綜合能效管理系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心配電管理能耗

摘要：2022年11月1日，國家標準《數(shù)據(jù)中心能效限定值及能效等級》在全國范圍內(nèi)強制實施。國家對數(shù)據(jù)中心能耗總量和能耗強度考核指標越來越嚴格，新建數(shù)據(jù)中心PUE指標要求提升至1.3以內(nèi)。數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗壓力迫在眉睫，供配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的動力心臟，如何實現(xiàn)供配電系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、安全、經(jīng)濟、節(jié)能、低碳成為數(shù)據(jù)中心領域關注點。

關鍵詞：數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)中心能耗、數(shù)據(jù)中心節(jié)能、PUE

1、供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的“心臟”

供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心正常運行的基礎，需要把“能量”輸送到數(shù)據(jù)中心的每個角落，包括空調(diào)、網(wǎng)絡設備、服務器、控制設備、加濕系統(tǒng)、照明等，供配電設備的傳輸損耗也是能耗中的一部分。我們知道，電費是數(shù)據(jù)中心運營的主要成本，占到數(shù)據(jù)中心總運營成本一半以上，因此有效的電力節(jié)能是綠色數(shù)據(jù)中心的關鍵所在。如何更大限度應用綠色可再生能源是數(shù)據(jù)中心“減壓”的重要方式。

2、綠色電力助力數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排

“雙碳”政策以來，各地鼓勵引導數(shù)據(jù)中心應用可再生能源及清潔能源，從供電側(cè)實現(xiàn)綠色低碳，其中“綠電”可以通過自建自用、直采綠電或者購買綠證的方式獲得。

2021年9月，我國啟動全國綠色電力交易試點，多家數(shù)據(jù)中心企業(yè)，如萬國數(shù)據(jù)、秦準數(shù)據(jù)、騰訊，均參與并完成了較大體量的綠電市場交易采購；同時，數(shù)據(jù)中心企業(yè)也可以自投電站，主要分為分布式電站與集中式電站。例如，在數(shù)據(jù)中心屋頂安裝分布式光伏電站，滿足機房照明用電等需求，作為峰值電力補充的手段。目前已有企業(yè)試行，萬國上海三號數(shù)據(jù)中心設計規(guī)劃了太陽能墻，騰訊清遠清新云計算數(shù)據(jù)中心在廠房屋頂安裝光伏組件。除此之外，未來數(shù)據(jù)中心企業(yè)也可以投資大型風電、集中式光伏項目，把光伏或風電作為主要電力來源，自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。

數(shù)據(jù)中心作為高耗電行業(yè)，不管應用什么電，能耗是不變的，數(shù)據(jù)中心企業(yè)應該在保證數(shù)據(jù)中心應用清潔能源的同時，考慮多種能源協(xié)同組合，提高供能系統(tǒng)的能效是關鍵。從目前的情況來看，數(shù)據(jù)中心節(jié)能新技術應用層出不窮，供配電系統(tǒng)模塊化趨勢明顯。

3、模塊化供配電系統(tǒng)成為趨勢

數(shù)據(jù)顯示，供配電系統(tǒng)是占數(shù)據(jù)中心總能耗約10%，其中UPS供電系統(tǒng)約占總功耗的5%，UPS輸人供電系統(tǒng)約占總功耗的1%，UPS供電設備節(jié)能首當其沖。

UPS可以分為工頻塔式、高頻塔式、高頻模塊化等形式。從技術發(fā)展路徑來看，高頻技術在效率、成本、諧波、占地等各方面均優(yōu)于工頻，高頻技術全面取代工頻技術成為趨勢。

在高頻技術之下，模塊化和傳統(tǒng)塔式兩種形式不相上下。模塊化UPS在運維、安裝維護、后期擴容方面具有優(yōu)勢，被許多數(shù)據(jù)中心服務商和行業(yè)用戶廣泛應用。業(yè)內(nèi)也有不同的聲音，認為多個模塊并機存在風險，可靠性值得考慮。從傳統(tǒng)塔式與模塊化的可靠性對比來看，兩者旗鼓相當，模塊化甚至更優(yōu)。從近年新上市的UPS來看，大部分都采用了模塊化架構，可見，模塊化UPS是交流UPS的發(fā)展方向。

除了供電系統(tǒng)節(jié)能，配電系統(tǒng)節(jié)能也不容易忽視。供電系統(tǒng)模塊化趨勢需要和配電系統(tǒng)融合，比如：微模塊UPS、變壓器UPS融合、智能配電母線等等，使供配電系統(tǒng)成為一個整體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)按需運行，智能運維、靈活部署；有利于加大限度降低配電系統(tǒng)電纜傳輸損耗，降低運維成本，滿足不同級別數(shù)據(jù)中心機房需求。

過去10年，供配電系統(tǒng)創(chuàng)新的焦點是電源形式，除UPS之外，還出現(xiàn)了供電框架的創(chuàng)新，由于HVDC簡化交流UPS變換環(huán)節(jié)，無需逆變器，串聯(lián)部件少，理論故障點減少，效率提高。

4、高壓直流（HVDC）被服務商及用戶認可

供電系統(tǒng)架構影響數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)能效水平，當前大型數(shù)據(jù)中心供配電架構常見有三種：2N系統(tǒng)、一路市電直供+一路UPS/HVDC和DR(N=3)系統(tǒng)。以上三種供配電架構的供電效率分別為93.1%、97%和94.1%。供電框架逐漸由傳統(tǒng)的2N系統(tǒng)向能效更高的系統(tǒng)框架轉(zhuǎn)變。

2N系統(tǒng)因其運維簡單，可靠性高，被行業(yè)廣泛采用，是數(shù)據(jù)中心供配電主流解決方案。一路市電直供十一路UPS/HVDC的供配電架構供電能效更高，近年逐漸被市場接受。 按照功能組成，供配電系統(tǒng)主要由10kV配電、柴油發(fā)電機組、變壓器、低壓配電、UPS電源及其配電、電池、列頭柜等部分組成，其基本原理如下圖所示。

5、高壓直流會代傳統(tǒng)UPS供電嗎

上面我們講了HVDC在數(shù)據(jù)中心應用優(yōu)勢明顯，那它能取代UPS嗎？答案是“不能”。 首先，從供電結構上來看，直流傳輸?shù)膿p耗較大，因此傳輸范圍有限，在遠距離的供電環(huán)境，直流不可能取代交流。其次，一路HVDC+一路市電直供不屬于容錯架構，在HVDC檢修時候，市電直供側(cè)沒有電池備電，市電閃斷導致服務巖機事件已經(jīng)多次發(fā)生，所以一部分用戶已經(jīng)放棄一路HVDC+一路市電的架構，重新回到2N的容錯系統(tǒng)。隨著主流UPS廠商在研發(fā)的不斷投入，UPS的效率在不斷提升，價格不斷下降，HVDC在效率、成本方面優(yōu)勢在減弱，此外有些服務器并不兼容HVDC電源制式，也影響了HVDC的應用擴展。UPS、HVDC等電源的創(chuàng)新只是部件層面的，對供電鏈路影響有限，未來一定是供電鏈路端到端的創(chuàng)新，隨著第三代半導體技術的成熟，碳化硅器件已經(jīng)在中低壓配電網(wǎng)開始了應用，10kV級的電力電子電源成為可能，銅質(zhì)變壓器被電力電子變壓器取代，供電鏈路更節(jié)能。

供配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心正常運行的電力保障，任何細微的故障都會影響數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運營。隨著技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)節(jié)能方式層出不窮，哪些節(jié)能方式將成為主流呢？需要時間檢驗。

6、安科瑞數(shù)據(jù)中心綜合解決方案

6.1 AcrelEMS-IDC綜合能效管理系統(tǒng)

整體概況

展示當前數(shù)據(jù)中心總能耗，IT能耗，空調(diào)能耗，及其他能耗并且計算出當前數(shù)據(jù)中心實時PUE值，通過儀表盤形式直觀展示。

配電監(jiān)測

可選擇查看數(shù)據(jù)中心的中低壓配電系統(tǒng)主接線圖，并在一次圖顯示配電系統(tǒng)當前遙測、遙信數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

電氣節(jié)點溫度監(jiān)測

無線測溫傳感器主要用于監(jiān)測斷路器觸頭、觸臂、母排和線纜連接處溫度，便于提前發(fā)現(xiàn)溫度異常導致的事故。

變壓器監(jiān)測

監(jiān)測各變壓器各項參數(shù)，包括負載率、頻率、功率因數(shù)、三相不平衡度等，并且顯示歷時曲線圖，數(shù)據(jù)實時變化。幫助用戶直觀監(jiān)測各變壓器運行狀態(tài)。

電能質(zhì)量監(jiān)測

可以監(jiān)測特定回路電流、電壓2~31次諧波畸變率和總諧波畸變率，通過曲線方式顯示。

UPS監(jiān)測

系統(tǒng)采集UPS輸入、輸出端和旁路三相電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)頻率，同時監(jiān)測UPS溫度、蓄電池電壓、當前負載下的剩余時間等數(shù)據(jù)。

電池監(jiān)測

數(shù)據(jù)中心UPS儲能用的蓄電池比較多，展示每塊電池電壓、內(nèi)阻、內(nèi)阻變化率和電池溫度，預測電池帶載時剩余時間，每個數(shù)據(jù)均可以設置異常報警，及時發(fā)現(xiàn)蓄電池異常。

列頭柜監(jiān)測

系統(tǒng)可以展示列頭柜內(nèi)進線和饋線回路電氣參數(shù)，包括電流電壓功率電能以及開關狀態(tài)，并可以對數(shù)據(jù)進行報警設置和分級，數(shù)據(jù)取自列頭柜測量模塊。

母線槽監(jiān)測

數(shù)據(jù)中心由于列頭配電柜數(shù)量多，占用空間較大，為了節(jié)省面積，智能小母線方案由于不占用機房面積受到很多數(shù)據(jù)中心的青睞，被越來越多的應用。

能源分布

通過平面圖顯示數(shù)據(jù)中心能源分布，平面圖顯示數(shù)據(jù)中心設備分布情況，并顯示設備能耗數(shù)據(jù)，通過點擊平面圖上設備可以進入具體設備監(jiān)控界面。

能效監(jiān)測

能效看板實時顯示當前數(shù)據(jù)中心PUE值以及歷史PUE曲線。

并且顯示各分項用能的用能情況及用能排行。監(jiān)測各變壓器運行及負載情況，給出本月變壓器輸出電能排行。

電能報表及分析

顯示電能消耗日/月/年報表，并可對具體回路選擇曲線圖、餅圖進行展示。對數(shù)據(jù)中心用電數(shù)據(jù)進行同比、環(huán)比分析比較，查看用電趨勢。

空調(diào)監(jiān)測

系統(tǒng)可監(jiān)測空調(diào)的回風溫濕度，出回水溫度，并可以設定空調(diào)的溫濕度，達到更好的控制效果。

環(huán)境監(jiān)測

監(jiān)測數(shù)據(jù)中心溫濕度、開關門、水浸、煙霧、噪聲、氣體濃度狀態(tài)等參數(shù)。曲線圖直觀明了，同時支持歷史數(shù)據(jù)查詢。

事件報警

報警事件分為四級：預警、一般、重要和緊急報警，避免漏掉重要報警信息。通過列表顯示各類報警事件數(shù)量，通過柱狀圖顯示逐日報警數(shù)量，提供報警總數(shù)以及增長趨勢。

6.2 選型配置

名稱	圖片	型號	功能
數(shù)據(jù)中心綜合能效管理系統(tǒng)		AcrelEMS-IDC	監(jiān)測數(shù)據(jù)中心配電、能耗、電氣安全、電能質(zhì)量、空調(diào)、環(huán)境溫濕度等情況，通過系統(tǒng)平臺集中監(jiān)控管理
智能網(wǎng)關		ANet-2E8S1	2路網(wǎng)口，8路RS485，上行以太網(wǎng)通訊，支持斷點續(xù)傳功能。
始端箱監(jiān)控模塊		AMB100-A	三相全電參量測量、諧波測量、1路漏電流、8路溫度、1路濕度、RS485通訊
插接箱監(jiān)控模塊		AMB110-A	三相全電參量測量、諧波測量、1路漏電流、8路溫度、1路濕度、RS485通訊
物聯(lián)網(wǎng)電表		ADW300-4G	三相全電參量、電流總諧波及2-31次分諧波，當月和上月的電壓電流、功率極值記錄、需量、4G通訊
電能計量終端		DTSD1352	三相全電參量測量、正反向有功無功電能、紅外通訊
低壓母線測溫裝置		AMB200-LR	實時監(jiān)測4/8路溫度、紅外通訊預警及報警功能、顯示功能，LORA通訊。
數(shù)據(jù)采集器		AMB300	二總線通訊、RS485通訊至監(jiān)控系統(tǒng)或觸摸屏，至多可連接 200臺采集監(jiān)控模塊。
紅外母線測溫裝置		AMB300	實時在線監(jiān)測單個大范圍陣列溫度，二總線通訊。
觸摸屏		ATPO10kt	實時采集并顯示母線槽電參量、開關狀態(tài)等數(shù)據(jù)并上傳后臺?？稍O置報警的聞值以及記錄報警事件。
列頭柜		ANDPF	電源分配列柜。為1T機柜提供網(wǎng)絡布線傳輸服務和配電管理。 分為交流和直流列頭柜兩類.
主路進線監(jiān)測模塊		AMC100-ZA	用于列頭柜內(nèi)進線回路的電參量、開關狀態(tài)、溫溫度等數(shù)據(jù)采集。
支路出線監(jiān)測模塊		AMC100-FAK30	用于列頭柜內(nèi)出線國路的電參量、開關狀態(tài)、溫度等數(shù)據(jù)采集。
微型電流互感器		AKH-0.66-W	用于列頭柜進出線國路電流采集。

參考文獻:

[1]邵文娜.如何給數(shù)據(jù)中心“心臟”減壓[J].數(shù)據(jù)中心建設+，2023：82-83

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊，2022.05版.

[3]數(shù)據(jù)中心綜合解決方案.2022.02版.

審核編輯 黃宇