信息設備供電系統發展趨勢

胡先紅

摘要：認為降低總體擁有成本（TCO）是信息設備供電系統發展的最直接驅動力，高效、節能、綠色、共享、智能、互聯是未來信息設備供電系統的發展趨勢和特征。能源互聯網可以實現能源的互聯共享，減少冗余浪費，提高供電可靠性，是未來各種能源系統的發展方向。信息設備供電系統是智能化最高的能源設備，可能是最先成為能源互聯網“終端”的設備。

關鍵詞：信息設備供電；高效；節能；綠色；共享；智能；互聯；能源互聯網

在M-ICT時代，連接無處不在。高度連接的信息社會，對能源的使用要求越來越高，ICT系統消耗的能源也不斷增加，綠色節能成為M-ICT時代的迫切需求，也越來越得到人們的重視。另一方面，新能源技術的發展也為綠色節能的信息設備供電提供了有力的支撐。信息設備供電系統呈現出高效、節能、綠色、共享、智能、互聯等特征。

1 高效

高效是指在ICT設備供電系統中，從能源的產生、轉換、分配、使用等能效矩陣的各個環節，對能源進行高效的轉換和利用，各個環節的高效匯集成整個供電系統的高效。高效意味著在供電系統有著更小的能量損失。

1.1 能源的高效率轉換

ICT設備所直接使用的是5 V、3.3 V等低壓直流，從能源的供給到最終的低壓直流電源之間，有很多的能源轉換、分配環節。每一個轉換分配環節，都存在能量的損失。高效率的電源變換技術，使得能源在各個轉換環節的損失最小。各種功率變換模塊都在追求更高的轉換效率。

（1）通信用電源整流器的（交流220 V轉直流48 V）效率，已從92%提升到當前主流的96%以上，未來將進一步提升到98%甚至更高。從92%到96%，再到98%，整流器損耗依次降低50%。采用高效率的整流器，能有效降低站點的電能消耗。

（2）通信站點用太陽能功率模塊（直流到直流（DC/DC））效率提升到98%以上。

（3）數據機房用不間斷電源（UPS）效率提升到97%以上。

（4）太陽能極板光電轉換效率不斷提升，例如單晶硅的量產效率達到20%以上，并且每年提升絕對值0.3%～0.5%左右。光電轉換效率的提升可以提高太陽光的利用率，產生更多的電能。

（5）各種能源變換器中輕載下的效率不斷提升，滿足實際負載情況下的節能，通信整流器的最佳效率點出現在50%～80%負載，30%以上負載就能實現很高的效率。

1.2 高效率的能源利用

信息設備供電除了來源于公共電網，還來自于新能源發電、油機發電等。為了降低成本，這些小型發電設備的配置容量都非常有限，因此能源的高效利用則成為了很重要的研究內容。

（1）最大功率點跟蹤（MPPT）技術，成為太陽能、風能利用中的普遍需求。太陽能功率模塊MPPT效率達到99%，通過實時跟蹤太陽能或風機的最大輸出功率點，可以實現最大功率的利用，可比傳統控制器增加30%的利用率。

（2）油機發電的變頻輸出，可以提高輕載燃油效率。傳統交流油機，工作在恒定頻率狀態，在輕載狀態下，燃油效率較低。通過采用新型直流油機，油機發電機工作在變頻狀態，輸出頻率隨負載調整，使得燃油效率有較大提升。

1.3 高效率的供電架構

不同的供電架構有著不同的能源效率。數據流量的指數級增長，推動了大量的數據中心的建設，也催生了新型供電架構的應用，供電架構的探討成為互聯網數據中心（IDC）機房供電領域的熱門話題。

（1）高壓直流取代交流UPS供電成為趨勢[1-2]。高壓直流（HVDC）供電比傳統交流UPS減少了輸出直流電/交流電（DC/AC）逆變、負載側的整流環節等，供電轉換環節少，供電效率高。電池直接掛在母線上，可靠性更高。行業內通用的高壓直流有240 V和336 V兩種制式之爭，240 V制式對目前的交流供電系統兼容性好，主要在中國國內應用；336 V則更為徹底，能夠節省更多轉換的環節，在全球范圍內得到廣泛認可。無論哪種制式最終勝出，都會逐步取代交流UPS而成為數據機房供電的主流，并帶來供電效率的提升。

（2）市電直供技術逐步推廣。為進一步提升供電效率，減少轉換環節，市電直供主用、高壓直流備用的供電架構得到越來越多的應用。這種架構在正常情況下采用市電直接供電，進一步提升了供電的效率[3]。

（3）中間總線電壓存在爭論。傳統服務器采用12 V的中間母線供電架構，而傳統通信設備則采用48 V為供電母線電壓。隨著服務器的功耗越來越大，母線電阻的損耗不可忽視，于是出現了采用48 V作為中間母線的供電架構，可以大幅降低母線電流。而48 V基本上是人可接觸的安全電壓上限，較好地實現了效率與安全之間的平衡[4-5]。

2 節能

節能主要是指通過各種節能措施，在保證信息業務可靠性的基礎上，降低信息設備站點和機房的能源消耗。隨著節能減排的要求不斷提高，對已部署的設備實行節能改造，往往能夠有效降低站點能耗，并降低站點的運營成本（OPEX）。

2.1 休眠技術節能

在信息設備供電系統中，大多數都采用模塊化并聯實現冗余以保證可靠性，并且為保證最大負載情況的供電，系統設備配置都偏大。正常情況下的負載率一般在20%～40%，并不在電源設備的最佳工作狀態。模塊休眠可以根據負載的情況關閉或開啟部分模塊，使剩余模塊以50%～70%負載率工作在最佳效率狀態，并讓系統的各模塊輪換進行休眠已使得各模塊工作時間均衡。通信直流電源系統中的整流器休眠技術可以實現節電4%～10%。模塊化UPS、高壓直流供電系統均可采用模塊休眠技術實現節能。在負載側，也實現了根據用戶量實現設備的休眠，大幅減少信息設備自身的功耗。

2.2 混合供電節能

在偏遠無市電通信站點，為實現通信，一般采用雙油機輪換供電，蓄電池浮充備用。在這種情況下，油機配置都有較大的冗余量以適應電池充電、未來擴容等，從而導致正常情況下油機帶載率低、燃油效率低。通過改造，可以實現油機、電池輪流混合供電，例如油機工作5 h，給負載供電的同時給電池充電；然后油機停機，電池放電給負載供電7 h；然后油機再工作，如此循環。采用這種方式，油機負載率大幅提升，燃油效率有效提高，油機工作時間減少，燃油消耗減少，油機維護費用也下降[6]。

2.3 熱管理節能

在傳統的信息設備機房，制冷消耗了大約40%電能。一方面，我們可以采用高效、節能的信息設備供電系統，以減少機房設備的熱量產生；另一方面，可以通過新型的熱管理技術，有效降低機房的制冷耗能[7]。這些新型的熱管理技術包括：

（1）機房精確制冷。即改變機房整體制冷的情況，將冷風精確送達需要冷卻的部件，實現精確制冷，并通過空間布局設計防止冷熱風短路，這樣可以有效降低制冷空調的耗電量。

（2）分區制冷。在信息設備機房中，不同設備對溫度的要求不同。通過對不同的區域實現分區制冷策略，可以減少制冷的能耗。例如，對電池單獨實現溫控，同時適當調高機房的整體溫度，可以有效減少空調耗能。

（3）戶外機柜取代機房。對于小型站點，采用戶外設備（含電源系統、基站設備）取代戶內設備，相比機房，可有效減少制冷空間，大幅度降低制冷能耗，也能減少機房占地面積和建設費用。

（4）采用新風技術、自然冷源等散熱技術。采用新風技術，在室外環境溫度低、晝夜溫差大、空氣潔凈的地區，可以有效減少空調工作時間。在大型水庫、湖泊、海邊，可充分利用自然冷源進行機房冷卻，降低機房制冷能耗。

（5）電能利用率（PUE）被用來衡量機房的綠色程度。國際先進的數據中心PUE值能達到1.1。在通信行業標準中，對各種機房的PUE值有比較明確的要求[7]。量化的標準將推動機房的能耗降低，PUE值的提高。

3 綠色

綠色是指采用可再生能源、清潔能源取代化石能源為信息設備供電，以減少站點碳排放。在信息設備供電的清潔能源中，主要有太陽能、風能、燃料電池等。

3.1 太陽能綠色供電

隨著太陽能發電的成本近年來大幅度的降低，太陽能供電的經濟性大幅提高。在沒有市電或市電不穩定的站點，太陽能供電得到了大量的應用；而在市電較好的地方，通過配置一定的太陽能，也能有效減少信息設備對市電的消耗[8]。太陽能供電將是未來信息設備綠色供電的主流。

3.2 風光互補混合供電

風能和太陽能在晝夜、季節上存在一定程度的互補性，例如白天陽光強、風弱，晚上無太陽能、風大，冬季陽光弱、風強。在風能比較好的地區，通過風光互補方式給信息設備站點供電，也得到了較多的應用。

3.3 燃料電池綠色供電

燃料電池在通信站點的清潔供電試點越來越多，但目前燃料電池還是以氫為主要燃料（其他非氫燃料電池也需要最終制備成氫氣進入燃料電池），由于成本高、燃料獲取的不便利等特點，燃料電池的供電普及受到了比較大的限制。隨著技術的成熟和成本的降低，燃料電池將越來越多地應用于信息設備供電。

4 共享

共享能有效節省空間、硬件資源，在信息設備供電系統中，共享在各個層次展開。

4.1 共享部件

不同功率的整流器（如2 000 W與3 000 W）、不同類型的變換器（如太陽能模塊與整流器模塊）在物理和電氣接口實現兼容，可以共享插箱槽位，減少系統槽位空間。同一變換器，可以兼容交流輸入、直流輸入，以及不同的電壓輸出。同一電源插箱，可以實現市電、油機、太陽能、風能、電池的接入，統一輸出并監控，實現了部件級的共享，減少了重復冗余的硬件資源和空間。

4.2 共享機柜

隨著功率模塊、監控單元、電池等功率密度不斷提高，各種不同單元在單機柜內實現一體化，同時在部分室外站點，信息設備與電源設備共用機柜，實現了整個站點的一體化，減少了設備占地空間。

4.3 共享站點

大多數情況下，通信運營商在同一站點實現了無線2G、3G、4G通信的共享供電。中國鐵塔公司的成立，意味著中國國內運營商將全面進入站點共享，包括電源在內的基礎設施共享。隨著非洲、拉丁美洲的基建運營商的規模不斷擴大，全球范圍內的通信站點共享越來越多。站點共享能大幅度降低通信運營商在基礎設施建設和運營上的費用支出。

隨著電動汽車的發展，通信站點與電動汽車充電融合的方案也開始實施，以實現信息設備供電與電動汽車充電的站點共享。

4.4 共享能源

目前物理地址不同的站點之間還不能實現能源的共享，每個站點都需要備用電池、油機等備電設備，每個站點的新能源發電也是站點內部使用。隨著能源互聯網的發展，未來不同站點共享備電和供電將成為可能。汽車到電網（V2G）技術也會讓電動汽車與通信站點共享電池能量。能源的共享可以有效降低各個站點的備用容量，降低設備投資，供電可靠性也得以提高。

5 智能

智能化伴隨著信息設備供電系統的發展不斷發展，從早期的站點參數的監控擴展到站點的能源數據管理，智能化已經可以有效降低站點運維成本和能源消耗。

（1）智能監控。信息設備供電系統的智能監控功能實現對供電系統的信息采集、監測、告警和遠程控制。實現了站點的無人值守，維護成本得以降低。

（2）數字控制技術。數字信號處理（DSP）數字控制技術具有控制靈活、成本低、保密性好、時間穩定性好等特點，在各種功率變換逐漸成為主流。而在復雜的功率變換系統，必須靠DSP數字控制技術才能實現復雜的變換。

（3）能源數據管理。站點的能源數據管理除了能夠實現站點的設備監控外，還可以進一步實現站點預防性維護，提醒設備維護人員進行預防維護保養；通過站點能耗分析，可以實現站點能效管理；通過遠程讀取設備資產信息，可以實現在網資產的自動統計和盤點等資產管理；通過站點門禁、防盜視頻抓拍等，可以實現站點安全管理。

（4）軟件定義。DSP為軟件定義電源奠定了基礎。軟件定義的電源系統逐步出現，可以通過軟件定義電源的特性，實現能量的雙向流動。隨著功率器件的發展，四象限器件的出現，更可以同一硬件電路，實現AC/DC、DC/AC、DC/DC之間的任意功率變換[9]。

（5）自適應。產品的智能化可以根據使用的外部環境如電網、季節、天氣、溫度、負載，調整電源系統的工作狀態，如輸出電壓、頻率、負載率、電池充電狀態等，以使得系統工作在最優狀態，減少電能消耗、延長設備壽命。

6 互聯

當前的信息設備供電系統，實現了遠程的網絡監控，已經具備了信息互聯。隨著新能源的應用普及，每個站點不僅消耗能源，也能產生能源、儲存能源。

新能源站點多余的能源可以實現供電的互聯，共享給其他不同物理地址的站點，實現通信站點供電的互聯共享，并可進一步進入公用供電網絡，成為大的能源互聯網的子網。

信息設備供電站點的電池除了可以用來做停電時給站點設備供電外，還可以共享給其他站點，也可以作為能源互聯網削峰填谷、平滑輸出的儲能單元。

能源互聯網是信息技術與新能源相結合的產物，雖然還沒有一個統一的定義，但智能、開放、互聯、共享等是能源互聯網的一些主要特征。能源互聯網可以實現能源的互聯共享、峰谷互補，減少冗余浪費，提高供電可靠性[10]。信息設備供電系統是智能化最高的能源設備，可能是最先成為能源互聯網“終端”的設備。

7 結束語

信息設備供電系統的發展往往決定于以下兩個因素：一是產品的使用者（用戶）的需求變化；二是技術的發展。前者是外因，后者是內因。降低總擁有成本（TCO）是信息設備供電系統發展的最直接的驅動力，高效、節能、綠色、共享、智能、互聯最終都能帶來信息設備供電系統的TCO降低，各種新材料、新器件、新應用技術為系統的發展提供了技術支撐。能源互聯網是未來各種能源系統的發展方向，雖不能準確定義，不能準確預測，但都是朝著這個方向發展著。

節能減排既是企業利益訴求，也是企業的社會責任。我們將致力于推動信息設備供電系統更為高效、節能、綠色、共享、智能、互聯，推動信息技術系統的創新發展。

參考文獻

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