摘要：为积极践行绿发展理念，本文建立了一种机房节能模型，聚焦低能效工频UPS和机房老旧空调两种高能耗设备，通过高频模块式UPS、变频式专用空调及FSU自适应算法技术引入，实现提升UPS电源设备能效和降低机房空调能耗。通过设备割接替换及前后数据观测，两种设备平均节电率均可达到30%，验证此种方法可高效降低机房配套设备能耗，对打造“绿网络”具有重大指导价值。 边侧关键词：节能；高频模块式UPS；变频式专业空调；FSU热平衡
1背景介绍
实现碳达峰、碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策。为全面打造“绿网络”，本文建立了一种机房节能模型。因机房PUE=机房总能耗/IT设备能耗，其中当IT设备能耗保持不变时降低机房配套设备能耗为降低PUE的唯一途径。而配套设备能耗包括两类，一是配套电源能耗，本论文中第二章节即为降低配套电源能耗的有效手段，二是空调能耗，即第三章节讨论内容。
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两种方式分别聚焦低能效工频UPS和机房老旧空调两种高能耗设备，通过高频模块式UPS、变频式专用空调及FSU自适应算法技术引入，实现UPS电源设备能效提升和机房空调能耗压降。
2 UPS设备能效提升
2.1 UPS设备简介
UPS（Uninterruptible Power System），是一种恒压恒频交流不间断电源。在通信机房中，主要用于给服务器或其它重要网络设备提供不间断的电力供应。其作用主要有两点：一是提供干净稳定的电源，二是为市电停电时提供备用时间。
2.1.1原理及分类
UPS主要由整流器、逆变器、静态开关、储能装置（即蓄电池）组成。当市电供应正常时，市电经过AC—DC和DC—AC两次变换后向负载供电，DC—AC随时在监测并参与对输出电压的调整。市电掉电后，电池通过DC—AC逆变器向负载继续供电。市电—电池转换时，输出电压没有切换时间。当负载过载或逆变器故障时，市电转旁路维持向负载供电。
UPS按工作原理不同，可分为后备式、在线互动式和在线式。图1即为在线式，也是通信机房常用类型。按变压器特点不同，UPS分为工频机和高频机。其中高频机是技术发展趋势，也是本文研究重点。
2.1.2高频机技术优势
UPS通常分为工频机和高频机两种。工频机由可控硅SCR整流器、IGBT逆变器、旁路和工频升压隔离变压器组成。因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz，顾名思义叫工频UPS。
高频机通常由IGBT高频整流器、电池变换器、逆变器和旁路组成，IGBT通过控制加在其门极的驱动来控制IGBT的开通与关断，IGBT整流器开关频率通常在几k到几十kHz，甚至高达上百kHz，相对于50Hz工频，称之为高频UPS。高频机整流器件使用效率更高的IGBT器件，且在电源输出侧取消了隔离变压器。这是因为高频UPS整流属于升压整流模式，其输出直流母线的电压一定比输入线电压的峰-峰值高，一般典型值为800V左右，逆变器之后就不再需要升压变压器，这直接减小了同功率此类电源产品的“吨位”。
带隙基准电压源随着电力电子技术的发展和高频功率器件不断问世，UPS产品正逐步高频化。与工频机相比，高频UPS有功率密度大、体积小、重量轻、集成度高的特点，我公司也在2017年前后逐步取消工频机集采，推动高频机普及。其中《中国移动2021年至2023年高频机UPS产品集中采购一体机产品技术规范文件》中明确规定“设备在30%~100%阻性负载率情况下的效率应不低于95%”。
其中，整机效率=输出功率（kW）/输入功率（kW）。
对比2008版《通信用不间断电源-UPS》（QB-W-018-2008）相关要求：“30%负载时≥75%；50%负载时≥80%；100%负载时≥85%”，可明显看出高频UPS设备节能优势。
2.2省管核心机楼UPS设备能耗痛点分析
随着国家明确提出“碳达峰”和“碳中和”的战略目标，集团公司也将节能工作提升高度。为降低通信信息网络配套设备能耗，开展对河北省本部核心机房UPS设备全量梳理，主要目标为厘清现网设备工频机和高频机占比，并进一步摸清现网工频机能效。
经过详细统计测算，省本部核心机楼使用UPS设备共计78台（39套），均为并机或单机双
母线组网方式。其中工频机设备为18台（9套），占比23%。经逐一记录测算其整机效率，发现18台设备平均整机效率低至66.6%，远低于当前高频机设备基本能效标准。且由于设备平均入网年限已达10年之久，符合公司UPS设备替换要求，故处于安全和节能双重考虑，计划将此18台工频机设备替换为集采高频机。
2.3割接实施及节能效果
因省网设备业务重要等级较高，为防止下挂业务存在单路或假两路导致割接过程中输出中断情况，特制定安全严谨的割接方案。替换完毕后测算设备能耗，在负载率不变的前提下，设备整机效率平均提升至96%，节能达30%。平均单台设备日节电约800kWH，电费节支约576元（电费单价按照含税金额0.72/kWH），18台设备每日节约电费可达10368元。
3空调设备能效提升
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机房用空调分为两种：机房专用空调和舒适性空调。其中机房专用空调具有大风量、小焓差、具备各种信号监测和告警上送能力，更适合通信机房使用。舒适性空调功率较小，一般用于对环境要求不高的电力机房或汇聚机房。
3.1变频式专用空调技术保健牙刷
3.1.1技术优势
机房专用空调可按照压缩机工作频率是否变化分为定频专用空调和变频专用空调。二者基本结构和制冷原理相同，均由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器“四大件”构成。变频空调在定频空调结构基础上增加了一个变频器。定频空调压缩机的转速恒定且无法进行人为控制干预。变频空调压缩机转速可在变频器的控制调节下进行优化，进而达到减少启停节能降耗的目的。
3.1.2应用成果
选取省公司某IT机房为试点，该机房采用地板下送风形式，制冷系统为定频专用空调，共计7台，其中6台为阿尔西风冷型定频专用空调，型号CYBERCOOL UNDER DXA 92 E2S7+S7，制冷功率为92KW，入网时间为2012年9月；1台为广东海悟风冷型定频专用空调，型号为CMA4100D1E，制冷功率为100KW。
根据试点工作安排，分别将3号、5号、6号定频空调更换为佳力图变频风冷型专用空调，型
号MEAD1002MV（制冷功率为100KW）。调测入网后记录数据显示：在天气气温平均上升7.5℃的情况下，依然实现单台能耗日节电143kWH，节能率达38%。
3.2 FSU热平衡自适应技术
3.2.1 原理介绍
本方案设计了空调节能的热平衡自适应控制系统。自适应空调节能系统控制过程，空调本身为节能控制逻辑的执行单元，控制指令由上位机（FSU）下发。通过对空调的监控，FSU收集到了空调的开关机状态、出风温度、回风温度、工作电压、工作电流、运行功率等，多点采样，并对这些数据进行集中分析，加权平均，通过对空调开关量控制使其制冷量与机房热负荷相匹配，从而达到节能目的。
热量动态平衡的自适应算法是以动态库的形式嵌入在FSU内部运行。FSU根据上送的电源与空调的信号数据，经过空调自适应算法进行处理计算后，得出每个周期中空调的开关机时长，并结合机房与空调温度通过接口对空调进行开关控制。
①空调自适应节能系统，以动态库的形式嵌入在FSU内部运行。
②空调自适应系统接收从FSU处采集的电源的电压和电流以及温度数据，空调制冷量从配置文件中读取。
③根据电源的电压和电流值，电源的转换效率，计算出机房的发热量。根据热平衡等式，发热量需要等于空调制冷量，从而计算出空调开启的占空比。以30分钟为周期，计算出空调在每个周期的开启时长。
④根据空调所需开启时长，若空调未开启，则开启空调。
⑤若已到达开启时长，则把空调关闭。
⑥检测本周期中，温度是否到达上下限。若未触发上下限，则继续下一轮检测。
⑦若触发上下限，启用算法，算出占空比的调节量，在下一周期中对占空比进行调节。特别地，若空调在连续周期中触发上下限，则需加大占空比的调节量。
3.2.2应用效果
为确保该技术实施安全可靠，技术试点应部署在普通舒适性空调机房，如核心局址中动力
机房或汇聚机房。经充分勘察，综合考虑机房业务安全性及实验便利性，试点部署于省公司开发区电力机房。此机房共计分布7台舒适性空调，且空调老旧自动控制能力欠佳。运行过程中系统根据空调的回风温度进行自动调节，自动优化好最佳开关时间。相比传统方式人工核对机房温度进行空调开关机的工作方式，有效的节约电量并提高了空调使用率。为保证观察效果准确，以10天为观察周期，空调在恒设定温度运行10天，在自适应节能模式运行10天，经观察对比，空调平均每天运行时间从24小时降低至20小时，平均每台每天可节电约10度左右，节电率约为23%，7台每月可节电2100kWH，电费约1533元（电费单价按照含税金额0.72元/kWH计算）。考虑到我省数以千计的汇聚均使用普通舒适性空调，若加以推广，每日节约电费可上万元。
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