淺談數(shù)據(jù)中心IDC配電系統(tǒng)能源管理措施

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：本文通過(guò)將數(shù)據(jù)中心作為主要研究對(duì)象，采用文獻(xiàn)研究法、實(shí)踐調(diào)查法等研究方法，以UPS配電系統(tǒng)為例，對(duì)數(shù)據(jù)中心IDC配電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。并從選用高效節(jié)能設(shè)備、優(yōu)化機(jī)房布置等角度出發(fā)，對(duì)如何落實(shí)數(shù)據(jù)中心IDC機(jī)房能源管理提出幾點(diǎn)有效措施以供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；IDC配電系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；能源管理

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

1.1 UPS設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1.1提高UPS負(fù)荷率

數(shù)據(jù)中心在選擇使用UPS配電系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要對(duì)UPS設(shè)備的設(shè)計(jì)選用進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。通過(guò)結(jié)合當(dāng)前某數(shù)據(jù)中心安裝的上百臺(tái)UPS設(shè)備運(yùn)行情況，根據(jù)工作人員采集得到的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，有超過(guò)60%的UPS設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷率為20%到30%，有接近30%的UPS設(shè)備負(fù)荷率不足20%。而通過(guò)結(jié)合其他相關(guān)研究資料，也有學(xué)者指出當(dāng)前我國(guó)大多數(shù)數(shù)據(jù)中心使用的UPS系統(tǒng)有至少40%的負(fù)荷率未能得到有效使用。因此從理論上來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)當(dāng)前UPS設(shè)備負(fù)荷增加25%IT負(fù)荷，有助于提高UPS設(shè)備可用容量的利用率，以此達(dá)到提升UPS系統(tǒng)應(yīng)用效益的目的。

1.1.2合理設(shè)定PF值

在數(shù)據(jù)中心當(dāng)中UPS設(shè)備的用電量相對(duì)較大，該設(shè)備輸入功率因數(shù)對(duì)整個(gè)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(jì)算公式如下：

在這一公式當(dāng)中，cosφ代表著功率因數(shù)符號(hào)，THD代表著總諧波電流畸變率。以某數(shù)據(jù)中心實(shí)際負(fù)載率為6%的UPS設(shè)備為例，當(dāng)UPS負(fù)載率不高的情況下，經(jīng)測(cè)試可知其實(shí)際值cosφ為0.98，此時(shí)對(duì)應(yīng)的總諧波電流畸變率約為30%。由于UPS設(shè)備負(fù)載率并不高，此時(shí)負(fù)載基本等同于高頻非線性負(fù)荷，加之基波電流I值也相對(duì)較小，在受到客觀存在的諧波的影響下容易增加UPS設(shè)備的THDi值，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備功率因數(shù)PF減小。但根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，在UPS負(fù)載率處于正常狀態(tài)時(shí)，其cosφ值與PF值基本為1，對(duì)應(yīng)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(guò)嚴(yán)格按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)電容補(bǔ)償裝 置進(jìn)行優(yōu)化，如可以根據(jù)變壓器容量的 30%進(jìn)行電容補(bǔ)償，選用輸入功率因數(shù)至少為 0.95 的 UPS 設(shè)備，在有效落實(shí)減配的同時(shí)也可以達(dá)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(wù)器電源功率因數(shù)的逐漸提高下，UPS設(shè)備提高輸出性能才能有效滿(mǎn)足服務(wù)器電源容性負(fù)載輸入特性。根據(jù)相關(guān)研究資料可知，當(dāng)前服務(wù)器功率因數(shù)基本為容性-超前0.9～0.95，按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以使用實(shí)際UPS設(shè)備機(jī)架負(fù)荷值與0.7（kW/kVA）作比的方式計(jì)算出UPS設(shè)備的總?cè)萘?，要求UPS設(shè)備的額定容量與0.7（kW/kVA）的乘積不得超過(guò)UPS設(shè)備輸出功率[1]。但本文在對(duì)當(dāng)前市面中常見(jiàn)的集中UPS設(shè)備輸出功率因數(shù)進(jìn)行了解時(shí)，發(fā)現(xiàn)其輸出功率因數(shù)均可以達(dá)到0.9，部分UPS設(shè)備輸出功率因數(shù)可以達(dá)到1，事實(shí)上如果UPS輸出功率因數(shù)超過(guò)0.9，此時(shí)在不降容的情況下設(shè)備依舊可以正常使用。例如某400kVA的UPS設(shè)備商可以直接帶載功率為360kW的服務(wù)器設(shè)備。綜合考慮，在優(yōu)化UPS設(shè)備時(shí)，可以規(guī)定其輸出功率不得低于設(shè)備額定容量與0.9（kW/kVA）的乘積。并且在設(shè)置UPS系統(tǒng)時(shí)直接按照90%設(shè)定*高帶載率，此時(shí)UPS容量計(jì)算公式為：UPS總?cè)萘?機(jī)架負(fù)荷（kW）/0.9(kW/kVA)/0.9(負(fù)荷率)

1.2 UPS系統(tǒng)模式的優(yōu)化

在運(yùn)用UPS系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心IDC配電系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)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(fù)責(zé)將雙路持續(xù)交流電源提供給各重要IT設(shè)備，以保障其實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)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(tái)UPS設(shè)備總?cè)萘俊Ｔ赨PS設(shè)備的作用下，系統(tǒng)交流輸入直至雙電源輸入負(fù)載為兩條獨(dú)立的供電線路，當(dāng)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，任意一套UPS系統(tǒng)只負(fù)責(zé)對(duì)總負(fù)荷當(dāng)中的一小部分負(fù)荷進(jìn)行承擔(dān)，利用這一多電源系統(tǒng)冗余的形式進(jìn)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(diǎn)故障的問(wèn)題。如果數(shù)據(jù)中心的規(guī)模相對(duì)較大，但擁有的單電源設(shè)備相對(duì)較少，則可以根據(jù)其實(shí)際情況規(guī)范安裝小型的STS設(shè)備，使得電源設(shè)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(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)當(dāng)中的兩套UPS系統(tǒng)將同步運(yùn)行，各自承擔(dān)50%的總負(fù)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(gè)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(dāng)中某一UPS系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，或是出現(xiàn)包括輸出中斷等在內(nèi)的異常情況，均不會(huì)對(duì)雙電源負(fù)載供電產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，此時(shí)只有與存在異常情況的UPS組單電源負(fù)載相接的供電被切斷。經(jīng)過(guò)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(dú)立完成供配電，避免系統(tǒng)出現(xiàn)單故障點(diǎn)，有助于提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性與安全可靠性[1]。在后續(xù)的系統(tǒng)運(yùn)維管理中，工作人員可直接省略將負(fù)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(shè)備的運(yùn)維管理成效。

2數(shù)據(jù)中心IDC機(jī)房能源管理措施分析

2.1積極優(yōu)化機(jī)房布置

在對(duì)數(shù)據(jù)中心IDC機(jī)房進(jìn)行能源管理的過(guò)程中，為有效提高其節(jié)能成效，工作人員需要立足機(jī)房實(shí)際科學(xué)優(yōu)化機(jī)房布置。一方面，按照前進(jìn)后出、水平通風(fēng)的原則選用和進(jìn)排風(fēng)結(jié)構(gòu)一致的機(jī)柜作為數(shù)據(jù)中心IDC機(jī)房機(jī)柜，另一方面，為防止設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生大量熱空氣同空調(diào)機(jī)產(chǎn)生的冷送風(fēng)相互混合，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心容易出現(xiàn)諸多局部熱點(diǎn)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(jī)架當(dāng)中無(wú)設(shè)備處，使得進(jìn)入到設(shè)備當(dāng)中的進(jìn)風(fēng)溫度能夠具有良好的穩(wěn)定性。另外，如果選擇使用帶有機(jī)柜門(mén)的機(jī)柜，則需要保障其開(kāi)孔率至少為60%，防止機(jī)柜出現(xiàn)吸排風(fēng)通道受阻的情況而影響整體冷卻效果。

2.2運(yùn)用高效節(jié)能設(shè)備

在數(shù)據(jù)中心IDC機(jī)房當(dāng)中選用優(yōu)化的UPS系統(tǒng)，通過(guò)充分發(fā)揮UPS設(shè)備的高效性，同樣可以達(dá)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(shè)了15臺(tái)、20臺(tái)和25臺(tái)經(jīng)過(guò)上述方式優(yōu)化處理的400kVAUPS設(shè)備，在每一條UPS設(shè)備負(fù)載電流值為200A，與同期相比，該數(shù)據(jù)中心在2015年到2018年間利用高效UPS系統(tǒng)后的節(jié)電量分別達(dá)到了68萬(wàn)度、91萬(wàn)度以及137萬(wàn)度[2]。在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備選用中，數(shù)據(jù)中心IDC機(jī)房可選擇使用節(jié)能性良好的水冷系統(tǒng)，同時(shí)積極對(duì)機(jī)房進(jìn)行開(kāi)窗通風(fēng)，從而借助自然風(fēng)有效降低設(shè)備溫度并獲得良好的節(jié)能效果。

3能耗統(tǒng)計(jì)分析（能源管理）解決方案

? 建立高效的能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，對(duì)建筑各類(lèi)耗能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及績(jī)效考核指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費(fèi)情況，提高人員主動(dòng)節(jié)能的意識(shí)。

①　搭建數(shù)據(jù)中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架，對(duì)各個(gè)用能環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

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

③　區(qū)域能效比：實(shí)現(xiàn)建筑單位內(nèi)區(qū)域能耗對(duì)比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實(shí)現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對(duì)比，方便節(jié)能數(shù)據(jù)分析；

⑤　能耗評(píng)估管理：按照能源消耗定額標(biāo)準(zhǔn)約束值、標(biāo)準(zhǔn)值、引導(dǎo)值進(jìn)行分析單位面積能耗和人均能耗指標(biāo)；

⑥　能耗競(jìng)爭(zhēng)排名：各個(gè)功能區(qū)能耗對(duì)比，實(shí)現(xiàn)能耗排名，增強(qiáng)工作人員的節(jié)能意識(shí)；

⑦　對(duì)能耗的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析、統(tǒng)計(jì)、打印和查詢(xún)等功能，并根據(jù)能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的需要可選擇不同樣式報(bào)表的打印。為能耗運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)提供可靠的依據(jù)；

⑧　能耗數(shù)據(jù)采集，隨時(shí)查詢(xún)，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，監(jiān)測(cè)異常能源用量，對(duì)能源智能儀表故障進(jìn)行報(bào)警，提高系統(tǒng)信息化、自動(dòng)化水平。

4能源管理系統(tǒng)

5結(jié)束語(yǔ)

總而言之，工作人員在對(duì)數(shù)據(jù)中心IDC配電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要充分結(jié)合數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)實(shí)際情況及運(yùn)行要求，并嚴(yán)格按照國(guó)家相關(guān)規(guī)程規(guī)定，合理選用高效的UPS設(shè)備并注重增加備用設(shè)備與線路，以此有效提高配電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。在開(kāi)展能源管理工作中，工作人員同樣需要主動(dòng)運(yùn)用高效、節(jié)能的設(shè)備，在對(duì)機(jī)房進(jìn)行優(yōu)化布置并積極運(yùn)用各種先進(jìn)信息技術(shù)下，使得IDC機(jī)房可以獲得更高的節(jié)能管理成效。

【參考文獻(xiàn)】 

【1】張 翔.IDC業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)與基地工程建設(shè)方案研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2017.

【2】滕信根．?dāng)?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(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5版

作者簡(jiǎn)介：任運(yùn)業(yè)，男，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(shè)計(jì)與應(yīng)用。