随着通信行业的快速发展,通信网络结构日益复杂,通信机房的规模和数量都呈现快速增长,通信设备的电能消耗也在不断提高。电力成本支出已成为各大运营商支出的重要部分。随着用电量的增加,通信行业急需对设备的用电进行科学、有效的管理。特别是近些年来放置互联网服务器的IDC数据中心发展迅速,高功率密度的服务器使用越来越普遍,机房耗能管理和机房节能措施成为当下热门的研究课题。伴随着各种节能减排措施的推广,电能管理系统也在近几年快速发展和应用。各个运营商也都希望通过电能管理系统的应用,能够使机房的用电更加合理,管理更加科学。

电能管理系统在功能上是一个独立的系统,在组网结构上可能是独立的也可能是与动环监控系统或者其它系统相关联的。在通信机房里,电能管理系统与动环监控系统相互依赖,功能互补;与电力行业的智能电表相比,电能管理系统与之实现的功能相似,但关注的重点有所不同。

本文将以电能管理系统与动环监控系统以及智能电网的关系为出发点,分析电能管理系统在建设和使用上的特点,并就其未来的发展趋势提出了一些建议。

1 电能管理系统的现状

(1) 电能管理系统的组网结构

电能管理系统一般有两种组网方式。第一种是在原有动环监控系统的通信机房,将动环监控系统采集的电能数据直接传输到电能管理系统的管理中心(或将电能管理系统和动环监控系统集成于同一个系统)。这种方式适用于已经建有动环监控系统的通信机房,它能最大限度的发挥原有动环监控的作用,也能更好的降低电能管理系统的建设成本。第二种是采集模块通过采集单元或直接将电能数据上传到管理中心,管理中心再将指定的数据传输到集中管理中心。这种方式适合于没有建立动环监控系统的通信机房,在新建电能管理系统的网络时,可以根据实际需求选择电能数据采集、存储设备和传输的网络。电能管理系统的组网结构如图1所示。

(2)电能管理系统与动环监控系统的分工与协作

随着网络技术的发展和完善,通信机房动环监控系统已在各个运营商使用多年。动环监控主要负责监控通信机房的电源、空调和环境参数等指标,保证通信机房中的设备都在良好的环境下运行。当设备或者环境出现异常时,动环监控系统会产生实时告警并上传到监控中心和集中监控中心,便于工作人员可以及时处理和维护。特别是对于无人值守的机房,动环监控系统是工作人员获取设备和环境信息的最重要的途径。电能管理系统的主要用途是统计各个通信机房的用电情况,以及各个设备的用电情况。由于电能管理系统不是直接负责监控通信机房内设备的运行状态,不直接与机房内各个设备的监控模块通信,所以机房内设备的实时告警对于电能管理系统的依赖性相对较低。

在很多情况下,电能管理系统和动环监控系统都保持着密切的联系。在以前建有动环监控系统的通信机房,采集模块通常与动环监控系统的监控单元相连,采集的电能数据通过动环监控系统的网络传输到管理平台,再通过动环监控系统与电能管理系统的接口,将数据传输到电能管理系统。这样可以有效避免重复建设和资源浪费。对于以前没有建设动环监控系统的通信机房，则会建设独立的电能管理系统组网，动环监控系统也可以利用与电能管理系的接口分享电能管理系统的数据和信息。

在独立建设的电能管理系统中,电能采集模块的通信协议通常有三种:一种是遵循YD/T2767-2015《通信局(站)电能管理系统》开发的协议;第二种是遵循DL/T645-2007《多功能电能表通信协议》开发的协议;第三种是遵循MODBUS协议开发的协议。DL/T645协议是针对电力行业的智能电表开发的,只能传输单路单相和单路三相交流电的数据,如果是多路采集模块,协议的使用会很复杂;MODBUS的协议虽然简单易实现,但其只能按顺序传输较简单的数据,不利于判断传输内容的完整性和正确性;相比之下,YD/T2767协议遵循YD/T1363.3的动环监控协议格式,能够与动环监控更有效地配合,也更适合用于电能采集模块中。在系统中对所有设备使用统一的协议,也有助于电能采集模块的通用性。在已建设动环监控系统的机房,电能采集模块可以直接与动环监控系统中的监控单元连接和通信。采集模块如果采用基于YD/T2767协议格式的通信协议,能直接应用到动环监控系统中,这样大大增加了采集模块的通用性。

(3)电能管理应用在通信行业和电力行业的差异

最近几年,电力行业也在对电网中使用的电表进行改造和升级,力图建设一个智能化的电网。改造的主要目的是将之前用于计费的机械式电表升级为智能电表,并将用自动抄表、自动统计的方式替代现有的手工抄表、人工统计的模式,降低人力成本的同时也能更有效地避免人为错误。

电力行业使用的智能电表(见图2),主要用途是电费计量,它测量的用电量数据是电力部门收取电费的依据。通信行业使用的电能采集模块(见图3),主要用途是统计通信机房的用电情况,并将数据上报汇总并备份,用于统计和分析不同时段、不同区域的用电情况,为节能评估提供原始数据;也有部分机房将电能采集模块的数据作为对外出租机柜的电费计量依据。鉴于在两个行业的使用目的和侧重点不同,在仪表的配置上,也有所差异。

电力行业的智能电表一般是针对整个机房或者其中的某一总线路进行用电量的统计和计费,而通信行业通常用电能管理系统来统计机房的每个用电设备的用电量,机房内的通信主设备、空调、UPS等通常都会单独统计用电量。电力行业现在主要依靠底端的智能电表进行用电量和电费的统计,除了用电量以外,每天的最大需求量、各个时段的费率以及总电费,都能存储于智能电表中。在电能管理系统中,采集模块测量的电能数据会及时上传到服务器端,并可依靠服务器强大的处理能力对电能数据进行计算和统计;在电能采集模块端,主要完成数据采集和备份的功能,对计算处理的要求相对较低。

通信行业和电力行业中用来测量电能数据的设备,也有差异。电力行业使用的智能电表是单路单相或者单路三相的,对每一个电路,会配备一个独立的智能电表;通信行业使用的电能采集模块,通常是多路采集模块,能够同时采集十几个甚至几十个单相电路或者三相电路的电能数据,大多数情况下不是每一个电路单独配置一个电能采集模块。电力行业用的智能电表是电量计费的重要依据,功能单一,不允许用户对其操作和设置;而通信行业用的电能采集模块可以根据用户的要求设置数据存储周期等参数,按照用户需求统计相应的用电量。通信机房的电能管理系统中也使用了少量的直流采集模块,接在直流用电设备前端,用于采集直流用电数据;而电网的智能电表则不监测直流用电量的信息,因为直流设备都是通过整流器将交流电转换成直流电的,与电网的计费没有直接关系。图4和图5分别为电力行业用的智能采集器和通信行业用的采集单元。

在通信机房本地,无论是智能电网还是电能管理系统,一般都会配置相应的设备来收集机房内的智能电表或电能采集模块测量得到的电能数据。这些设备一般收集几个至几十个智能电表或电能采集模块的测量数据。在智能电网中,这样的设备称作智能采集器或者集中抄表终端;在电能管理系统里,这样的设备称作电能采集单元。电能管理系统的采集单元通常比电网的智能采集器功能强大,甚至具有嵌入式操作系统,不仅能够对进行简单的数据处理和告警信息处理,还能与管理中心通信,完成管理中心指定的操作。而智能采集器目前主要是完成数据采集和存储的工作,汇集多个智能电表的数据。

2 电能管理系统发展建议

(1)直流采集模块在电能管理系统中的应用

目前,电能管理系统主要是统计交流电能的数据,包括机房、基站的总用电量、空调用电量、UPS用电量等;对于直流用电量的数据,电能管理系统采集得比较少。通信机房中的大部分设备是交流供电,而直流设备在数量和用电量上都比交流设备小很多;通信基站虽然使用直流设备,但由于基站数量太庞大,而且很多基站都在边远地区,对于基站的电能测量设备的改造,人力财力成本都很高,而且基站的用电量比机房要小很多,所以大部分的基站现阶段主要测量的是总用电量或者各个总线路的用电量,只有少数的标杆站会测量基站内的各个设备的用电量。而且,现阶段很多直流供电设备的用电量都通过相应的高频开关电源等设备的交流用电量来计算得到的,并不是准确的直流用电量。然而,近几年,随着240V、336V等直流供电的推广,机房中的直流供电的设备越来越多,对直流用电量的测量和管理,是今后电能管理系统需要完善的一项重要工作。

对于电力行业来说,直流用电设备并不是直接与电网相连接,而是通过整流器将电网的交流电转换为直流电后再提供给直流设备。出于单独计费的需要,电力部门只计算电网供应的交流电的费用,而不会计算直流电的费用,所以对直流电的用电情况并不关心。但是,在通信机房中,由于运营商需要对各个设备的用电情况进行细致的统计和分析,特别是节能评估计算设备用电量时,直流设备的用电量也是必须统计的,所以在电能管理系统中,测量直流用电设备的用电量也是很必要的。

直流电能的测量,从技术上来说并不难实现,但需要安装专用的直流电能采集模块。这在电能管理系统建设初期是一笔不小的投入。现在有一部分机房、基站的直流设备配置了直流电能采集模块。是否配置直流电能采集模块,是一个需要通过评估成本和需求的综合抉择。

(2) 电能管理系统对谐波治理的贡献

随着科技和国家经济实力的发展,人们对电能质量的要求越来越高。现在电网供电的电压已经很稳定,但仍有电流谐波高、功率因数低的用电设备接入电网。这些设备的使用,对电网以及电网中的其它用户,都会有不良的影响。

采集模块可以在采集电压、电流、功率等电能参数的基础上,增加谐波的采集功能,这个功能从技术上来说也不难实现,只是采集模块的成本会有所增加。如果具有谐波检测功能的采集模块未来大规模普及,成本下降也是必然趋势,届时具有谐波检测功能的电能采集模块将有机会被推广。随着电能管理系统的推广和普及,高电流谐波、低功率因数的用电设备将很容易被发现,谐波治理工作也可以有针对性的展开,而不必在寻找谐波的源头上花费大量的精力了。如果能够准确定位谐波来源,并采取针对性措施对谐波进行治理,那么整个供电网络的电力质量都将会大大改善,电网中的用户也将能够用上更稳定更可靠的交流电。

(3) 电能管理系统在节能评估方面的应用

近几年,随着各种节能政策的出台和节能措施的实施,节能效果的评估成了一个热门的研究内容。目前关于机房节能评估,最热门的就是机房能耗的PUE值。PUE值计算是通信机房的总用电量与主设备用电量的比值。各个节点的用电量数据,可以通过电能管理系统采集并汇总。所以,电能管理系统将为机房的节能评估提供完整的原始而且可信的数据。

(4) 电能管理系统在云计算的应用

随着大数据时代的到来,云计算在各个领域正大力推广发展,通信行业也不例外。近几年,很多通信运营商、互联网公司都在建设大规模的IDC数据中心。云计算应用电能管理系统,只是时间早晚的问题。

电能管理系统可以在全国统一建设数据中心用于存储和处理全国各地的用电量数据,将各个机房的用电数据直接传到该数据中心平台,各个省或市的管理中心可以作为客户端访问该数据中心。这样可以将全国的数据资源集中管理,有助于各地数据资源的完整性和统一性。这种解决方案需要消耗庞大的网络带宽资源和数据存储资源,在现在的网络带宽条件下,实现起来有一定的技术和成本的困难;然而,随着网络的飞速发展,相信在不远的将来,这样的解决方案将会是一种发展趋势。

3 结束语

本文介绍了通信机房电能管理的组网结构、与动环监控系统的分工协作以及与智能电网的差异,并根据当前通信行业的发展趋势,提出了针对未来发展的一些建议。随着节能减排在全国的兴起,作为节能减排重要的评估手段之一,电能管理系统未来必将在通信机房中扮演着重要的角色。

作者简介

刘亦珩,就职于中国信息通信研究院中国泰尔实验室,长期从事通信电源和机房环境的测试和标准制定工作。YD/T2767-2015《通信局(站)电能管理系统》第一作者,YD/T1363《通信局(站)电源、空调及环境集中监控管理系统》系列标准起草组成员。牵头制定了多个通信电源、机房环境行业标准。

编辑：Harris

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