驚！數據中心電能危機，配電系統全揭曉！--能源物聯網電表-PLC信息網

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驚！數據中心電能危機，配電系統全揭曉！--能源物聯網電表

發布者：Acrel 發布時間：2023-09-28 13:39:40

王明單

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定201801

摘要：本文通過將數據中心作為主要研究對象，采用文獻研究法、實踐調查法等研究方法，以UPS配電系統為例，對數據中心IDC配電系統優化設計進行簡要分析。并從選用**節能設備、優化機房布置等角度出發，對如何落實數據中心IDC機房能源管理提出幾點有效措施以供參考。

關鍵詞：數據中心；IDC配電系統；優化設計；能源管理

1 數據中心IDC 配電系統優化設計

1.1 UPS設備的設計優化

1.1.1提高UPS負荷率

數據中心在選擇使用UPS配電系統并對其進行優化設計時，首先需要對UPS設備的設計選用進行相應優化。通過結合當前某數據中心安裝的上百臺UPS設備運行情況，根據工作人員采集得到的相關數據可知，有超過60%的UPS設備運行負荷率為20%到30%，有接近30%的UPS設備負荷率不足20%。而通過結合其他相關研究資料，也有學者指出當前我國大多數數據中心使用的UPS系統有至少40%的負荷率未能得到有效使用。因此從理論上來說，通過對當前UPS設備負荷增加25%IT負荷，有助于提高UPS設備可用容量的利用率，以此達到提升UPS系統應用效益的目的。

1.1.2合理設定PF值

在數據中心當中UPS設備的用電量相對較大，該設備輸入功率因數對整個數據中心IDC配電系統電能質量有著直接的影響作用。一般存在于交流電路中的相移功率因數即PF指的就是電壓與電流的相位差余弦值，其計算公式如下：

在這一公式當中，cosφ代表著功率因數符號，THD代表著總諧波電流畸變率。以某數據中心實際負載率為6%的UPS設備為例，當UPS負載率不高的情況下，經測試可知其實際值cosφ為0.98，此時對應的總諧波電流畸變率約為30%。由于UPS設備負載率并不高，此時負載基本等同于高頻非線性負荷，加之基波電流I值也相對較小，在受到客觀存在的諧波的影響下容易增加UPS設備的THDi值，進而導致設備功率因數PF減小。但根據檢測結果，在UPS負載率處于正常狀態時，其cosφ值與PF值基本為1，對應的總諧波電流畸變率*大值為10%，因此如果數據中心IDC配電系統選擇使用UPS系統，則可以通過嚴格按照國家相關標準要求對電容補償裝置進行優化，如可以根據變壓器容量的 30%進行電容補償，選用輸入功率因數至少為 0.95 的 UPS 設備，在有效落實減配的同時也可以達到節約投資的效果。

1.1.3調整輸出功率因數

在眼下服務器電源功率因數的逐漸提高下，UPS設備提高輸出性能才能有效滿足服務器電源容性負載輸入特性。根據相關研究資料可知，當前服務器功率因數基本為容性-超前0.9～0.95，按照國家相關標準要求，可以使用實際UPS設備機架負荷值與0.7（kW/kVA）作比的方式計算出UPS設備的總容量，要求UPS設備的額定容量與0.7（kW/kVA）的乘積不得超過UPS設備輸出功率[1]。但本文在對當前市面中常見的集中UPS設備輸出功率因數進行了解時，發現其輸出功率因數均可以達到0.9，部分UPS設備輸出功率因數可以達到1，事實上如果UPS輸出功率因數超過0.9，此時在不降容的情況下設備依舊可以正常使用。例如某400kVA的UPS設備商可以直接帶載功率為360kW的服務器設備。綜合考慮，在優化UPS設備時，可以規定其輸出功率不得低于設備額定容量與0.9（kW/kVA）的乘積。并且在設置UPS系統時直接按照90%設定*高帶載率，此時UPS容量計算公式為：UPS總容量=機架負荷（kW）/0.9(kW/kVA)/0.9(負荷率)

1.2 UPS系統模式的優化

在運用UPS系統作為數據中心IDC配電系統并對其進行優化設計的過程中，考慮到絕大多數數據中心選擇使用的UPS系統為2N雙總線系統，負責將雙路持續交流電源提供給各重要IT設備，以保障其實現長久穩定運行。而這一系統所屬于冗余系統，系統構成至少為兩套UPS系統，系統基本容量即為任意一套UPS系統中N臺UPS設備總容量。在UPS設備的作用下，系統交流輸入直至雙電源輸入負載為兩條完全獨立的供電線路，當數據中心配電系統處于正常運行狀態下，任意一套UPS系統只負責對總負荷當中的一小部分負荷進行承擔，利用這一多電源系統冗余的形式進行供電，可以有效改善傳統單電源系統中容易出現單點故障的問題。如果數據中心的規模相對較大，但擁有的單電源設備相對較少，則可以根據其實際情況規范安裝小型的STS設備，使得電源設備能夠獲得穩定、持久的安全供電源。

在該系統處于正常運行狀態下，系統當中的兩套UPS系統將同步運行，各自承擔50%的總負荷。從各低壓母線段中引入的兩套UPS系統交流輸入，可以使得整個雙總線供電系統的安全可靠性得到大大提高。即便在該系統當中某一UPS系統無法正常運行，或是出現包括輸出中斷等在內的異常情況，均不會對雙電源負載供電產生實質性影響，此時只有與存在異常情況的UPS組單電源負載相接的供電被切斷。經過優化后的數據中心配電系統中采用兩套UPS系統，各系統相互獨立完成供配電，避免系統出現單故障點，有助于提高系統的容錯性與安全可靠性[1]。在后續的系統運維管理中，工作人員可直接省略將負載轉為旁路模式的步驟，有助于提高配電系統及各配電設備的運維管理成效。

2數據中心IDC機房能源管理措施分析

2.1積極優化機房布置

在對數據中心IDC機房進行能源管理的過程中，為有效提高其節能成效，工作人員需要立足機房實際科學優化機房布置。一方面，按照前進后出、水平通風的原則選用和進排風結構完全一致的機柜作為數據中心IDC機房機柜，另一方面，為防止設備在運行過程中產生大量熱空氣同空調機產生的冷送風相互混合，導致數據中心容易出現諸多局部熱點而影響空調原本的制冷效率，大大增加空調能耗。工作人員可以選擇將其安裝在機架當中無設備處，使得進入到設備當中的進風溫度能夠具有良好的穩定性。另外，如果選擇使用帶有機柜門的機柜，則需要保障其開孔率至少為60%，防止機柜出現吸排風通道受阻的情況而影響整體冷卻效果。

2.2運用**節能設備

在數據中心IDC機房當中選用優化的UPS系統，通過充分發揮UPS設備的**效性，同樣可以達到良好的節能效果。如某數據中心在2015-2018年間，分別建設了15臺、20臺和25臺經過上述方式優化處理的400kVAUPS設備，在每一條UPS設備負載電流值為200A，與同期相比，該數據中心在2015年到2018年間利用**UPS系統后的節電量分別達到了68萬度、91萬度以及137萬度[2]。在空調系統設備選用中，數據中心IDC機房可選擇使用節能性良好的水冷系統，同時積極對機房進行開窗通風，從而借助自然風有效降低設備溫度并獲得良好的節能效果。

3能耗統計分析（能源管理）解決方案

建立**的能耗監測管理系統，對建筑各類耗能設備能耗數據進行實時測量，對采集數據進行統計和分析。能夠合理的確定各區域建筑能耗經濟指標及績效考核指標，發現能源使用規律和能源浪費情況，提高人員主動節能的意識。

① 搭建數據中心智慧能源管理系統的基本框架，對各個用能環節進行實時監測；

② 排碳數據化：通過系統可實現建筑單位內人均能耗分析（包括水、電、能量），實現低碳辦公數據化；

③ 區域能效比：實現建筑單位內區域能耗對比，方便能耗考核；

④ 同期能效比：實現同年、同期、同一區域能耗對比，方便節能數據分析；

⑤ 能耗評估管理：按照能源消耗定額標準約束值、標準值、引導值進行分析單位面積能耗和人均能耗指標；

⑥ 能耗競爭排名：各個功能區能耗對比，實現能耗排名，增強工作人員的節能意識；

⑦ 對能耗的使用數據進行綜合的分析、統計、打印和查詢等功能，并根據能耗監測管理系統的需要可選擇不同樣式報表的打印。為能耗運營管理部門提供可靠的依據；

⑧ 能耗數據采集，隨時查詢，并根據采集數據進行統計分析，監測異常能源用量，對能源智能儀表故障進行報警，提高系統信息化、自動化水平。

4能源管理系統

應用場景	型號	圖片	保護功能
能耗管理云平臺	AcrelCloud-5000		采用泛在物聯、云計算、大數據、移動通訊、智能傳感等技術手段可為用戶提供能源數據采集、統計分析、能效分析、用能預警、設備管理等服務，平臺可以廣泛應用于多種領域。
智能網關	Anet系列網管		采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網絡接口，作為信息采集系統中采集終端與平臺系統間的橋梁，能夠根據不同的采集規約進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數據采集匯總，并使用相應的規約轉發現場設備的數據給平臺系統。
高壓重要回路或低壓進線柜	APM810		具有全電量測量，電能統計，電能質量分析及網絡通訊等功能，主要用于對電網供電質量的綜合監控診斷及電能管理。該系列儀表采用了模塊化設計，當客戶需要增加開關量輸入輸出，模擬量輸入輸出，SD卡記錄，以太網通訊時，只需在背部插入對應模塊即可。
高壓重要回路或低壓進線柜	APM520		三相全電量測量，2-63次諧波，不平衡度，*大需量，支持付費率，越限報警，SOE,4-20mA輸出。
低壓聯絡柜、出線柜	AEM96		三相多功能電能表，均集成三相電力參數測量及電能計量及考核管理，提供上 24 時、上 31 日以及上 12 月的電能數據統計。具有 63 次分次諧波與總諧波含量檢測，帶有開關量輸入和繼電器輸出可實現“遙信” 和“遙控”功能，并具備報警輸出，可廣泛應用于多種控制系統，SCADA 系統和能源管理系統中。
動力柜	ACR120EL		測量所有的常用電力參數，如三相電流、電壓，有功、無功功率，電度，諧波等，并具備完善的通信聯網功能，非常適合于實時電力監控系統。
	DTSD1352		DIN35mm導軌式安裝結構，體積小巧，能測量電能及其他電參量，可進行時鐘、費率時段等參數設置，精度高、可靠性好、性能指標符合國標GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業標準DL/T614-2007對電能表的各項技術要求，并且具有電能脈沖輸出功能；可用RS485通訊接口與上位機實現數據交換。
	AEW100		三相全電量測量，剩余電流、2-63次諧波，支持付費率，量值、電纜溫度，可選2G/4G通訊。

5結束語

總而言之，工作人員在對數據中心IDC配電系統進行優化設計的過程中，需要充分結合數據中心配電系統實際情況及運行要求，并嚴格按照國家相關規程規定，合理選用**的UPS設備并注重增加備用設備與線路，以此有效提高配電系統的運行穩定性。在開展能源管理工作中，工作人員同樣需要主動運用**、節能的設備，在對機房進行優化布置并積極運用各種先進信息技術下，使得IDC機房可以獲得更高的節能管理成效。

【參考文獻】

【1】張翔.IDC業務預測與基地工程建設方案研究[D].長安大學，2017.

【2】滕信根．數據中心IDC 配電系統優化與能源管理［Ｊ］．電力訊息，2019（05）：02-03.

【3】安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.5版

作者簡介：張雙，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數據中心的設計與應用。Email：2885039098@qq.com，手機：13916280434，QQ:2885039098

應用場景	型號	圖片	保護功能
能耗管理云平臺	AcrelCloud-5000		采用泛在物聯、云計算、大數據、移動通訊、智能傳感等技術手段可為用戶提供能源數據采集、統計分析、能效分析、用能預警、設備管理等服務，平臺可以廣泛應用于多種領域。
智能網關	Anet系列網管		采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網絡接口，作為信息采集系統中采集終端與平臺系統間的橋梁，能夠根據不同的采集規約進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數據采集匯總，并使用相應的規約轉發現場設備的數據給平臺系統。
高壓重要回路或低壓進線柜	APM810		具有全電量測量，電能統計，電能質量分析及網絡通訊等功能，主要用于對電網供電質量的綜合監控診斷及電能管理。該系列儀表采用了模塊化設計，當客戶需要增加開關量輸入輸出，模擬量輸入輸出，SD卡記錄，以太網通訊時，只需在背部插入對應模塊即可。
高壓重要回路或低壓進線柜	APM520		三相全電量測量，2-63次諧波，不平衡度，*大需量，支持付費率，越限報警，SOE,4-20mA輸出。
低壓聯絡柜、出線柜	AEM96		三相多功能電能表，均集成三相電力參數測量及電能計量及考核管理，提供上 24 時、上 31 日以及上 12 月的電能數據統計。具有 63 次分次諧波與總諧波含量檢測，帶有開關量輸入和繼電器輸出可實現“遙信” 和“遙控”功能，并具備報警輸出，可廣泛應用于多種控制系統，SCADA 系統和能源管理系統中。
動力柜	ACR120EL		測量所有的常用電力參數，如三相電流、電壓，有功、無功功率，電度，諧波等，并具備完善的通信聯網功能，非常適合于實時電力監控系統。
	DTSD1352		DIN35mm導軌式安裝結構，體積小巧，能測量電能及其他電參量，可進行時鐘、費率時段等參數設置，精度高、可靠性好、性能指標符合國標GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業標準DL/T614-2007對電能表的各項技術要求，并且具有電能脈沖輸出功能；可用RS485通訊接口與上位機實現數據交換。
	AEW100		三相全電量測量，剩余電流、2-63次諧波，支持付費率，量值、電纜溫度，可選2G/4G通訊。

5結束語

【參考文獻】

【1】張翔.IDC業務預測與基地工程建設方案研究[D].長安大學，2017.

【2】滕信根．數據中心IDC 配電系統優化與能源管理［Ｊ］．電力訊息，2019（05）：02-03.

【3】安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.5版

作者簡介：王明單，女，現任職安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數據中心的設計與應用，郵箱:2885026752@qq.com，手機：13636482524（微信同號），QQ:2885026752