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淺談數(shù)據(jù)中心IDC配電系統(tǒng)能源管理措施

更新時(shí)間:2023-11-02 點(diǎn)擊次數(shù): 392次

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要:本文通過將數(shù)據(jù)中心作為主要研究對象,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,對數(shù)據(jù)中心IDC配電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行簡要分析。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)并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),首先需要對UPS設(shè)備的設(shè)計(jì)選用進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。通過結(jié)合當(dāng)前某數(shù)據(jù)中心安裝的上百臺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%。而通過結(jié)合其他相關(guān)研究資料,也有學(xué)者指出當(dāng)前我國大多數(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。因此從理論上來說,通過對當(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)備的用電量相對較大,該設(shè)備輸入功率因數(shù)對整個(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,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)測試可知其實(shí)際值cosφ為0.98,此時(shí)對應(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), 則可以通過嚴(yán)格按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對電容補(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UPS設(shè)備輸出功率[1]。但本文在對當(dāng)前市面中常見的集中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)并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中,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UPS設(shè)備總?cè)萘?。在UPS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)故障的問題。如果數(shù)據(jù)中心的規(guī)模相對較大,但擁有的單電源設(shè)備相對較少,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,均不會對雙電源負(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

在對數(shù)據(jù)中心IDC機(jī)房進(jìn)行能源管理的過程中,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)柜門的機(jī)柜,則需要保障其開孔率至少為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、20臺和25臺經(jīng)過上述方式優(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68萬度、91萬度以及137萬度[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)積極對機(jī)房進(jìn)行開窗通風(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)測管理系統(tǒng),對建筑各類耗能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量,對采集數(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。

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

② 排碳數(shù)據(jù)化:通過系統(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)域能耗對比,方便節(jié)能數(shù)據(jù)分析;

⑤ 能耗評估管理: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 能耗競爭排名:各個(gè)功能區(qū)能耗對比,實(shí)現(xiàn)能耗排名,增強(qiáng)工作人員的節(jié)能意識;

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

⑧ 能耗數(shù)據(jù)采集,隨時(shí)查詢,并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,監(jiān)測異常能源用量,對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)

應(yīng)用場景

型號

圖 片

保護(hù)功能

能耗管理云平臺

AcrelCloud-5000

采用泛在物聯(lián)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)通訊、智能傳感等技術(shù)手段可為用戶提供能源數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)分析、能效分析、用能預(yù)警、設(shè)備管理等服務(wù),平臺可以廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。

智能網(wǎng)關(guān)

Anet系列網(wǎng)管

采用嵌入式硬件計(jì)算機(jī)平臺,具有多個(gè)下行通信接口及一個(gè)或者多個(gè)上行網(wǎng)絡(luò)接口,作為信息采集系統(tǒng)中采集終端與平臺系統(tǒng)間的橋梁,能夠根據(jù)不同的采集規(guī)約進(jìn)行水表、氣表、電表、微機(jī)保護(hù)等設(shè)備終端的數(shù)據(jù)采集匯總,并使用相應(yīng)的規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)給平臺系統(tǒng)。

高壓重要回路或低壓進(jìn)線柜

APM810

具有全電量測量,電能統(tǒng)計(jì),電能質(zhì)量分析及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能,主要用于對電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控診斷及電能管理。該系列儀表采用了模塊化設(shè)計(jì),當(dāng)客戶需要增加開關(guān)量輸入輸出,模擬量輸入輸出,SD卡記錄,以太網(wǎng)通訊時(shí),只需在背部插入對應(yīng)模塊即可。

APM520

三相全電量測量,2-63次諧波,不平衡度,*大需量,支持付費(fèi)率,越限報(bào)警,SOE,4-20mA輸出。

低壓聯(lián)絡(luò)柜、
出線柜

AEM96

三相多功能電能表,均集成三相電力參數(shù)測量及電能計(jì)量及考核管理,提供上 24 時(shí)、上 31 日以及上 12 月的電能數(shù)據(jù)統(tǒng) 計(jì)。具有 63 次分次諧波與總諧波含量檢測,帶有開關(guān)量輸入和繼電器輸出可實(shí)現(xiàn)“遙信" 和“遙控"功能,并具備報(bào)警輸出,可廣泛應(yīng)用于多種控制系統(tǒng),SCADA 系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)中。

動(dòng)力柜

ACR120EL

測量所有的常用電力參數(shù),如三相電流、電壓,有功、無功功率,電度,諧波等,并具備完善的通信聯(lián)網(wǎng)功能,非常適合于實(shí)時(shí)電力監(jiān)控系統(tǒng)。

DTSD1352

DIN35mm導(dǎo)軌式安裝結(jié)構(gòu),體積小巧,能測量電能及其他電參量,可進(jìn)行時(shí)鐘、費(fèi)率時(shí)段等參數(shù)設(shè)置,精度高、可靠性好、性能指標(biāo)符合國標(biāo)GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T614-2007對電能表的各項(xiàng)技術(shù)要求,并且具有電能脈沖輸出功能;可用RS485通訊接口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

AEW100

三相全電量測量,剩余電流、2-63次諧波,支持付費(fèi)率,量值、電纜溫度,可選2G/4G通訊。

5結(jié)束語

總而言之,工作人員在對數(shù)據(jù)中心IDC配電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中,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)測與基地工程建設(shè)方案研究[D].長安大學(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2022.5版

作者簡介:劉細(xì)鳳,女,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

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