КЕЙС "ВИРТУЛЬНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ"

Виртуальный накопитель на базовых станциях сотовой связи. Как превратить пассив в актив

Сотовая связь является энергоемкой отраслью. Кажый из операторов “большой тройки” потребляет в год около 1 млрд кВтч, из которых примерно половина — это затраты коммуникационного оборудования базовых станций. Темпы роста потребления отрасли за последние 5 лет составили более 11%, на фоне роста потребления в стране за этот период 1%.

Однако, в отличие, например, от потребления металлургического завода, потребление оператора сотовой связи распределено между несколькими десятками тысяч «сайтов» каждый из который потребляет 3-20 кВт.

На каждой базовой станции имеется источник бесперебойного питания, предназначенный для обеспечения работоспособности базовой станции сотовой связи (БССС) в случае отключения электроэнергии. Суммарная емкость батарей у крупного оператора составляет 400-500 МВтч (для сравнения, крупнейшие на сегодня проекты накопителей не превышают 100 МВтч). На сегодняшний день эти аккумуляторы – это «пассив», еще одна статья затрат, сопоставимая по размеру с затратами на покупную энергию, которую они резервируют.

Технология «Интернета энергии» позволяет превратить этот пассив в актив, объединить распределенные ресурсы накопления энергии БССС в огромный «облачный накопитель», который помимо прямой задачи обеспечения надежности может решать задачи разгрузки сетевых мощностей, управления нагрузками, интеграции ВИЭ.

Исходная ситуация

Операторы сотовой связи фактически три раза оплачивают электроэнергию, расходуемую телекоммуникационным оборудованием:

  • Во-первых, они оплачивают потребляемые оборудованием кВтч.
  • Во-вторых, они оплачивают дополнительную надежность, стоимость которой близка к стоимости покупаемой электроэнергии из сети. БССС обычно подключены по 2-й категории, что для БССС является недостаточными. На каждой базовой станции сотовой связи (БССС) установлены источники бесперебойного питания (ИБП), позволяющие поддерживать работу станции в случае отключения электроснабжения. По отраслевым стандартам аккумуляторные батареи должны поддерживать голосовую связь в течение 4 часов и до суток обеспечивать передачу трафика с других станций. То есть при потреблении энергии базовой станцией в среднем 5-7 кВтч, из которых примерно половина приходится на потребление телекоммуникационного оборудования, мощность аккумуляторов должна составлять около 20 кВтч, что равно емкости АКБ небольшого электромобиля. Таких базовых станций по стране не менее 100 тысяч, то есть суммарная емкость установленных аккумуляторов превышает 2 ГВтч только по России. Затраты на ежегодные замены аккумуляторных батарей в случае, если эти замены производятся по регламенту, близки к затратам базовой станции на электроэнергию. При этом около 70% аккумуляторов ни разу не используется и заменяются после истечения срока службы. В то же время, при длительном отключении электроэнергии при высоких температурах летом, аккумулятор может испытать глубокий разряд и выйти из строя до установленного срока, при этом у оператора, как правило, нет инструментов для того, что бы определить такие проблемные батареи.
  • И наконец, еще один сопоставимый по размеру счет они оплачивают за электроэнергию, которую потребляет климатическая техника, задача которой обеспечить температурных режим, в первую очередь, для аккумуляторных батарей. Климатическая техника, особенно на относительно старых БССС, обычно не имеет системы удаленного управления и мониторинга и очень часто работает в крайне неэффективных режимах. Достаточно типичной является ситуация, когда два кондиционера на станции работают в конфликтующих режимах (один на обогрев, другой — на охлаждение) или сервисная организация не выключает во время отопительный прибор по окончании зимнего периода.

Виртуальный накопитель

Для создания «виртуального накопителя» на основе базовых станций мы использовали два имеющихся ресурса накопления:

  • Указанный выше ресурс аккумуляторных батарей.
  • Ресурс управления нагрузками климатической техники. Наибольший ресурс имеют старые базовые станции контейнерного типа, для которых мы формирует цифровую теплотехническую модель («цифрового двойника»).

Для того, что бы система давала задуманный эффект необходимо было решить две задачи:

  • Ресурс батарей необходимо было распределять таким образом, чтобы не допустить снижения уровня надежности. Необходимо не допустить ситуации, при которой БССС могла бы остаться с разряженными аккумуляторами после цикла управления нагрузками в момент реального отключения энергии.
  • Не допустить ускоренного износа батарей за счет частого циклирования до уровня, при котором потребуется преждевременная замена, затраты на которую будут сопоставимы с полученным экономическим эффектом.

Для решения обоих задачи мы разработали интеллектуальную систему, которая:

  • В реальном времени оценивает вероятность отключения энергии, используя для этого данные статистики, погодные условия, данные получаемые от сетевой компании.
  • Оценивает последствия сокращения ресурса батарей в случае отключения. Графики потребления базовой станции являются довольно ровными, имеется переменная часть нагрузки, примерно равная 10-15% от общего объема потребления, зависящая напрямую от объема трафика (выраженного в эрлангах). Очевидно, что последствия отключения будут сильно различаться в случаях, если отключение придется на пиковый час в районе, например 19 часов и на ночной час, когда трафик практически равен 0. Система строит прогноз трафика и также учитывает и оценивает последствия отключения. Изучив организацию процессов при обслуживании БССС, мы за основу приняли модель, при которой срабатывание ресурса АКБ, приводящее к снижению времени автономной работы, в конечном итоге должно приводить не к отключению БССС, а к дополнительным затратам на доставку резервного дизель генератора (что по регламенту должно происходить в случае, если питание не восстанавливается в течение суток). Таким образом, мы имеем чисто финансовый критерий для оценки рисков, возникающих при отключении питания.
  • Оценивает ресурс батареи и определяет “стоимость цикла”. Установленные на большинстве БССС свинцово-кислотные АКБ могут выдержать 700 — 1 000 циклов заряда-разряда при глубине разряда до 30%. Ввиду большой емкости АКБ, а также необходимости поддерживать часть заряда для резервирования, мы выбрали именно такую стратегию «неглубоких разрядов», в случае использования свинцовых АКБ. Так как срок службы таких АКБ, как правило, составляет 3-5 лет (даже при отсутствии циклирования) 1 000 циклов – это как раз та величина, которая позволяет в среднем 1 раз в сутки по рабочим дням использовать АКБ для управления нагрузками. Т.е., при правильной организации процесса мы получаем возможность циклировать аккумулятор до глубины 20-30% раз в сутки, практически не сокращая срок его службы.

Собрав всю описанную информацию, а также информацию с рынка электроэнергии, Система принимает решение относительно того, как и когда разряжать и заряжать аккумуляторы.

Далее Система использует разработанный нами алгоритм для оптимизации распределения ресурса накопление энергии между часами суток.

Нужно также отметить, что сама по себе системы мониторинга и управления уже повышает надежность энергоснабжения и приводит к снижению затрат за счет:

  • Замены АКБ по фактическому состоянию.
  • Диагностики состояния АКБ, снижение вероятности отказов.
  • Снижения потребления электроэнергии климатической техникой, которое может достигать 15-25% для старых БССС.
  • Снижения износа кондиционеров и сроков их замены.
  • Предотвращения аварий и своевременного устранения отключений кондиционеров.

Само управление нагрузками в текущих рыночных условиях позволяет снизить затраты оператора на 9-12%, в зависимости от конкретной ситуации.

В перспективе мы получаем мощный инструмент для разгрузки сетевой инфраструктуры, снижения затрат на реконструкцию и расширение сети, получения резерва на технологическое присоединение и рост надежности, что может быть реализовано операторами сотовой связи в качестве услуги.

Как показывает наша практика, ситуация не уникальная для телекомов. На крупных заводских площадках и во многих, порой неожиданных, отраслях могут находиться в совокупности МВты мощностей ИБП, которые аналогичным образом могут быть использованы для формирования “виртуального накопителя”.