绿色低碳信息通信网络建设思考与探索_刘宝昌.pdf

1 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化专家视点绿色低碳信息通信网络建设思考与探索刘宝昌（中国移动通信集团设计院有限公司，北京100080）摘 要 在全面数字化和智能化的信息时代，若采用传统的模式建设运营，通信基础设施用电将大规模增长。本文从绿色低碳角度出发，提出未来信息通信网络发展的3个趋势，即架构极简化、运维智能化、运营低碳化。此外，本文从技术角度出发，对能量流和信息流深度融合需要的两个关键技术方向进行总结，即电力电子技术和数字技术。最后，本文提出以一体化能源柜和室外型电源为实践产品的低碳建网探索、以智能光伏系统为实践产品的低碳供电探索、以智慧能源平台为实践产品的低碳运维探索，用信息技术推动绿色低碳信息通信网络建设发展，积极落实国家“碳达峰、碳中和”政策，为建设绿色低碳信息通信网络提供实践基础。关键词 能量信息化；绿色低碳；通信网络中图分类号 TN86 文献标识码 A 文章编号 1008-5599（2023）02-0001-07收稿日期：2023-01-182022 年，全球诸多国家和地区经历了极端天气变化或发生地质灾害，气候变化已成为一项全球性挑战。为控制全球温升，节能减排势在必行。“碳达峰、碳中和”作为我国“十四五”污染防治攻坚战的重要目标，被首次写入经济和社会发展的 5 年规划，国家、地方、企业掀起了一场绿色变革。信息技术可促进能量低碳化生产，通过网络化、数字化和智能化的技术手段使能千行百业低碳化转型，促进形成绿色的生产生活方式，并推动经济社会绿色发展。因此，在全社会降碳的过程中，通信基础设施作为千行百业的数字底座，正扮演着越来越重要的角色。在相关主管部门的指导下，通信行业也逐步明确“碳达峰、碳中和”的实现路径和目标。作为通信领域的一员，中国移动积极践行 5G 新基建和国家双碳战略，积极顺应信息和能量融合创新的发展大势，以数智力量赋能千行百业、加速产业转型升级，刘宝昌现任中国移动通信集团设计院有限公司信息能源所所长、中国通信学会电源委员会委员。长期从事通信电源及信息能源领域的研究工作，主持或参与了国家自然联合基金项目、国家关键技术攻关项目、国资委联合体项目、“信息能源”教育部-中国移动科研基金建设项目等国家级、省部级重大科技项目，同时主持了多项中国移动通信集团重大、重点研发课题。共申请专利 27 项，参与编写行业及团体标准 4 项，发表学术论文10余篇，获得省部级以上奖励11项、2 次全国通信行业优秀工作者称号。DOI:10.13992/ki.tetas.2023.02.0092 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化专家视点推动经济、社会可持续发展。在全面数字化和智能化的信息时代，在赋能千行百业提高效率、减少碳排放的同时，运营商也将迎来自身网络流量和能耗的增长压力，若采用传统的模式建设运营，通信基础设施用电将大规模增长。1 信息通信网络绿色低碳化发展趋势传统站点能源建设复杂、能效低、管理性差、能量调度性差，为解决这些难题，需构建一个极简、高效、绿色和智能的低碳信息通信网络。当前的发展趋势是利用先进的电力电子技术、信息与通信技术以及人工智能技术，融合能量流和信息流，用信息管理能量，实现通信站点建设的极简化、通信站点运维的智能化、运营的低碳化，最终实现能量按需流动，节约能耗，使得信息量高速增长的同时能量消耗更低，降低碳排。1.1 架构极简化随着基础科学的突破以及多学科的融合，通信能源基础设施正在由低能量密度、低能量效率、粗放设备走向高密高效智能，由复杂拼凑走向架构极简。如图1所示，为应对 5G 时代网络演进、融合和运营，绿色低碳信息通信网络应重构站点形态，可使用以柜替房、以杆替柜与模块化设计，简化通信网络基础设施架构，降低部署要求，从而降低通信基础设施的能耗与碳排。1.2 运维智能化降低信息通信网络的人工维护需求与维护人员的维护体验是信息通信网络绿色低碳化的另一个发展趋势。当前，通信能源基础设施正在由传统的孤节点形态走向可管可视、由低效人工运维走向远程智能运维、由站点资产单一功能走向资产融合调度。如图 2 所示，绿色低碳信息通信网络应运用先进的感知技术与人工智能技术，在实现站点可视化的基础上，实现站点自动“驾驶”，降低人工维护需求。绿色低碳信息通信网络通过接入感知，实现站点自动管理；通过先进的人工智能算法，实现站点自动故障预防、站点能源效率与碳排放管理优化。1.3 运营低碳化传统建设模式下，通信能源基础设施站点占地面积大、哑设备多，导致人工下站频繁；偏远海岛油机的大量使用，导致油耗高，维护成本高；站点能效低导致用电量大。随着技术的进步、商业模式的改变，通信能源基础设施应向低碳化运营方向演进。绿色低碳信息通信网络通过极简架构降低站点占地面积，并通过叠光、去油，降低能耗与碳排放；通过站点智能化降低运维难度，提高能源协同。站点能源正在由以前的能耗高碳排、人工运维走向绿电化、高效化、智能化。通信能源基础设施运营低碳化，正在全方面地被关注与改进。2 绿色低碳信息通信网络的关键技术绿色低碳信息通信网络的构建与发展，离不开先进自动驾驶网络能效分析自动巡检故障预警碳排看板能源KPI光储寻优智能调度图2 自动驾驶的绿色低碳信息通信网络图1 通信能源基础设施形态演进3 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化专家视点技术的支持。如图 3 所示，当前绿色低碳信息通信网络中可以采用的关键技术包括电力电子技术和数字技术两类，可通过融合运用先进的底层材料、器件、电池、热技术等电力电子技术和传感、联接、云与 AI 技术等数字技术，从能量流和信息流两个方面构筑先进的使能平台，助力建设绿色网络基础设施。2.1 电力电子技术在信息通信网络的绿色低碳过程中，关键的电力电子技术主要包括材料与器件技术、电池技术和热管理技术。先进的材料与器件可带来站点能源技术的变革，重构产品的形态与性能。石墨烯、碳化硅、氮化镓等新型材料和新一代宽禁半导体器件的发展，使得高密高效、自然散热、能量双向流动的电源成为现实。使用新型材料与器件的电源，利用器件的高频性，可以在更小的体积内实现功率密度倍增；利用其低导通电阻、低开关损耗特性，可实现系统效率提升，减少系统发热量，甚至支持风冷散热无缝切换至自然散热，极大降低由于发热带来的功率消耗。随着数字技术的发展，电池也在快速向数字化方向发展。传统铅酸电池难管理、寿命差、占地多。随着材料的发展，电池技术也在快速朝锂离子电池和钠离子电池方向发展。现阶段，锂离子电池取得了更为广泛的应用，代替了传统的铅酸电池。通过融合先进的传感技术、高饱和磁材、高速采样技术，电池状态正在被精确感知。同时，先进的联接技术，将电池数据及时、精准传送，将传统的孤立节点电池纳入到网络中。此外，云、大数据、人工智能技术的发展，实现电池的自动分析与统一调度，将站点能源的节点化完全网络化、自动化。随着技术的发展，越来越多的热管理技术涌现出来。散热问题一直是站点能源能耗的重大困扰。当前，在材料方面使用低损耗的新一代器件，在架构上使用重力虹吸热管温控、仿生根系散热等技术正逐渐发展成熟。在热管理的不断发展下，站点能源由空调散热、风冷散热逐步向自然散热方向发展。2.2 数字技术在信息通信网络的绿色低碳过程中，关键的数字技术主要包括传感与联接技术、云计算与人工智能技术。在传感与联接技术的发展下，站点感知取得巨大发展。一方面，相比传统的站点状态不可视，运用先进的传感技术，可以清晰地获得全站包括温湿、油机、市电等设备的状态。同时，状态感知正在由传统的有无感知走向智能感知、线性感知。传感技术的多样性发展，正在推动通信能源基础设施的全站感知。另一方面，利用先进的联接技术，可使信息传送更加便捷。通信站点设备的多样性导致接口类型的多样性，如以太网、干节点和无线等，因此保障传送的稳定与便捷，需要先进的联图3 绿色低碳信息通信网络关键技术支撑4 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化专家视点接技术支撑。联接技术的快速发展，使得信息自动传送、无线传送得以实现，使得偏远地区的站点管理更为便捷。在云计算、大数据和人工智能技术的发展下，站点能源的部署与管理快速走向云化以及运维智能化。传统部署成本高，人工运维难。而现在，在部署方面，越来越多的运营商实现云上部署，本地服务器大量减少，系统的维护性也大幅度提高；在管理方面，大数据、人工智能的应用，实现了通信站点风险的提前预测、站点维护的远程化与自动化。基于此，构建通信站点的智能管理能力，是通信能源基础设施发展的重要趋势。3 绿色低碳信息通信网络的建设探索打造绿色低碳信息通信网络是一个系统工程，需围绕低碳规划、建设、运行、评估、优化和改进等环节通盘考虑，如图 4 所示。3.1 低碳建网低碳建网是指从网络架构到设备做到极简。首先是架构极简，当前的做法是在网络架构和基础供电架构中减少中间冗余环节，例如在 5G 网络中采用 C-RAN 架构、在供电架构中使用一体化供电系统等。其次是极简建站，当前的做法是从传统的室内站室外化，采用室外机柜站甚至是可以挂杆的刀片站，大幅降低站点的占地、材料消耗和制冷能耗等。低碳建网在大幅降低碳排放的同时，还可以降低网络建设总拥有成本及投资回报率。极简柜站建设模式探索如下。（1）高密技术。通过采用高密智能空开、新型继电器、分流器、新型半导体器件应用整流模块以及智能锂电，提升通信电源系统能量密度为传统电源系统的两倍，实现相同空间、原位替换、容量翻番，支持极简一柜支持 2G/3G/4G/5G 通信基站供备电以及设备收容。（2）高技术效。以前集中于整流模块效率的提升，没有关注全链路，处于孤节点提升状态；在 2022 年，随着功率智能化在全链路的实现以及新型半导体材料的逐步探索和商用，站点供电朝向发、转、储、配、全链路高效的方向演进。（3）全模块化设计。探索电源、储能、温控的模块化设计，实现极简柜站按业务需求平滑扩容演进。（4）能源多输入多输出技术应用。采用 MIMO 统一功率平台，探索实现市电、太阳能、油机等多能源输入，-48 Vdc、12 Vdc、24 Vdc、220 Vac 等多种电压制式输出的智能电源。（5）全链路智能。产品实现发/转/储/配/用全链路智能，支持智能削峰、智能升压等智能特性，实现极绿色低碳信息通信网络规划新建/改造运维优化评估数字化：哑设备智能设备网络化：孤立在线智能化：人工Al智智能化人工AlWatt流与Bit流智能协同低碳建网低碳供电低碳运维信息和能量融合创新图4 绿色低碳信息通信网络5 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化专家视点简部署节省资本性支出投资，智能错峰和能源切片等智能特性可实现节省管理运营成本。极简柜站及技术应用如图 5 所示。极简杆站建设模式探索如下。（1）采用仿生根细齿散热设计，去空调，实现电源系统自然散热，就近部署主设备，减少线缆长度和线损，相比柜站，站点能效从 80%到 97%，降低站点电费 15%。（2）黑盒设计，压铸铝一体化 IP65 高防护，满足高温、高湿等多种复杂环境应用。免风扇，降低运行噪音，提升环境友好度。（3）高密技术实现设备“0”占地，可以实现挂杆、挂墙、上塔等多种场景按需安装。降低站点租金50%以上。极简杆站如图 6 所示。3.2 低碳供电低碳供电是指通过创新技术实现通信基础设施供能的绿色化，降低站点碳排系数。在分散的站点部署分布式离网直流光伏系统，其收益常受制于站点条件，如周边遮挡物、可部署面积、朝向、组件公差带来的发电损失，无法与储能和油机等设备协同导致最终消纳绿电效率受限，以及多点运维难以定位具体问题，哑设备不可视。智能光伏发电系统实现了全场景叠光，包括杆站叠光、站点叠光、机房屋顶叠光和数据中心园区叠光。智能光伏系统技术演进趋势如下。（1）从组串级优化不可视演进至组件级寻优安全可视。智能光伏系统采用智能光伏组件，通过结合组件级电力电子技术创新，实现光伏组串从组串级优化演进到组件级优化，实现灵活部署，可按站点面积灵活配置组件数量；优化方位角和受遮挡组件输出，实现全场景高效；并且结合领先的电力载波电力线通信技术，使每块组件的发电信息可通过智慧能源管理平台获取，发电可视，故障可知。（2）从分立部件演进为协同光储系统。如图 7 所示，利用 MIMO 电源，将清洁能源、市电和储能融合，通过智能调度系统最大化利用清洁能源，实现低碳甚至零碳运营。应对光伏超配场景，可实现光伏优先消纳，实现站点节能效益最大化。通过智慧能源管理平台，历史发电数据将自动统计，并预测次日光伏超发电量，再由算法根据每日预测数据调整储能充放电深度与时间，实现站点光伏 100%消纳，提升网络绿电消纳比。随着碳中和的推进以及清洁能源的使用，站点供电快速朝向绿电转变。在 2021 年以及以前，站点供电模式单一，以市电或备电油机为主，占比约达 99%。同时，运营商也积极探索使用绿电，但绿电的使用仍处于较低比例，约 1%。2022 年，随着清洁能源成本进一步降低，站点的供电呈现多样化绿电的趋势。除了市电，越来越多的光伏应用在站点上面。另外在一些偏远的地区，市电引入非常困难的场景下，也在积极探索通过风能、光伏、氢能，实现市电的全面替代。随着技术的进步以及商业模式的转变，太阳能、风、氢等其它清洁能源将在站点供电中越来越重要，运营商站点供电绿色化将是未极简柜站图5 极简柜站及技术应用图6 极简杆站6 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化专家视点来站点建设中的重要趋势。3.3 低碳运维低碳运维是指实现能效管理智慧化。传统站点面临能耗碳排不可视、人工下站成本高、被动感知难等问题。智慧能源平台通过数字化和网络化手段，将数以万计孤立站点和机房连接成网，实现全网可视化管理。使用数字技术如人工智能，可实现能源智能化；通过高效协同、能效管理实现能源低碳化，可实现能源网络自动运维。同时，通过智慧能源平台，充分发挥 AI 的优势，可实现通信设备用电状态和能效状态可视、可管、可控、可优，避免设备低效用电，降低人工维护工作量，实现网络服务与能源消耗达到最佳状态。如图 8 所示，智慧能源管理平台具有如下技术应用趋势。（1）绿色低碳管理。传统管理方案能效碳排不可视、无能效分析，能耗浪费严重，设备之间没有协同，系统效率低。智慧能源管理平台通过全网碳排可视可管、节能指标可视、智能诊断，实现站点及设备的能效识别，让减碳有迹可循。通过智能温控及空调智能管理，避免空调低温运行，进而实现电费节省。同时平台支持智能错峰功能，通过管理系统与电源协同，在谷值电价时控制电池充电储存电能，在峰值电价时控制电池放电，节省电费。（2）智能运维管理。传统运维过度依赖人工下站，以中国移动为例，有 46%无效下站，其中包括下站电池测试、下站故障定位和下站开启油机等。智慧能源管理平台通过远程自动运维，如远程电池测试替代人工下站电池测试，在网管设置参数即可在办公室进行电池测试，减少人工下站，实现从人工测试6 个月到 1 天 1 网，无下站、无成本和无时延。此外，通过远程故障定位、电池剩余容量及健康度状态检测、远程油机开启等特性，平台也可代替人工下站，提升运维效率。（3）供电智能管理。传统管理方案，网络系统宕站后被动响应，事前无风险感知，事中无应急措施，事后故障恢复慢，可靠性低。针对传统方案的局限性，智慧管理平台通过自动预防和前瞻管理提升可靠性，事前通过应急风险预测识别风险，从而预防宕站。如风险预测功能可以提前识别宕站风险，运维人员获取提示后及时修复故障，可避免宕站。事中，通过备电切片可实现差异化备电，延长重要负载备电时间，减少宕站。如在部分通信站点，5G 初期用户备电为 1 h，2G/3G/4G 负载h图7 光储协同：光伏、储能、市电智能调度带内/带外/IoT智慧能源网管可视数字看板可控调度逻辑可管远程运维管理全网智能化AI大数据+IoT+协同+开放可优AI大数据分析运维智能管理绿色低碳管理站点数字化市电电源油机光伏点数字站站烟感门磁红外视频电池供电智能管理图8 智慧能源网管7 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化专家视点备电 3 h，市电中断时重要负载备电更可靠。事后，通过远程根因分析快速定位故障，快速恢复宕站。通过智能运维可一键分析出宕站原因，针对根因快速恢复宕站。（4）通信能源网和电网调度系统协同管理。通信能源网与电网融合，通信站点储能参与电网调峰调频，站点备电走向备储一体化，走向循环型的应用，是通信站点社会化发展的重要趋势。2021 年及以前，通信站点储能的业务，往往只给基站设备供电，仅作为市电的备电，功能单一；同时，通信站点投资巨大，资产沉默造成资源的巨大浪费，价值模式单一。同时在商业上，运营商对于站点能力的开放也没有开辟出好的方式。在 2022 年，随着VPP 的逐步落地，我们可以看到，越来越多的运营商在探索站点与电网之间的协同，将储能资产参与电网的调度，实现通信站点能源与电网的联动。对于运营商，可以激活闲置资产，增加收益；对于电网，多了一份供电保障，提高了电网稳定性。当然，通信网与电网融合，目前处于初步的探索阶段。它涉及方面众多，比如通信的储能系统、聚合商的控制与运营系统、电网的 VPP 管理系统、并网调度等方面，仍需要多方进行持续的深度探索。4 结束语作为全球运营商中网络规模最大、用户最多的运营商，中国移动始终将推动经济社会绿色低碳发展作为义不容辞的责任使命。中国移动设计院作为中国移动能力主建及技术支撑单位，始终坚持绿色低碳信息通信网络建设，通过信息和能量融合创新，开展先进技术研究与创新产品研发应用，并推出一体化能源柜、智能光伏系统、智慧能源平台等信息通信网络绿色低碳建设产品，从部件、系统到网络实现比特与瓦特的深度融合，提升能源利用、转换及存储效率，助力中国移动打造面向信息文明的世界一流信息服务科技创新企业，用信息技术引领社会绿色低碳发展，推动国家实现“碳达峰、碳中和”战略目标，为建设美丽中国贡献力量。参考文献1 杨起城,罗良文.气候变化对绿色技术创新的影响来自81个发展中国家的证据J.中国软科学,2023(1).2 慈松,刘前卫,康重庆，等.从“信息能量”基本关系看信息能源深度融合J.中国电机工程学报,2021(7).Thinking and practice on the construction of green and low-carboninformation communication networkLIU Bao-chang(China Mobile Group Design Institute Co.,Ltd.,Beijing 100080,China)Abstract In the information age,the electricity consumption of communication infrastructure will increase on a large scale if traditional way of construction is adopted.This paper puts forward three trends of future information communication network development,namely extremely simplified architecture,intelligent operation and maintenance,and low carbon operation.In addition,this paper raises two key technologies needed for the deep integration of energy and information flow,including electronics technology and digital technology.Finally,this paper introduces the practice of low-carbon network construction with integrated energy cabinet and outdoor power supply as practical products,the practice of low-carbon power supply with intelligent photovoltaic system as practical products,the practice of low-carbon operation and maintenance with smart energy platform as practical products.The use of information technology in the construction of information communication network,will provide a practical basis for the construction of green and low-carbon information and communication networks.Key words energy informatization;decarbonization;communication network