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驚！數(shù)據(jù)中心電能危機，配電系統(tǒng)全揭曉！--能源物聯(lián)網(wǎng)電表

發(fā)布者：Acrel 發(fā)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(shù)據(jù)中心作為主要研究對象，采用文獻研究法、實踐調(diào)查法等研究方法，以UPS配電系統(tǒng)為例，對數(shù)據(jù)中心IDC配電系統(tǒng)優(yōu)化設計進行簡要分析。并從選用**節(jié)能設備、優(yōu)化機房布置等角度出發(fā)，對如何落實數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心；IDC配電系統(tǒng)；優(yōu)化設計；能源管理

1 數(shù)據(jù)中心IDC 配電系統(tǒng)優(yōu)化設計

1.1 UPS設備的設計優(yōu)化

1.1.1提高UPS負荷率

數(shù)據(jù)中心在選擇使用UPS配電系統(tǒng)并對其進行優(yōu)化設計時，首先需要對UPS設備的設計選用進行相應優(yōu)化。通過結(jié)合當前某數(shù)據(jù)中心安裝的上百臺UPS設備運行情況，根據(jù)工作人員采集得到的相關數(shù)據(jù)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(jié)合其他相關研究資料，也有學者指出當前我國大多數(shù)數(shù)據(jù)中心使用的UPS系統(tǒng)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(tǒng)應用效益的目的。

1.1.2合理設定PF值

在數(shù)據(jù)中心當中UPS設備的用電量相對較大，該設備輸入功率因數(shù)對整個數(shù)據(jù)中心IDC配電系統(tǒng)電能質(zhì)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(shù)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(shù)符號，THD代表著總諧波電流畸變率。以某數(shù)據(jù)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(jīng)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(shù)PF減小。但根據(jù)檢測結(jié)果，在UPS負載率處于正常狀態(tài)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(shù)據(jù)中心IDC配電系統(tǒng)選擇使用UPS系統(tǒng)，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(yōu)化，如可以根據(jù)變壓器容量的 30%進行電容補償，選用輸入功率因數(shù)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(jié)約投資的效果。

1.1.3調(diào)整輸出功率因數(shù)

在眼下服務器電源功率因數(shù)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(jù)相關研究資料可知，當前服務器功率因數(shù)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?cè)萘�，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(shù)進行了解時，發(fā)現(xiàn)其輸出功率因數(shù)均可以達到0.9，部分UPS設備輸出功率因數(shù)可以達到1，事實上如果UPS輸出功率因數(shù)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(yōu)化UPS設備時，可以規(guī)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(tǒng)時直接按照90%設定*高帶載率，此時UPS容量計算公式為：UPS總?cè)萘?機架負荷（kW）/0.9(kW/kVA)/0.9(負荷率)

1.2 UPS系統(tǒng)模式的優(yōu)化

在運用UPS系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心IDC配電系統(tǒng)并對其進行優(yōu)化設計的過程中，考慮到絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心選擇使用的UPS系統(tǒng)為2N雙總線系統(tǒng)，負責將雙路持續(xù)交流電源提供給各重要IT設備，以保障其實現(xiàn)長久穩(wěn)定運行。而這一系統(tǒng)所屬于冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成至少為兩套UPS系統(tǒng)，系統(tǒng)基本容量即為任意一套UPS系統(tǒng)中N臺UPS設備總?cè)萘俊Ｔ赨PS設備的作用下，系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)下，任意一套UPS系統(tǒng)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(tǒng)冗余的形式進行供電，可以有效改善傳統(tǒng)單電源系統(tǒng)中容易出現(xiàn)單點故障的問題。如果數(shù)據(jù)中心的規(guī)模相對較大，但擁有的單電源設備相對較少，則可以根據(jù)其實際情況規(guī)范安裝小型的STS設備，使得電源設備能夠獲得穩(wěn)定、持久的安全供電源。

在該系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)下，系統(tǒng)當中的兩套UPS系統(tǒng)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(tǒng)交流輸入，可以使得整個雙總線供電系統(tǒng)的安全可靠性得到大大提高。即便在該系統(tǒng)當中某一UPS系統(tǒng)無法正常運行，或是出現(xiàn)包括輸出中斷等在內(nèi)的異常情況，均不會對雙電源負載供電產(chǎn)生實質(zhì)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(jīng)過優(yōu)化后的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中采用兩套UPS系統(tǒng)，各系統(tǒng)相互獨立完成供配電，避免系統(tǒng)出現(xiàn)單故障點，有助于提高系統(tǒng)的容錯性與安全可靠性[1]。在后續(xù)的系統(tǒng)運維管理中，工作人員可直接省略將負載轉(zhuǎn)為旁路模式的步驟，有助于提高配電系統(tǒng)及各配電設備的運維管理成效。

2數(shù)據(jù)中心IDC機房能源管理措施分析

2.1積極優(yōu)化機房布置

在對數(shù)據(jù)中心IDC機房進行能源管理的過程中，為有效提高其節(jié)能成效，工作人員需要立足機房實際科學優(yōu)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(jié)構(gòu)完全一致的機柜作為數(shù)據(jù)中心IDC機房機柜，另一方面，為防止設備在運行過程中產(chǎn)生大量熱空氣同空調(diào)機產(chǎn)生的冷送風相互混合，導致數(shù)據(jù)中心容易出現(xiàn)諸多局部熱點而影響空調(diào)原本的制冷效率，大大增加空調(diào)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(wěn)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(xiàn)吸排風通道受阻的情況而影響整體冷卻效果。

2.2運用**節(jié)能設備

在數(shù)據(jù)中心IDC機房當中選用優(yōu)化的UPS系統(tǒng)，通過充分發(fā)揮UPS設備的**效性，同樣可以達到良好的節(jié)能效果。如某數(shù)據(jù)中心在2015-2018年間，分別建設了15臺、20臺和25臺經(jīng)過上述方式優(yōu)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(shù)據(jù)中心在2015年到2018年間利用**UPS系統(tǒng)后的節(jié)電量分別達到了68萬度、91萬度以及137萬度[2]。在空調(diào)系統(tǒng)設備選用中，數(shù)據(jù)中心IDC機房可選擇使用節(jié)能性良好的水冷系統(tǒng)，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(jié)能效果。

3能耗統(tǒng)計分析（能源管理）解決方案

建立**的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，對建筑各類耗能設備能耗數(shù)據(jù)進行實時測量，對采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟指標及績效考核指標，發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費情況，提高人員主動節(jié)能的意識。

① 搭建數(shù)據(jù)中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架，對各個用能環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)測；

② 排碳數(shù)據(jù)化：通過系統(tǒng)可實現(xiàn)建筑單位內(nèi)人均能耗分析（包括水、電、能量），實現(xiàn)低碳辦公數(shù)據(jù)化；

③ 區(qū)域能效比：實現(xiàn)建筑單位內(nèi)區(qū)域能耗對比，方便能耗考核；

④ 同期能效比：實現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對比，方便節(jié)能數(shù)據(jù)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(qū)能耗對比，實現(xiàn)能耗排名，增強工作人員的節(jié)能意識；

⑦ 對能耗的使用數(shù)據(jù)進行綜合的分析、統(tǒng)計、打印和查詢等功能，并根據(jù)能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)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(jù)；

⑧ 能耗數(shù)據(jù)采集，隨時查詢，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，監(jiān)測異常能源用量，對能源智能儀表故障進行報警，提高系統(tǒng)信息化、自動化水平。

4能源管理系統(tǒng)

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(lián)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動通訊、智能傳感等技術(shù)手段可為用戶提供能源數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)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(wǎng)關	Anet系列網(wǎng)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(wǎng)絡接口，作為信息采集系統(tǒng)中采集終端與平臺系統(tǒng)間的橋梁，能夠根據(jù)不同的采集規(guī)約進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數(shù)據(jù)采集匯總，并使用相應的規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)給平臺系統(tǒng)。
高壓重要回路或低壓進線柜	APM810		具有全電量測量，電能統(tǒng)計，電能質(zhì)量分析及網(wǎng)絡通訊等功能，主要用于對電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)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(wǎng)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(lián)絡柜、出線柜	AEM96		三相多功能電能表，均集成三相電力參數(shù)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(shù)據(jù)統(tǒng) 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(xiàn)“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(tǒng)，SCADA 系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)中。
動力柜	ACR120EL		測量所有的常用電力參數(shù)，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(lián)網(wǎng)功能，非常適合于實時電力監(jiān)控系統(tǒng)。
	DTSD1352		DIN35mm導軌式安裝結(jié)構(gòu)，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(shù)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(yè)標準DL/T614-2007對電能表的各項技術(shù)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(jié)束語

總而言之，工作人員在對數(shù)據(jù)中心IDC配電系統(tǒng)進行優(yōu)化設計的過程中，需要充分結(jié)合數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)實際情況及運行要求，并嚴格按照國家相關規(guī)程規(guī)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(tǒng)的運行穩(wěn)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(jié)能的設備，在對機房進行優(yōu)化布置并積極運用各種先進信息技術(shù)下，使得IDC機房可以獲得更高的節(jié)能管理成效。

【參考文獻】

【1】張翔.IDC業(yè)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(shù)據(jù)中心IDC 配電系統(tǒng)優(yōu)化與能源管理［Ｊ］．電力訊息，2019（05）：02-03.

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.5版

作者簡介：張雙，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數(shù)據(jù)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(lián)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動通訊、智能傳感等技術(shù)手段可為用戶提供能源數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)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(wǎng)關	Anet系列網(wǎng)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(wǎng)絡接口，作為信息采集系統(tǒng)中采集終端與平臺系統(tǒng)間的橋梁，能夠根據(jù)不同的采集規(guī)約進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數(shù)據(jù)采集匯總，并使用相應的規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)給平臺系統(tǒng)。
高壓重要回路或低壓進線柜	APM810		具有全電量測量，電能統(tǒng)計，電能質(zhì)量分析及網(wǎng)絡通訊等功能，主要用于對電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)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(wǎng)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(lián)絡柜、出線柜	AEM96		三相多功能電能表，均集成三相電力參數(shù)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(shù)據(jù)統(tǒng) 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(xiàn)“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(tǒng)，SCADA 系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)中。
動力柜	ACR120EL		測量所有的常用電力參數(shù)，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(lián)網(wǎng)功能，非常適合于實時電力監(jiān)控系統(tǒng)。
	DTSD1352		DIN35mm導軌式安裝結(jié)構(gòu)，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(shù)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(yè)標準DL/T614-2007對電能表的各項技術(shù)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(jié)束語

【參考文獻】

【1】張翔.IDC業(yè)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(shù)據(jù)中心IDC 配電系統(tǒng)優(yōu)化與能源管理［Ｊ］．電力訊息，2019（05）：02-03.

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.5版

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

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