管理通信生產用電和確保通信機房環(huán)境溫度等用電，所消耗的電能源是巨大的。而且通信電源設備的種類多、數(shù)量多，通信 電源、空調設備資產大約占總資產的3％～5％，在一個擁有雄厚資產的強大通信企業(yè)——中國網通集團公司，通信電源、空調設備的資產所占通信設備資產比例是 非常高的，因此加強管理，提高使用效率，降低成本，意義重大。
而在通信機房中，除了雜項用電外，空調用電與通信用電各占一半。
因此說，節(jié)能降耗的能效有多大，很大程度上取決于對機房空調和通信電源設備的節(jié)能降耗改革的成果。
在本文中，我們一起探討兩種途徑來實現(xiàn)通信電源設備的節(jié)能降耗。
二、開關電源的關鍵技術帶來節(jié)能降耗
開關電源被譽為高效、節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向。采用開關電源可有效減小功率損耗，通過外部電路還可進一步提高電源的工作效率。
通信電源，尤其是通信直流電源技術發(fā)展很快，但它的發(fā)展有以下幾個特征，以及開關電源技術有四大趨勢。這些新的技術和趨勢是實現(xiàn)通信電源節(jié)能降耗的重要途徑。
（一）通信直流電源技術發(fā)展的4個特征：
1．通信直流電源產品內部各部分技術的發(fā)展存在不均衡性
通信直流電源產品一般由交、直流配電單元、整流器單元、監(jiān)控單元、蓄電池系統(tǒng)等幾部分構成,但這幾部分的技術發(fā)展是不均衡的.其中發(fā)展最快的是整流器技術,而配電技術則相對發(fā)展緩慢.這樣導致了整個通信直流電源系統(tǒng)內部各部分的不均衡發(fā)展。
2．新型器件和材料得到不斷應用
新型器件和材料的不斷涌現(xiàn)并被應用到通信直流電源產品中。例如碳化硅(SiC)器件和新型磁性材料(如非晶材料)逐步開始應用到通信用整流器中,DSP芯 片也開始在整流器中得到規(guī)模應用.更高性能的單片機系統(tǒng)在監(jiān)控單元中不斷得到應用,膠體電池得到大量應用等。
3．功率變換技術不斷發(fā)展
作為通信直流電源的核心部件---整流器在技術上發(fā)展最為迅速,各種新型線路技術、開關變換器技術、諧振開關技術、新型軟開關技術、功率因數(shù)校正技術、環(huán)路控制技術、均流技術都在不斷迅速發(fā)展并在產品中得到商用。
4．新的監(jiān)控技術不斷應用
伴隨著計算機技術的發(fā)展,一些新型技術也不斷在通信直流電源產品中得到應用,如CAN總線技術、IP通信技術、USB技術、基于英特網的組網技術等。這些技術的應用推動了通信直流的智能化發(fā)展。
（二）通信開關電源的4種發(fā)展趨勢：
1、同步整流技術實現(xiàn)高效
從上世紀90年代末期同步整流技術誕生以來，開關電源技術得到了極大的發(fā)展，采用IC控制技術的同步整流方案已經為研發(fā)工程師普遍接受，現(xiàn)在的同步整流技術都在努力實現(xiàn)ZVS、ZCS方式的同步整流。
從2002年美國銀河公司發(fā)表了ZVS同步整流技術之后，現(xiàn)在已經得到了廣泛應用。這種方式的同步整流系巧妙地將二次側驅動同步整流的脈沖信號調為比一次 側的PWM脈沖信號的上升沿超前，下降沿滯后的方法實現(xiàn)了同步整流MOS的ZVS方式工作。最新問世的雙輸出式PWM控制IC幾乎都在控制邏輯內增加了對 二次側實現(xiàn)ZVS同步整流的控制端子。例如：Linear公司的LTC3722、LTC3723，INTERSIL公司的ISL6752等。這些IC不僅 努力解決好初級側功率MOSFET的軟開關，而且著力解決好二次側的ZVS方式的同步整流，轉換效率可達94%以上。
2、開關電源吹響數(shù)字化號角
目前在整個的電子模擬電路系統(tǒng)中，電視、音響設備、照片處理、通訊、網絡等都逐步實現(xiàn)了數(shù)字化，而最后一個沒有數(shù)字化的堡壘就是電源領域了。近年來，數(shù)字 電源的研究勢頭不減，成果也越來越多。在電源數(shù)字化方面走在前面的公司有TI和Microchip。TI公司既有DSP方面的優(yōu)勢，又兼并了PWMIC專 業(yè)制造商UNITRODE公司，該公司已經用TMS320C28F10制成了通訊用的48V輸出大功率電源模塊，其中PFC和PWM部分完全為數(shù)字式控 制。現(xiàn)在，TI公司已經研發(fā)出了多款數(shù)字式PWM控制芯片。目前主要是UCD7000系列、UCD8000系列和UCD9000系列，它們將成為下一代數(shù) 字電源的探路者。它們總體上既包括硬件部分，還要做軟件編程。硬件部分包括PWM的邏輯部分、時鐘、放大器環(huán)路的模數(shù)轉換、數(shù)模轉換以及數(shù)字處理、驅動， 同步整流的檢測和處理等。
目前在電源領域里的競爭主要還是性能價格的競爭，所以數(shù)字電源還有很長的路要走，然而電源領域的數(shù)字化的號角已經吹響了。
3、非隔離DC/DC技術迅速發(fā)展
近年來，非隔離DC/DC技術發(fā)展迅速。目前一套電子設備或電子系統(tǒng)由于負載不同，會要求電源系統(tǒng)提供多個電壓擋級。小到臺式PC機就要求 有+12V、+5V、+3.3V、-12V四種電壓以及待機的+5V電壓，主機板上則需要2.5V、1.8V、1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可 能給出這樣多的電壓輸出，而大多數(shù)低壓供電電流都很大，因此開發(fā)了很多非隔離的DC/DC，它們基本上可以分成兩大類。一類在內部含有功率開關元件，稱 DC/DC轉換器。另一類不含功率開關，需要外接功率MOSFET，稱DC/DC控制器。按照電路功能劃分，有降壓的STEP-DOWN、升壓的 BOOST，還有能升降壓的BUCK-BOOST或SEPIC等，以及正壓轉成負壓的INVERTOR等。其中品種最多，發(fā)展最快的還是降壓的STEP- DOWN。根據(jù)輸出電流的大小，分為單相、兩相及多相。控制方式上以PWM為主，少部分為PFM。
在非隔離的DC/DC轉換技術中，TI公司的預檢測柵驅動技術采用數(shù)字技術控制同步BUCK，采用這種技術的DC/DC轉換效率最高可以達到97%，其中 TPS40071等是其代表產品。BOOST升壓方式也出現(xiàn)了采用MOSFET代替二極管的同步BOOST的產品。在低壓領域，增加效率的幅度很大，而且 正在設法進一步消除MOSFET的體二極管的導通及反向恢復問題。
4、初級PWM控制IC不斷優(yōu)化
有源箝位技術歷經十余年經久不衰，如今已發(fā)展為采用電流型控制方式，綜合了高邊箝位、低邊箝位兩種控制方案，給出了全新的控制技巧。
隨著開關電源的技術不斷革新，功率控制技術的不斷純熟，控制電路的不斷發(fā)展，通信電源的節(jié)能降耗能效日益凸顯，成為眾多運營商關注的重要元素之一。
三．通信機房空調系統(tǒng)的節(jié)能降耗
通信機房節(jié)約能源的主要途徑：
1、利用大自然環(huán)境溫濕度的變化——是節(jié)約能源的途徑之一
大自然的環(huán)境溫濕度，晝夜、季節(jié)、地區(qū)都在變化，而通信機房發(fā)熱量是不變的，充分利用大自然冷熱對機房熱輻射效應的變化，自動改變空調合理運行所應有的溫 度和濕度設置值，減少壓縮機工作時間，控制空調的總制冷量輸出，做到“按需制冷、供冷”,節(jié)約空調的耗電量。準確統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在上海地區(qū)夏季的空調用電 量一般要比冬季高出約40%左右。采用自適應節(jié)能技術，通過精確控制把大自然溫度變化的能量轉化為空調可節(jié)約的電量部分，這是人工控制做不到的。
通信機房的空調數(shù)量或者說冷量（大卡）的配置值n臺數(shù)，在機房設計時就已經充分考慮到了。其主要的“冷量峰值”是夏季高溫季節(jié)的最高溫度時段，如午后太陽 西曬時，也就是說空調的制冷大卡量是滿足夏季最高溫度時對通信設備的冷卻標準。加上 1 臺備用空調機組（即n+1臺）大部分時間也會投入使用，因此隨著 晝夜、季節(jié)、地區(qū)的溫度變化，空調制冷富余量幾乎永遠存在，只是大小差異而已。見如下示意圖；
我們通常講的采用自適應技術平均節(jié)電率20%是指一年的平均節(jié)電率。由外部環(huán)境溫度的變化而產生的空調富余量直接影響節(jié)電率或者說節(jié)電度數(shù)的絕對值。不同機房的工況環(huán)境條件與節(jié)電率大小也是有密切關系的。
根據(jù)大連網通機房近幾年的空調用電數(shù)據(jù)統(tǒng)計，1臺3.2萬大卡的空調，夏季耗電190度/天，冬季耗電133度/天。全年平均耗電153度/天。夏季比冬 季耗電量高40%左右。下表數(shù)據(jù)可見，不同季節(jié)的節(jié)電率是不同的，而且節(jié)電度數(shù)的絕對值也是不同的。事實上，白天和晚上的耗電量都是不同的。
2、跟蹤機房區(qū)域環(huán)境溫濕度，使空調更“聰明”——是節(jié)約能源的途徑之二
自動跟蹤機房“各區(qū)域”內真實的溫濕度數(shù)據(jù)值，控制空調的“去濕”、“加濕”等功能，讓空調始終處于合理的工作狀態(tài)，避免做“無用功”。具體的辦法是：
首先將自適應節(jié)能監(jiān)控器通過數(shù)據(jù)三通與原空調監(jiān)控平臺并聯(lián)，不影響原監(jiān)控系統(tǒng)的正常工作。
系統(tǒng)結構如圖：
機房平面環(huán)境溫濕度監(jiān)測點分布示意圖：
由于建立了這些虛擬的機房“溫度區(qū)域”，空調可以有的放矢，按需供冷，不會發(fā)生由于某一點的偽信息，而讓整臺空調機組產生誤動作。
3、在目標溫濕度值控制范圍內，讓空調作節(jié)能控制——是節(jié)約能源的途徑之三
過去專用空調的控制大部分是在22℃±2℃,50±5%，其實國標控制值是23℃±2℃，40—70%。
下圖是以濕度控制為例，說明專用空調節(jié)電的方法。
改變手動設置壓縮機頻繁工作的狀況，讓空調濕度設置點，在目標值內盡可能與環(huán)境濕度接近，從而大大節(jié)約了空調用電度數(shù)。
4、“N+1”臺空調富余量的自動控制，而且自動優(yōu)先排序——是節(jié)約能源的途徑之四
根據(jù)“空調組群”里“N+1”臺空調所產生的制冷量總和，自動判斷空調需要“n+1”或者“n-1”的物理位置，控制其合理的開啟或關閉狀態(tài)，達到節(jié)約能源的效果。
機房內發(fā)熱源（交換機、計算機）的分布是不均衡的，所以“空調組群”里的每臺空調所對應區(qū)域的制冷負荷量必然是不同的。對“空調組群”實現(xiàn)自動控制，而且自動優(yōu)先排序，使冷量利用效率最大化是有效的節(jié)能措施，也是確保機房恒溫恒濕工作環(huán)境的技術保障。
通過上述技術措施，可以達到以下效果：
1、有效降低機房內環(huán)境的溫差△t，提高機房整體恒溫恒濕效果，確保機房內通信設備的安全性，降低主設備故障率。
2、自動控制空調溫濕度數(shù)據(jù)設置值，自動優(yōu)化空調工作性能和狀態(tài)，控制“空調群”的組合使用效率，減少空調不合理的耗電量部分。
3、自動優(yōu)化和控制空調壓縮機合理的負荷運行狀態(tài)，延長了空調使用壽命。
由此我們可以得出以下4個結論：
1、根據(jù)前面介紹的節(jié)能途徑和原理，自適應節(jié)能技術節(jié)電率大小主要取決于空調富余量（相對于機架發(fā)熱總量）。除了夏季高溫時段外，一年四季絕大部分時間內的機房空調富余量是比較大的。
2、空調的富余量，既取決于室外晝夜、季節(jié)、地區(qū)的氣侯變化、又取決于空調機組自身的制冷效率、機房密封性能、機房工況條件等諸多不同因素。
3、不同季節(jié)的節(jié)電率是不同的，年平均節(jié)電率一般約為20%左右。
4、自適應控制專用空調的節(jié)能技術，有效解決了機房安全與節(jié)能的問題。尤其是避免了為節(jié)能而影響機房環(huán)境的安全。
四．節(jié)能措施
為了迎合新技術和市場的變化達到節(jié)能目的，根據(jù)省公司的統(tǒng)一部署安排結合實際情況，將設備實占率低開關電源冗余模塊多、耗電大的設備，依據(jù)設備負載和蓄電池容量的大小，適時關閉冗余模塊數(shù)量近120塊，每年節(jié)電近5萬元人民幣。
由于投入的資金有限，空調設備的節(jié)能降耗只能采用有限的方法：
封閉空間減少能量流失；
根據(jù)季節(jié)、溫度變化人工調節(jié)溫濕度；
改善冷凝器通風環(huán)境和保持清潔，減少用電消耗；
通過三線分離改變送風走向和風量。
五．結束語
通信電源作為通信的心臟和能源消耗的主要核心，也是節(jié)能的主要重點。本著通信暢通設備完好的思想，利用科學的方法和手段，合理、科學、安全使用調配現(xiàn)有的設備，提高效率達到降耗的目的。
