数据中心供配电系统的应用及产品选型

时间：2022-09-08作者：安科瑞电气股份有限公司浏览：168

摘 要：近年来，数据中心的节能技术逐渐成为行业的热门研究方向。文章对数据中心的供配电系统进行了详细分析，指出目前数据中心供配电系统的损耗，并提出可应用数据中心的节能新技术、新方法，为新建、改建或扩建数据中心提供参考。 
关键词：数据中心；供配电系统；节能技术
数据中心经过前几年的疯狂建设,其问题开始逐渐浮现，首当其冲的是其耗能问题。从 2018 年开始，国家及各地市出台了相关政策来规范数据中心的建设和运营。相关政策的出台，使得绿色节能的数据中心建设成为热点话题。
根据李芃等的分析，数据中心的能耗主要由三部分组成，一是IT设备的能耗，二是暖通设备的能耗，三是电源设备的能耗。这三部分中，IT设备的能耗占数据中心总能耗较多，约为 50%，其次是暖通设备的能耗，占30%～40%，而电源设备的能耗约占10%，因此目前大多数的节能技术研究均聚集于暖通系统。然而，供配电系统是数据中心的重要支撑基础，供配电系统的节能研究同等重要。
1 数据中心供配电系统损耗组成
目前，供配电系统的节能研究主要集中在如何降低电能损耗的问题上，其中，变压器损耗、UPS系统损耗和电缆线缆的损耗是供配电系统的三大损耗。
1.1 变压器损耗
变压器是一个非线性元件，其损耗由空载损耗、短路损耗和杂散损耗三部分构成，这三部分受多种因素影响，因此要准确计算其损耗是一个非常复杂的问题。
尽管如此，仍有学者不断进行深入探索，如周先哲等的变压器损耗计算方法的研究，通过对多种计算方法的计算结果进行比较，总结适用于电网变压器大范围计算变压器年损耗的方法。多年的研究和实践表明，变压器的损耗可占其额定容量的 5% ～ 6%，存在较大的可节约空间。
1.2 UPS 系统损耗
据高凯亮等 [3] 的研究，UPS 系统的损耗可大体分为三部分，即空载损耗、比例损耗、平方律损耗。大量研究和实践表明，降低 UPS 损耗的有效方式是使之运行在一个较高的效率上，而效率又与其负载率具有非常强的非线性关系。同时，UPS 系统还有其后备电池的充电能耗，如图 1 所示。
图 1 UPS 系统负载率与系统效率的关系曲线图
1.3 电缆线损
据统计，一个大型数据中心的电力电缆用量巨大，投入运营后，其线损损耗也不可忽略。
电缆的线损除了与电缆的长度相关，还与谐波有关，如李琼林等 [4] 针对谐波对电力电缆损耗的影响进行了详细的分析研究，指出电力电缆由谐波引起的损耗与谐波次数和谐波含有率相关。除此以外，电力电缆的集肤效应和电力电缆与管道中的临近效应也会对电力电缆的损耗产生影响。
2 数据中心供配电系统节能技术的应用
2.1 采用高压直流系统替代 UPS 系统
20 世纪 90 年代末，高压直流电源系统问世。通过多年研究和实践，高压直流电源系统开始被应用到数据中心，如图 2 所示。其所取得效果优于 UPS 系统，如高凯亮等的研究表明高压直流电源系统无论是在何种的负载率下，其系统效率均优于 UPS 系统，因此目前高压直流电源系统正逐渐开始取代UP系统，成 为数据中心中**服务器供电电源设备。
2.2 智能母线在数据中心的应用
前期的数据中心均采用电力电缆完成末端配电系统的建设。然而，随着数据中心的规模越来越大，若继续沿用这种末端配电方案，不仅会造成电能在电力电缆上的损耗过大，而且会存在后期运营维护困难、系统可扩展性差等问题。
智能母线便是为解决以上问题而问世，如图 3 所示。这种智能母线可很好解决机房内综合布线的问题，在经济性 和适用性上都比传统电力电缆方案优异 得多。智能母线具有安全可靠、安装便 捷、维护方便、灵活扩容等特点。
图 3 数据中心的智能母线配电方案
2.3 三联供系统在数据中心的应用
三联供系统指的是数据中心的冷、热、电等能源需求均取自同一个独立的能源站，冷量和热量的需求不再通过电能的二次应用而得到满足。与常规的能源供给方案相比，三联供系统同样会有市电接入，但是市电不再是数据中心主供电源，而是变成了备供电源；同时，数据中心可通过评估能源站能源供给的可靠性程度高低及自身的需求，酌情削减柴油发电机组的建设，腾出更多的空间用于机柜建设，优化数据中心的空间布局，如图 4 所示
图 4 典型天然气三联供系统示意图
目前，我国应用三联供系统的案例不在少数，不仅在数据中心有相应的案例，在其他行业亦有应用的案例。如中石油科技创新基地大数据能源中心，它是我国采用冷热电三联供系统的数据中心；又如青岛世界园艺博览会园区，采用三联供系统可节省配电站投资约 2000 万元。由此可见，三联供系统的技术已相当成熟，各行各业也有应用案例可供参考，未来以此满足大型和**大型数据中心的能源需求亦未尝不可。
2.4 新能源技术在数据中心的应用
改变数据中心的能源供给结构，还可以通过应用新能源技术实现。如伍康文等提出全太阳能数据中心整体建设技术方案，该方案以光伏发电为主供电源，可满足中小型数据中心的能源需求。然而，光伏发电受光照强度、温度等环境因素影响较大，无法满足大型和**大型数据中心的能源需求。
虽然如此，但是其在数据中心的节能减排方面亦可出一份力。如可将光伏发电与 UPS 系统或高压直流系统蓄电池搭配起来，既可减少为蓄电池充电的电能费用，也可通过该结构将光伏发电输送给末端负载，进一步减少用电费用。
除此之外，风能发电技术亦一早进入人们视野当中。如谷歌公司，其于 2013年在闽台建设运行的数据中心采用了风力发电的方式解决数据中心的供电问题，因此获得“全亚洲环保数据中心”的称号；又如微软公司，于2014年采用风力发电解决芝加哥数据中心的用电问题；其后，Facebook 也宣布将采用风能解决其日后新建数据中心的供电问题。
我国有丰富的风力发电资源，未来，风力发电必定会更好地满足我国的电能需求，将其应用到数据中心亦指日可待。
3 安科瑞列头柜及监测产品介绍
随着数据中心的迅猛发展，数据中心能耗问题也越来越**，可靠的数据中心配电系统方案，是提高数据中心电能使用效率，降低设备能耗的有效方式。
AMC系列数据中心配电系统是针对数据机房末端设计的，能够综合采集所有能源数据的智能系统，为交直流电源配电柜提供准确的电参量信息，并可通过通讯将数据上传到动环监控系统，实现对整个数据机房的实时监控和有效管理，为实现绿色IDC提供可靠保证。     
3.1配电管理解决方案
3.1.1交流系统
1）功能要求：
遥测：输入分路的三相电压、三相电流、有功功率、有功电度；输出分路的单相电压、单相电流、有功功率、有功电度；
遥信：输入分路的过压/欠压，缺相,过流，输入分路和输出分路的开关状态,具备电流、功率需用量分析和统计，实现电压、电流、功率等参数的越限报警功能。
2）配置方案-示意图
配置方案 
多功能仪表       PZ72L-E4
电流互感器       AKH-0.66-30I-XXA/5A
3.1.2直流系统
1) 功能要求
遥测：输入分路的电压、电流、功率、电度；
遥信：输入分路的过压/欠压，输入分路的熔丝状态,具备电流、功率需用量分析和统计，实现电压、电流、功率等参数的越限功能。
2)配置方案-示意图
配置方案
多功能仪表          PZ72L-DE
霍尔传感器          AHKC-F-  XXA/5V
开关电源            SBD-30  （48V）
3.2产品规格
说明：■为标配功能。
3.3配套附件
4 安科瑞母线槽监测产品介绍
4.1 概述
数据中心小母线系统是数据中心末端母线供配电系统的俗称。近年来，随着数据中心建设的快速发展和更高需求，智能小母线系统逐渐被应用于机房的末端配电中，具有电流小、插接方便、智能化程度高等特点，即插式插接箱给各个机柜内的PDU分配电。始端箱和插接箱内可设置监测模块，将数据上传至动环监控中心。
4.2  AMB智能小母线管理系统
1）交流系统功能：
遥测：三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电能、无功电能、电缆温度，系统频率、零序电流、零地电压、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电压/电流谐波含量、电流/功率；
遥信：过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、过频率、欠频率越限、零地电压、零线电流、温/湿度告警，开关状态、开关跳闸；    
2）直流系统功能：
遥测：电压、电流、功率、电能、电缆温度、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电流/功率；
遥信：过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、温/湿度告警，开关状态、开关跳闸；                             
4.3 产品介绍
说明：■为标配功能。
5.结束语 
文章对数据中心在供配电系统的损耗进行了详细分析，指出可进行节能减排的地方，并介绍相关节能技术及应用案例。从中可看出，数据中心的供配电系统节能研究不可忽视，其可实现的节能减排效果不可小觑。
参考文献： 
【1】 李芃 ,杨元强 ,朱彤.数据中心采用余热制冷的可行性分析[J].洁净与空调技术,2016(4):1-5.
【2】邓建威.数据中心供配电系统节能技术探讨.
【3】安科瑞数据中心IDC配电监控解决方案.2020.03版.
【4】安科瑞企业微电网设计应用手册.2020.06版.

安科瑞电气股份有限公司专注于多用户计量表,多回路电能表等

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