綜合能效管理系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心配電管理能耗

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：2022年11月1日，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心能效限定值及能效等級(jí)》在全國(guó)范圍內(nèi)強(qiáng)制實(shí)施。國(guó)家對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗總量和能耗強(qiáng)度考核指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)格，新建數(shù)據(jù)中心PUE指標(biāo)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(dòng)力心臟，如何實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、低碳成為數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域關(guān)注點(diǎn)。

關(guān)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(yùn)行的基礎(chǔ)，需要把“能量"輸送到數(shù)據(jù)中心的每個(gè)角落，包括空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、控制設(shè)備、加濕系統(tǒng)、照明等，供配電設(shè)備的傳輸損耗也是能耗中的一部分。我們知道，電費(fèi)是數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)的主要成本，占到數(shù)據(jù)中心總運(yùn)營(yíng)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(guān)鍵所在。如何更大限度應(yīng)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(lái)，各地鼓勵(lì)引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用可再生能源及清潔能源，從供電側(cè)實(shí)現(xiàn)綠色低碳，其中“綠電"可以通過(guò)自建自用、直采綠電或者購(gòu)買綠證的方式獲得。

2021年9月，我國(guó)啟動(dòng)全國(guó)綠色電力交易試點(diǎn)，多家數(shù)據(jù)中心企業(yè)，如萬(wàn)國(guó)數(shù)據(jù)、秦準(zhǔn)數(shù)據(jù)、騰訊，均參與并完成了較大體量的綠電市場(chǎng)交易采購(gòu)；同時(shí)，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(jī)房照明用電等需求，作為峰值電力補(bǔ)充的手段。目前已有企業(yè)試行，萬(wàn)國(guó)上海三號(hào)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)劃了太陽(yáng)能墻，騰訊清遠(yuǎn)清新云計(jì)算數(shù)據(jù)中心在廠房屋頂安裝光伏組件。除此之外，未來(lái)數(shù)據(jù)中心企業(yè)也可以投資大型風(fēng)電、集中式光伏項(xiàng)目，把光伏或風(fēng)電作為主要電力來(lái)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(yīng)用什么電，能耗是不變的，數(shù)據(jù)中心企業(yè)應(yīng)該在保證數(shù)據(jù)中心應(yīng)用清潔能源的同時(shí)，考慮多種能源協(xié)同組合，提高供能系統(tǒng)的能效是關(guān)鍵。從目前的情況來(lái)看，數(shù)據(jù)中心節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用層出不窮，供配電系統(tǒng)模塊化趨勢(shì)明顯。

3、模塊化供配電系統(tǒng)成為趨勢(shì)

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(shè)備節(jié)能首dang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(shù)發(fā)展路徑來(lái)看，高頻技術(shù)在效率、成本、諧波、占地等各方面均優(yōu)于工頻，高頻技術(shù)全面取代工頻技術(shù)成為趨勢(shì)。

在高頻技術(shù)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(yùn)維、安裝維護(hù)、后期擴(kuò)容方面具有優(yōu)勢(shì)，被許多數(shù)據(jù)中心服務(wù)商和行業(yè)用戶廣泛應(yīng)用。業(yè)內(nèi)也有不同的聲音，認(rèn)為多個(gè)模塊并機(jī)存在風(fēng)險(xiǎn)，可靠性值得考慮。從傳統(tǒng)塔式與模塊化的可靠性對(duì)比來(lái)看，兩者旗鼓相當(dāng)，模塊化甚至更優(yōu)。從近年新上市的UPS來(lái)看，大部分都采用了模塊化架構(gòu)，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(shì)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(gè)整體，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)按需運(yùn)行，智能運(yùn)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(yùn)維成本，滿足不同級(jí)別數(shù)據(jù)中心機(jī)房需求。

過(guò)去10年，供配電系統(tǒng)創(chuàng)新的焦點(diǎn)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(jiǎn)化交流UPS變換環(huán)節(jié)，無(wú)需逆變器，串聯(lián)部件少，理論故障點(diǎn)減少，效率提高。

4、高壓直流（HVDC）被服務(wù)商及用戶認(rèn)可

供電系統(tǒng)架構(gòu)影響數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)能效水平，當(dāng)前大型數(shù)據(jù)中心供配電架構(gòu)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(gòu)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(yùn)維簡(jiǎn)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(gòu)供電能效更高，近年逐漸被市場(chǎng)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(jī)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(huì)代傳統(tǒng)UPS供電嗎

上面我們講了HVDC在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，那它能取代UPS嗎？答案是“不能"。 首先，從供電結(jié)構(gòu)上來(lái)看，直流傳輸?shù)膿p耗較大，因此傳輸范圍有限，在遠(yuǎn)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(cuò)架構(gòu)，在HVDC檢修時(shí)候，市電直供側(cè)沒有電池備電，市電閃斷導(dǎo)致服務(wù)巖機(jī)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(gòu)，重新回到2N的容錯(cuò)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(jià)格不斷下降，HVDC在效率、成本方面優(yōu)勢(shì)在減弱，此外有些服務(wù)器并不兼容HVDC電源制式，也影響了HVDC的應(yīng)用擴(kuò)展。UPS、HVDC等電源的創(chuàng)新只是部件層面的，對(duì)供電鏈路影響有限，未來(lái)一定是供電鏈路端到端的創(chuàng)新，隨著第三代半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，碳化硅器件已經(jīng)在中低壓配電網(wǎng)開始了應(yīng)用，10kV級(jí)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(yùn)行的電力保障，任何細(xì)微的故障都會(huì)影響數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。隨著技術(shù)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(shí)間檢驗(yàn)。

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(dāng)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(jì)算出當(dāng)前數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)PUE值，通過(guò)儀表盤形式直觀展示。

配電監(jiān)測(cè)

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(dāng)前遙測(cè)、遙信數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

電氣節(jié)點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)

無(wú)線測(cè)溫傳感器主要用于監(jiān)測(cè)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(dǎo)致的事故。

變壓器監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)各變壓器各項(xiàng)參數(shù)，包括負(fù)載率、頻率、功率因數(shù)、三相不平衡度等，并且顯示歷時(shí)曲線圖，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變化。幫助用戶直觀監(jiān)測(cè)各變壓器運(yùn)行狀態(tài)。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)

可以監(jiān)測(cè)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(guò)曲線方式顯示。

UPS監(jiān)測(cè)

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(shí)監(jiān)測(cè)UPS溫度、蓄電池電壓、當(dāng)前負(fù)載下的剩余時(shí)間等數(shù)據(jù)。

電池監(jiān)測(cè)

數(shù)據(jù)中心UPS儲(chǔ)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(yù)測(cè)電池帶載時(shí)剩余時(shí)間，每個(gè)數(shù)據(jù)均可以設(shè)置異常報(bào)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池異常。

列頭柜監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)可以展示列頭柜內(nèi)進(jìn)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(guān)狀態(tài)，并可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警設(shè)置和分級(jí)，數(shù)據(jù)取自列頭柜測(cè)量模塊。

母線槽監(jiān)測(cè)

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(jī)房面積受到很多數(shù)據(jù)中心的青睞，被越來(lái)越多的應(yīng)用。

能源分布

通過(guò)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(shè)備分布情況，并顯示設(shè)備能耗數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)擊平面圖上設(shè)備可以進(jìn)入具體設(shè)備監(jiān)控界面。

能效監(jiān)測(cè)

能效看板實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)中心PUE值以及歷史PUE曲線。

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

電能報(bào)表及分析

顯示電能消耗日/月/年報(bào)表，并可對(duì)具體回路選擇曲線圖、餅圖進(jìn)行展示。對(duì)數(shù)據(jù)中心用電數(shù)據(jù)進(jìn)行同比、環(huán)比分析比較，查看用電趨勢(shì)。

空調(diào)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)空調(diào)的回風(fēng)溫濕度，出回水溫度，并可以設(shè)定空調(diào)的溫濕度，達(dá)到更好的控制效果。

環(huán)境監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心溫濕度、開關(guān)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(shí)支持歷史數(shù)據(jù)查詢。

事件報(bào)警

報(bào)警事件分為四級(jí)：預(yù)警、一般、重要和緊急報(bào)警，避免漏掉重要報(bào)警信息。通過(guò)列表顯示各類報(bào)警事件數(shù)量，通過(guò)柱狀圖顯示逐日?qǐng)?bào)警數(shù)量，提供報(bào)警總數(shù)以及增長(zhǎng)趨勢(shì)。

6.2 選型配置

參考文獻(xiàn):

[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(shè)+，2023：82-83

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)，2022.05版.

[3]數(shù)據(jù)中心綜合解決方案.2022.02版.

作者簡(jiǎn)介：任運(yùn)業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司。