宋兵兵
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要：近年來，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能技術(shù)逐漸成為行業(yè)的熱門研究方向。文章對數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，指出目前數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的損耗，并提出可應(yīng)用數(shù)據(jù)中心的節(jié)能新技術(shù)、新方法，為新建、改建或擴(kuò)建數(shù)據(jù)中心提供參考。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；供配電系統(tǒng)；節(jié)能技術(shù)
數(shù)據(jù)中心經(jīng)過前幾年的建設(shè),其問題開始逐漸浮現(xiàn)，首當(dāng)其沖的是其耗能問題。從 2018 年開始，國家及各地市出臺了相關(guān)政策來規(guī)范數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)營。相關(guān)政策的出臺，使得綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心建設(shè)成為熱點(diǎn)話題。
根據(jù)李芃等的分析，數(shù)據(jù)中心的能耗主要由三部分組成，一是IT設(shè)備的能耗，二是暖通設(shè)備的能耗，三是電源設(shè)備的能耗。這三部分中，IT設(shè)備的能耗占數(shù)據(jù)中心總能耗較多，約為 50%，其次是暖通設(shè)備的能耗，占30%～40%，而電源設(shè)備的能耗約占10%，因此目前大多數(shù)的節(jié)能技術(shù)研究均聚集于暖通系統(tǒng)。然而，供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的重要支撐基礎(chǔ)，供配電系統(tǒng)的節(jié)能研究同等重要。
1 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)損耗組成
目前，供配電系統(tǒng)的節(jié)能研究主要集中在如何降低電能損耗的問題上，其中，變壓器損耗、UPS系統(tǒng)損耗和電纜線纜的損耗是供配電系統(tǒng)的三大損耗。
1.1 變壓器損耗
變壓器是一個非線性元件，其損耗由空載損耗、短路損耗和雜散損耗三部分構(gòu)成，這三部分受多種因素影響，因此要準(zhǔn)確計算其損耗是一個非常復(fù)雜的問題。
盡管如此，仍有學(xué)者不斷進(jìn)行深入探索，如周先哲等的變壓器損耗計算方法的研究，通過對多種計算方法的計算結(jié)果進(jìn)行比較，總結(jié)適用于電網(wǎng)變壓器大范圍計算變壓器年損耗的方法。多年的研究和實(shí)踐表明，變壓器的損耗可占其額定容量的 5% ～ 6%，存在較大的可節(jié)約空間。
1.2 UPS 系統(tǒng)損耗
據(jù)高凱亮等 [3] 的研究，UPS 系統(tǒng)的損耗可大體分為三部分，即空載損耗、比例損耗、平方律損耗。大量研究和實(shí)踐表明，降低 UPS 損耗的有效方式是使之運(yùn)行在一個較高的效率上，而效率又與其負(fù)載率具有非常強(qiáng)的非線性關(guān)系。同時，UPS 系統(tǒng)還有其后備電池的充電能耗，如圖 1 所示。
圖 1 UPS 系統(tǒng)負(fù)載率與系統(tǒng)效率的關(guān)系曲線圖
1.3 電纜線損
據(jù)統(tǒng)計，一個大型數(shù)據(jù)中心的電力電纜用量巨大，投入運(yùn)營后，其線損損耗也不可忽略。
電纜的線損除了與電纜的長度相關(guān)，還與諧波有關(guān)，如李瓊林等 [4] 針對諧波對電力電纜損耗的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，指出電力電纜由諧波引起的損耗與諧波次數(shù)和諧波含有率相關(guān)。除此以外，電力電纜的集膚效應(yīng)和電力電纜與管道中的臨近效應(yīng)也會對電力電纜的損耗產(chǎn)生影響。
2 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用
2.1 采用高壓直流系統(tǒng)替代 UPS 系統(tǒng)
20 世紀(jì) 90 年代末，高壓直流電源系統(tǒng)問世。通過多年研究和實(shí)踐，高壓直流電源系統(tǒng)開始被應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心，如圖 2 所示。其所取得效果優(yōu)于 UPS 系統(tǒng)，如高凱亮等的研究表明高壓直流電源系統(tǒng)無論是在何種的負(fù)載率下，其系統(tǒng)效率均優(yōu)于 UPS 系統(tǒng)，因此目前高壓直流電源系統(tǒng)正逐漸開始取代UP系統(tǒng)，成 為數(shù)據(jù)中心中保障服務(wù)器供電電源設(shè)備。
2.2 智能母線在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用
前期的數(shù)據(jù)中心均采用電力電纜完成末端配電系統(tǒng)的建設(shè)。然而，隨著數(shù)據(jù)中心的規(guī)模越來越大，若繼續(xù)沿用這種末端配電方案，不僅會造成電能在電力電纜上的損耗過大，而且會存在后期運(yùn)營維護(hù)困難、系統(tǒng)可擴(kuò)展性差等問題。
智能母線便是為解決以上問題而問世，如圖 3 所示。這種智能母線可很好解決機(jī)房內(nèi)綜合布線的問題，在經(jīng)濟(jì)性 和適用性上都比傳統(tǒng)電力電纜方案優(yōu)異 得多。智能母線具有安全可靠、安裝便 捷、維護(hù)方便、靈活擴(kuò)容等特點(diǎn)。
圖 3 數(shù)據(jù)中心的智能母線配電方案
2.3 三聯(lián)供系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用
三聯(lián)供系統(tǒng)指的是數(shù)據(jù)中心的冷、熱、電等能源需求均取自同一個獨(dú)立的能源站，冷量和熱量的需求不再通過電能的二次應(yīng)用而得到滿足。與常規(guī)的能源供給方案相比，三聯(lián)供系統(tǒng)同樣會有市電接入，但是市電不再是數(shù)據(jù)中心主供電源，而是變成了備供電源；同時，數(shù)據(jù)中心可通過評估能源站能源供給的可靠性程度高低及自身的需求，酌情削減柴油發(fā)電機(jī)組的建設(shè)，騰出更多的空間用于機(jī)柜建設(shè)，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的空間布局，如圖 4 所示
圖 4 典型天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)示意圖
目前，我國應(yīng)用三聯(lián)供系統(tǒng)的案例不在少數(shù)，不僅在數(shù)據(jù)中心有相應(yīng)的案例，在其他行業(yè)亦有應(yīng)用的案例。如中石油科技創(chuàng)新基地大數(shù)據(jù)能源中心，它是我國采用冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心；又如青島世界園藝博覽會園區(qū)，采用三聯(lián)供系統(tǒng)可節(jié)省配電站投資約 2000 萬元。由此可見，三聯(lián)供系統(tǒng)的技術(shù)已相當(dāng)成熟，各行各業(yè)也有應(yīng)用案例可供參考，未來以此滿足大型和超大型數(shù)據(jù)中心的能源需求亦未嘗不可。
2.4 新能源技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用
改變數(shù)據(jù)中心的能源供給結(jié)構(gòu)，還可以通過應(yīng)用新能源技術(shù)實(shí)現(xiàn)。如伍康文等提出全太陽能數(shù)據(jù)中心整體建設(shè)技術(shù)方案，該方案以光伏發(fā)電為主供電源，可滿足中小型數(shù)據(jù)中心的能源需求。然而，光伏發(fā)電受光照強(qiáng)度、溫度等環(huán)境因素影響較大，無法滿足大型和超大型數(shù)據(jù)中心的能源需求。
雖然如此，但是其在數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排方面亦可出一份力。如可將光伏發(fā)電與 UPS 系統(tǒng)或高壓直流系統(tǒng)蓄電池搭配起來，既可減少為蓄電池充電的電能費(fèi)用，也可通過該結(jié)構(gòu)將光伏發(fā)電輸送給末端負(fù)載，進(jìn)一步減少用電費(fèi)用。
除此之外，風(fēng)能發(fā)電技術(shù)亦一早進(jìn)入人們視野當(dāng)中。如谷歌公司，其于 2013年在臺灣建設(shè)運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心采用了風(fēng)力發(fā)電的方式解決數(shù)據(jù)中心的供電問題，因此獲得“全亞洲環(huán)保數(shù)據(jù)中心”的稱號；又如微軟公司，于2014年采用風(fēng)力發(fā)電解決芝加哥數(shù)據(jù)中心的用電問題；其后， 也宣布將采用風(fēng)能解決其日后新建數(shù)據(jù)中心的供電問題。
我國有豐富的風(fēng)力發(fā)電資源，未來，風(fēng)力發(fā)電必定會更好地滿足我國的電能需求，將其應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心亦指日可待。
3 安科瑞列頭柜及監(jiān)測產(chǎn)品介紹
隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心能耗問題也越來越突出，可靠的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案，是提高數(shù)據(jù)中心電能使用效率，降低設(shè)備能耗的有效方式。
AMC系列數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機(jī)房末端設(shè)計的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供準(zhǔn)確的電參量信息，并可通過通訊將數(shù)據(jù)上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機(jī)房的實(shí)時監(jiān)控和有效管理，為實(shí)現(xiàn)綠色I(xiàn)DC提供可靠保證。
3.1配電管理解決方案
3.1.1交流系統(tǒng)
1）功能要求：
遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關(guān)狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報警功能。
2）配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀表 PZ72L-E4
電流互感器 AKH-0.66-30I-XXA/5A
3.1.2直流系統(tǒng)
1) 功能要求
遙測：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限功能。
2)配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀表 PZ72L-DE
霍爾傳感器 AHKC-F- XXA/5V
開關(guān)電源 SBD-30 （48V）
3.2產(chǎn)品規(guī)格
說明：■為標(biāo)配功能。
3.3配套附件
4 安科瑞母線槽監(jiān)測產(chǎn)品介紹
4.1 概述
數(shù)據(jù)中心小母線系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱。近年來，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的快速發(fā)展和更高需求，智能小母線系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于機(jī)房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點(diǎn)，即插式插接箱給各個機(jī)柜內(nèi)的PDU分配電。始端箱和插接箱內(nèi)可設(shè)置監(jiān)測模塊，將數(shù)據(jù)上傳至動環(huán)監(jiān)控中心。
4.2 AMB智能小母線管理系統(tǒng)
1）交流系統(tǒng)功能：
遙測：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統(tǒng)頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電壓/電流諧波含量、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘；
2）直流系統(tǒng)功能：
遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘；
4.3 產(chǎn)品介紹
說明：■為標(biāo)配功能。
5.結(jié)束語
文章對數(shù)據(jù)中心在供配電系統(tǒng)的損耗進(jìn)行了詳細(xì)分析，指出可進(jìn)行節(jié)能減排的地方，并介紹相關(guān)節(jié)能技術(shù)及應(yīng)用案例。從中可看出，數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)節(jié)能研究不可忽視，其可實(shí)現(xiàn)的節(jié)能減排效果不可小覷。
參考文獻(xiàn)：
【1】 李芃 ,楊元強(qiáng) ,朱彤.數(shù)據(jù)中心采用余熱制冷的可行性分析[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2016(4):1-5.
【2】鄧建威.數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探討.
【3】安科瑞數(shù)據(jù)中心IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版.
【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計應(yīng)用手冊.2020.06版.
作者簡介：
宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)榻^緣監(jiān)測及剩余電流監(jiān)測， QQ：3007723194 手機(jī)：13482141563（微信同號）