综合能效管理系统为数据中心配电管理能耗

吴文慧 2023-10-19 525

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摘要：2022年11月1日，国家标准《数据中心能效限定值及能效等级》在全国范围内强制实施。国家对数据中心能耗总量和能耗强度考核指标越来越严格，新建数据中心PUE指标要求提升至1.3以内。数据中心节能降耗压力迫在眉睫，供配电系统作为数据中心的动力心脏，如何实现供配电系统稳定、可靠、安全、经济、节能、低碳成为数据中心领域关注点。

关键词：数据中心、数据中心能耗、数据中心节能、PUE

1、供配电系统是数据中心的“心脏”

供配电系统是数据中心正常运行的基础，需要把“能量”输送到数据中心的每个角落，包括空调、网络设备、服务器、控制设备、加湿系统、照明等，供配电设备的传输损耗也是能耗中的一部分。我们知道，电费是数据中心运营的主要成本，占到数据中心总运营成本一半以上，因此有效的电力节能是绿色数据中心的关键所在。如何更大限度应用绿色可再生能源是数据中心“减压”的重要方式。

2、绿色电力助力数据中心节能减排

“双碳”政策以来，各地鼓励引导数据中心应用可再生能源及清洁能源，从供电侧实现绿色低碳，其中“绿电”可以通过自建自用、直采绿电或者购买绿证的方式获得。

2021年9月，我国启动全国绿色电力交易试点，多家数据中心企业，如万国数据、秦准数据、腾讯，均参与并完成了较大体量的绿电市场交易采购；同时，数据中心企业也可以自投电站，主要分为分布式电站与集中式电站。例如，在数据中心屋顶安装分布式光伏电站，满足机房照明用电等需求，作为峰值电力补充的手段。目前已有企业试行，万国上海三号数据中心设计规划了太阳能墙，腾讯清远清新云计算数据中心在厂房屋顶安装光伏组件。除此之外，未来数据中心企业也可以投资大型风电、集中式光伏项目，把光伏或风电作为主要电力来源，自发自用，余电上网。

数据中心作为高耗电行业，不管应用什么电，能耗是不变的，数据中心企业应该在保证数据中心应用清洁能源的同时，考虑多种能源协同组合，提高供能系统的能效是关键。从目前的情况来看，数据中心节能新技术应用层出不穷，供配电系统模块化趋势明显。

3、模块化供配电系统成为趋势

数据显示，供配电系统是占数据中心总能耗约10%，其中UPS供电系统约占总功耗的5%，UPS输人供电系统约占总功耗的1%，UPS供电设备节能首当其冲。

UPS可以分为工频塔式、高频塔式、高频模块化等形式。从技术发展路径来看，高频技术在效率、成本、谐波、占地等各方面均优于工频，高频技术全面取代工频技术成为趋势。

在高频技术之下，模块化和传统塔式两种形式不相上下。模块化UPS在运维、安装维护、后期扩容方面具有优势，被许多数据中心服务商和行业用户广泛应用。业内也有不同的声音，认为多个模块并机存在风险，可靠性值得考虑。从传统塔式与模块化的可靠性对比来看，两者旗鼓相当，模块化甚至更优。从近年新上市的UPS来看，大部分都采用了模块化架构，可见，模块化UPS是交流UPS的发展方向。

除了供电系统节能，配电系统节能也不容易忽视。供电系统模块化趋势需要和配电系统融合，比如：微模块UPS、变压器UPS融合、智能配电母线等等，使供配电系统成为一个整体，实现数据中心配电系统按需运行，智能运维、灵活部署；有利于加大限度降低配电系统电缆传输损耗，降低运维成本，满足不同级别数据中心机房需求。

过去10年，供配电系统创新的焦点是电源形式，除UPS之外，还出现了供电框架的创新，由于HVDC简化交流UPS变换环节，无需逆变器，串联部件少，理论故障点减少，效率提高。

4、高压直流（HVDC）被服务商及用户认可

供电系统架构影响数据中心供电系统能效水平，当前大型数据中心供配电架构常见有三种：2N系统、一路市电直供+一路UPS/HVDC和DR(N=3)系统。以上三种供配电架构的供电效率分别为93.1%、97%和94.1%。供电框架逐渐由传统的2N系统向能效更高的系统框架转变。

2N系统因其运维简单，可靠性高，被行业广泛采用，是数据中心供配电主流解决方案。一路市电直供十一路UPS/HVDC的供配电架构供电能效更高，近年逐渐被市场接受。按照功能组成，供配电系统主要由10kV配电、柴油发电机组、变压器、低压配电、UPS电源及其配电、电池、列头柜等部分组成，其基本原理如下图所示。

5、高压直流会代传统UPS供电吗

上面我们讲了HVDC在数据中心应用优势明显，那它能取代UPS吗？答案是“不能”。首先，从供电结构上来看，直流传输的损耗较大，因此传输范围有限，在远距离的供电环境，直流不可能取代交流。其次，一路HVDC+一路市电直供不属于容错架构，在HVDC检修时候，市电直供侧没有电池备电，市电闪断导致服务岩机事件已经多次发生，所以一部分用户已经放弃一路HVDC+一路市电的架构，重新回到2N的容错系统。随着主流UPS厂商在研发的不断投入，UPS的效率在不断提升，价格不断下降，HVDC在效率、成本方面优势在减弱，此外有些服务器并不兼容HVDC电源制式，也影响了HVDC的应用扩展。UPS、HVDC等电源的创新只是部件层面的，对供电链路影响有限，未来一定是供电链路端到端的创新，随着第三代半导体技术的成熟，碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用，10kV级的电力电子电源成为可能，铜质变压器被电力电子变压器取代，供电链路更节能。

供配电系统作为数据中心正常运行的电力保障，任何细微的故障都会影响数据中心的稳定运营。随着技术的发展，数据中心供配电系统节能方式层出不穷，哪些节能方式将成为主流呢？需要时间检验。

6、安科瑞数据中心综合解决方案

6.1 AcrelEMS-IDC综合能效管理系统

整体概况

展示当前数据中心总能耗，IT能耗，空调能耗，及其他能耗并且计算出当前数据中心实时PUE值，通过仪表盘形式直观展示。

配电监测

可选择查看数据中心的中低压配电系统主接线图，并在一次图显示配电系统当前遥测、遥信数据和状态。

电气节点温度监测

无线测温传感器主要用于监测断路器触头、触臂、母排和线缆连接处温度，便于提前发现温度异常导致的事故。

变压器监测

监测各变压器各项参数，包括负载率、频率、功率因数、三相不平衡度等，并且显示历时曲线图，数据实时变化。帮助用户直观监测各变压器运行状态。

电能质量监测

可以监测特定回路电流、电压2~31次谐波畸变率和总谐波畸变率，通过曲线方式显示。

UPS监测

系统采集UPS输入、输出端和旁路三相电压、电流、有功功率、功率因数频率，同时监测UPS温度、蓄电池电压、当前负载下的剩余时间等数据。

电池监测

数据中心UPS储能用的蓄电池比较多，展示每块电池电压、内阻、内阻变化率和电池温度，预测电池带载时剩余时间，每个数据均可以设置异常报警，及时发现蓄电池异常。

列头柜监测

系统可以展示列头柜内进线和馈线回路电气参数，包括电流电压功率电能以及开关状态，并可以对数据进行报警设置和分级，数据取自列头柜测量模块。

母线槽监测

数据中心由于列头配电柜数量多，占用空间较大，为了节省面积，智能小母线方案由于不占用机房面积受到很多数据中心的青睐，被越来越多的应用。

能源分布

通过平面图显示数据中心能源分布，平面图显示数据中心设备分布情况，并显示设备能耗数据，通过点击平面图上设备可以进入具体设备监控界面。

能效监测

能效看板实时显示当前数据中心PUE值以及历史PUE曲线。

并且显示各分项用能的用能情况及用能排行。监测各变压器运行及负载情况，给出本月变压器输出电能排行。

电能报表及分析

显示电能消耗日/月/年报表，并可对具体回路选择曲线图、饼图进行展示。对数据中心用电数据进行同比、环比分析比较，查看用电趋势。

空调监测

系统可监测空调的回风温湿度，出回水温度，并可以设定空调的温湿度，达到更好的控制效果。

环境监测

监测数据中心温湿度、开关门、水浸、烟雾、噪声、气体浓度状态等参数。曲线图直观明了，同时支持历史数据查询。

事件报警

报警事件分为四级：预警、一般、重要和紧急报警，避免漏掉重要报警信息。通过列表显示各类报警事件数量，通过柱状图显示逐日报警数量，提供报警总数以及增长趋势。

6.2 选型配置

名称	图片	型号	功能
数据中心综合能效管理系统		AcrelEMS-IDC	监测数据中心配电、能耗、电气安全、电能质量、空调、环境温湿度等情况，通过系统平台集中监控管理
智能网关		ANet-2E8S1	2路网口，8路RS485，上行以太网通讯，支持断点续传功能。
始端箱监控模块		AMB100-A	三相全电参量测量、谐波测量、1路漏电流、8路温度、1路湿度、RS485通讯
插接箱监控模块		AMB110-A	三相全电参量测量、谐波测量、1路漏电流、8路温度、1路湿度、RS485通讯
物联网电表		ADW300-4G	三相全电参量、电流总谐波及2-31次分谐波，当月和上月的电压电流、功率极值记录、需量、4G通讯
电能计量终端		DTSD1352	三相全电参量测量、正反向有功无功电能、红外通讯
低压母线测温装置		AMB200-LR	实时监测4/8路温度、红外通讯预警及报警功能、显示功能，LORA通讯。
数据采集器		AMB300	二总线通讯、RS485通讯至监控系统或触摸屏，至多可连接 200台采集监控模块。
红外母线测温装置		AMB300	实时在线监测单个大范围阵列温度，二总线通讯。
触摸屏		ATPO10kt	实时采集并显示母线槽电参量、开关状态等数据并上传后台。可设置报警的闻值以及记录报警事件。
列头柜		ANDPF	电源分配列柜。为1T机柜提供网络布线传输服务和配电管理。分为交流和直流列头柜两类.
主路进线监测模块		AMC100-ZA	用于列头柜内进线回路的电参量、开关状态、温温度等数据采集。
支路出线监测模块		AMC100-FAK30	用于列头柜内出线国路的电参量、开关状态、温度等数据采集。
微型电流互感器		AKH-0.66-W	用于列头柜进出线国路电流采集。