中国移动吴江:“双碳”战略下信息基础设施绿色低碳转型发展思考

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  •   随着中国“双碳”战略目标的提出,运营商开展绿色低碳网建设刻不容缓。本文基于信息基础设施的目标网建设需求,提出通信运营商打造全生命周期的绿色低碳信息通信网络发展思路,在此基础上,从系统集成化、供电绿色化和运维数智化等方面提出信息基础设施绿色低碳转型发展技术路线,为通信运营商的绿色低碳网络建设与运维提供参考。

      为应对巨大的气候变化挑战,自2015年近200个缔约方共同通过《巴黎协定》以来,已有包括中国在内的100多个国家宣布碳中和计划。信息通信行业作为全社会用电大户,据不完全统计,全球通信网络一年总用电量约4400亿度,占全球总用电量的1.8%,碳排放占全球碳排放总量约1%。预计到2025年,通信网络用电量占全球总用电量的2.7%,要实现全球碳中和目标,信息通信行业节能降碳是其中非常重要的一环。

      目前国外主流运营商正积极部署网络碳中和战略。国际电信联盟中,已有包括Vodafone和Telefonica等主流运营商在内的超过29个运营商提出减碳目标。我国2021年《国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》针对信息服务业提出要加快信息服务业绿色转型,做好大中型数据中心、网络机房绿色建设和改造,建立绿色运营维护体系等要求。

      同时,随着经济社会数字化发展,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》(简称“十四五”规划)明确提出了“加快5G网络规模化部署,加快建设新型基础设施”的目标,积极发挥信息通信业在国民经济中的先导性作用。

      我国主要通信运营商均为大型国有企业,如何在为人民提供更优质信息通信服务的同时,积极践行“双碳”战略,实现绿色低碳转型发展并赋能全社会节能降碳,是当前亟待解决的重大问题。

      在2G/3G/4G时代,信息基础设施主要以被动响应为主,缺乏主动规划,导致多套设施叠加建设;电源、备电、空间不匹配,运营缺乏精细化管理,导致无效能耗高,系统运行效率低;运维尚未实现智能运维,需要投入大量的运维人员,导致维护效率低下,运维成本高,且当前运维体系缺乏对设备的全生命周期管理和评价,遑论对设备的碳排放评估和优化。此外,典型5G基站主设备功耗约为4G基站的2~3倍,若延续传统建设方案,将带来大量的基础设施改造和大规模的资源闲置浪费。

      面向“双碳”战略目标,通信运营商必须在绿色低碳转型发展中找准自身定位,深化节能减排工作,践行绿色发展理念。通信运营商应摒弃传统物理堆叠组合式的信息基础设施配套建设方案,采用面向“低碳”目标网整体规划的全场景、全生命周期逻辑集成式解决方案,重点围绕塑造目标网建网理念、建立网络碳排衡量标准和体系、开展顶层的规划制定和设计等方面,向绿色低碳基础设施目标持续演进,从而实现单位电信业务总量综合能耗持续降低,发挥信息技术在节能减排中的杠杆作用,促进经济社会的全面绿色低碳转型发展。

      国内各大通信运营商一直以来都在节能减排的道路上担任着重要的社会责任。中国移动早在2007年提出全方位实施“绿色行动计划”,一直以来从管理创新和技术创新等方面开展节能减排的具体工作,控制企业能源消耗,推动社会绿色低碳发展。2021年,面对新形势新要求,中国移动将“绿色行动计划”升级为“C2三能计划”,创新构建“三能六绿”发展模式,落实中央决策部署,助力实现碳达峰碳中和目标。

      信息基础设施作为通信运营商不可或缺的一环,在“绿色行动计划”实施以来,追求技术创新,不断提升效率,但仍以被动响应建设为主,缺乏主动规划。面对国家“双碳”战略的新形势新挑战,必须塑造信息基础设施目标网建网理念。

      当前信息基础设施中能源设施已成为数字世界的底座,肩负着碳中和及改善运营商的经营状态等重任,而不仅仅是配套供电。通信运营商应加大力度将能源基础设施提升到更高层次,从单一能源设备走向云、站、端立体多层的简约、绿色、智能的能源基础设施网络,将信息基础设施和通信网络的建设统筹考虑,以能源目标网为建网理念来构建整个绿色低碳信息通信网络。

      绿色低碳一直是我们的目标,然而一直以来信息通信行业乃至其它大多行业都没有完整的碳排放评估标准和管理体系。随着国家“双碳”战略目标的正式提出,制定信息通信行业的相关碳排放标准和全生命周期低碳管理体系,构建网络碳中和指数(NCN),实现网络碳排放可量化、可优化、可跟踪,对信息通信行业碳排放进行全方面掌握,才能牵引通信网络碳排放指标的持续优化,为实现信息通信行业碳中和目标打下坚实的基础。

      其中,EGrid、ED.G分别是通信运营商网络所用市电总量、油机发电总量;CR1,CO₂、CR2,CO₂分别是二氧化碳与火力发电转化比率和与柴油发电转化比率;DV,Network是通信运营商网络流量。

      NCN用于衡量网络单位流量所产生的碳排放量。NCN的提出实现网络碳排放可量化,当NCN为0时,意味实现了通信网络碳中和。

      网络碳排是一个动态持续变化的过程,为了降低NCN, 应以绿色低碳网络为持续牵引目标,在规划上进行“零碳”规划部署,在建设上实行低碳基础设施建设,在运行上实现运行指数上监管控,在评估上建立碳排放评估分析办法,在优化上实现智能输出优化建议,进而持续“零碳”改进,回归新一轮的“零碳”部署,打造如图1所示的网络碳排放规划、建设、运行、评估、优化闭环评估管理体系,实现迭代优化。

      以能源目标网为建网理念来构建整个低碳信息通信网络,应从顶层的规划和设计入手,自顶向下从建设、运行、维护维度来规划和设计绿色低碳网络,打造低碳建设、低碳运行、低碳运维的全生命周期“低碳”信息通信网络,如图2所示。

      面向低碳建设,应通过站点简化和机房极简,减少建设、运行、维护时的碳排放,实现通信网络的结构性降碳;面向低碳运行,应充分利用自然冷源,使用柜级制冷等手段,实现制冷低碳化,另外应通过发电绿色化,大幅提升清洁能源供电比例,实现通信网络的运行降碳;面向低碳运维,应通过数字化和智能化手段,提升运维效率和用能精细化管理。

      通过低碳建设、低碳运行和低碳运维可实现网络全生命周期节能降碳,降低NCN。若绿电充足,网络绿电比例达到100%,则NCN为0,即实现了网络碳中和。若绿电比例不足,可通过绿电交易引入第三方绿电作为补充,实现网络绝对碳中和。

      通信运营商的碳排放主要来源是电能消耗。为了降低通信网络的碳排放,首先需要打造高密、集成和高效的供电架构,减少通信设备和配套设施的能源消耗;其次要实现精确化制冷,降低制冷能耗;三是要打造绿色通信供电系统,推动能源信息化发展,提高能源的利用效率;最后,要推动供电系统智能化发展,提高供电系统的运维效率。

      当前的供电架构大多还采用传统开关电源搭配蓄电池组的分立式部署架构,或者将一套传统开关电源和多组蓄电池简单地物理集成在一个设备柜里,且当需要多套供电系统时,仅将各供电系统简单物理叠加,各系统独立运行,最终导致器件过分冗余,机房占用空间大。作为通信运营商,为应对通信技术的迅速发展、通信设备的快速迭代和国家碳中和战略的双重挑战,能源基础设施也必须不断改造升级,追求高密集成的供电架构。高密集成的供电架构可从缩小器件体积、功能模化和多系统融合等3个方面考虑。

      通过不断挖掘、吸收可供通信电源使用的新技术和新器件(如碳化硅和氮化镓等小体积功率器件),在不影响功能的前提下,尽量选择小体积元器件,实现高功率密度的供电架构。

      将单独实现整流或逆变等功能的子系统封装为各个独立的功能模块,动态按需配置功能,可方便各功能模块的快速维修更换,实现模块化的供电架构。

      当需要增加一套或多套供电系统时,可考虑融合多套系统的组件/部件,消除冗余,实现同类部件的整合共享,实现多输入多输出融合的供电架构。

      当前通信机房空调制冷模式为房间级空调,其冷却原理为“先冷环境、后冷设备”,由空调末端将冷空气送入室内空间,冷量再传递至设备附近,进而送入发热设备进行冷却,因此大量电能消耗于机房整个空间的送风及大量空气的冷却,冷量利用率不高。因此。应研究各场景下的精确制冷技术,将制冷量与设备负荷进行协同,大幅降低运营成本。同时应按需配置空调部件,灵活匹配业务变化需求,实现制冷设备低碳化。

      对于通信机房制冷,建议采用机柜级精确制冷方案,将空调室内机模块化,集成于机柜上,对机柜进行封闭制冷,冷热气流隔离,将柜内设备的大量热量通过空调室外机排到机房外部环境;对于室外机柜和室外一体化电源等设施,应通过减少温控部件的需求,逐步去空调、去风扇等温控部件,打造全自然散热的基础设施;对于通信机楼和数据中心,应优化全网统一水冷模式,统筹考虑各地气候特点、水电等资源禀赋与成本,研究引入蒸发冷却、氟泵、磁悬浮相变和液冷等技术,推行分场景、分区域的精细化制冷方案。

      当前通信站点供电系统的电能来源主要是由电网提供,根据中国电力企业联合会的数据,2020年我国的电能结构如图3所示,其中火力发电装机容量占比仍然高达56.6%。由于新能源发电存在一定的间歇性和随机性,实际火力发电机组的发电量占比更高,因此在电网清洁能源发电比例为100%之前,如果仅仅依靠电网为通信设备进行供电,网络碳中和指数NCN不可能为0,也无法实现通信网络碳中和。

      因此,为了通信供电绿色化,可在新能源资源丰富的通信局(站)和数据中心引入新能源发电,提高清洁能源利用比例,具体的利用方式可参考图3(右)的多能源协同的供电架构。在正常运行时,供电系统中的新能源发电系统和公网电网一同为通信负载供电,同时利用储能系统进行调峰和平滑负荷等辅助服务;能量管理器则负责监测各设备的状态,调度新能源发电优先使用。此外,还可考虑设计微电网,既可以实现并网运行,又可以实现孤网运行,此时能量管理器可根据状态切换静态开关,实现微电网的运行状态管控;若公网电网停电,此时微电网系统可利用新能源独立运行,持续为通信设备供电;公网电网故障且新能源无法满足需求时,储能系统则优先保障通信设备的供电。这种供电架构不仅可提高通信供电系统中的绿电比例,降低通信行业的碳排放,而且通过引入多种能源供电,提高了供电的可靠性。

      图3 2010/2020年我国电能结构对比(左)和多能源协同的通信供电系统(右)

      当前信息基础设施运维主要依靠传统动环系统进行管理和人工现场运维,运营效率较低,运维人工投入消耗大。因此,低碳化基础设施还需对当前的运维体系进行智能化升级改造,提高基础设施的运维效率。

      为了实现运维数智化,建议首先引入智能化设备和管控系统,实现基础设施的可视、可管、可控和可优。其次,要结合人工智能、物联网和云计算等新一代信息技术,利用上传的运行数据对基础设施实现自我分析、自我控制和自我优化,建设从平台到系统、系统到设备的智慧化运营体系,实现对基础设施的协同化管理,智能巡检运维,从运营消耗上确保实现低碳化运维。

      随着中国“双碳”战略目标的提出,作为用电大户的通信运营商亟需思考“双碳”战略目标下的绿色低碳网络建设与运营之路。本文基于以信息基础设施的目标网建设需求,尝试建立网络碳排衡量标准和体系,开展顶层的规划制定和设计,提出运营商打造绿色低碳信息基础设施的发展思考。

      在此基础上,本文从能源设施系统集成化、制冷精确化、供电绿色化和运维数智化4个方面提出信息基础设施绿色低碳转型发展技术路线,为通信运营商的低碳化建网之路提供参考。

      然而,当前网络碳排衡量标准和体系还不够成熟,绿色低碳转型发展技术路线仍在持续探索,这也是需要通信运营商共同努力的方向。

      [2] 王建宙, 李跃. 绿色行动计划系统科学与中国移动节能减排实践[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010.