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        綜合能效管理系統為數據中心配電管理能耗

         發布時間:2023-09-21 點擊量:86

        安科瑞 耿敏花

        摘要:2022年11月1日,國家標準《數據中心能效限定值及能效等級》在全國范圍內強制實施。國家對數據中心能耗總量和能耗強度考核指標越來越嚴格,新建數據中心PUE指標要求提升至1.3以內。數據中心節能降耗壓力迫在眉睫,供配電系統作為數據中心的動力心臟,如何實現供配電系統穩定、可靠、安全、經濟、節能、低碳成為數據中心領域關注點。

        關鍵詞:數據中心、數據中心能耗、數據中心節能、PUE

        1、供配電系統是數據中心的“心臟"

        供配電系統是數據中心正常運行的基礎,需要把“能量"輸送到數據中心的每個角落,包括空調、網絡設備、服務器、控制設備、加濕系統、照明等,供配電設備的傳輸損耗也是能耗中的一部分。我們知道,電費是數據中心運營的主要成本,占到數據中心總運營成本一半以上,因此有效的電力節能是綠色數據中心的關鍵所在。如何更大限度應用綠色可再生能源是數據中心“減壓"的重要方式。

        2、綠色電力助力數據中心節能減排

        “雙碳"政策以來,各地鼓勵引導數據中心應用可再生能源及清潔能源,從供電側實現綠色低碳,其中“綠電"可以通過自建自用、直采綠電或者購買綠證的方式獲得。

        2021年9月,我國啟動全國綠色電力交易試點,多家數據中心企業,如萬國數據、秦準數據、騰訊,均參與并完成了較大體量的綠電市場交易采購;同時,數據中心企業也可以自投電站,主要分為分布式電站與集中式電站。例如,在數據中心屋頂安裝分布式光伏電站,滿足機房照明用電等需求,作為峰值電力補充的手段。目前已有企業試行,萬國上海三號數據中心設計規劃了太陽能墻,騰訊清遠清新云計算數據中心在廠房屋頂安裝光伏組件。除此之外,未來數據中心企業也可以投資大型風電、集中式光伏項目,把光伏或風電作為主要電力來源,自發自用,余電上網。

        數據中心作為高耗電行業,不管應用什么電,能耗是不變的,數據中心企業應該在保證數據中心應用清潔能源的同時,考慮多種能源協同組合,提高供能系統的能效是關鍵。從目前的情況來看,數據中心節能新技術應用層出不窮,供配電系統模塊化趨勢明顯。

        3、模塊化供配電系統成為趨勢

        數據顯示,供配電系統是占數據中心總能耗約10%,其中UPS供電系統約占總功耗的5%,UPS輸人供電系統約占總功耗的1%。

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        UPS可以分為工頻塔式、高頻塔式、高頻模塊化等形式。從技術發展路徑來看,高頻技術在效率、成本、諧波、占地等各方面均優于工頻,高頻技術全面取代工頻技術成為趨勢。

        在高頻技術之下,模塊化和傳統塔式兩種形式不相上下。模塊化UPS在運維、安裝維護、后期擴容方面具有優勢,被許多數據中心服務商和行業用戶廣泛應用。業內也有不同的聲音,認為多個模塊并機存在風險,可靠性值得考慮。從傳統塔式與模塊化的可靠性對比來看,兩者旗鼓相當,模塊化甚至更優。從近年新上市的UPS來看,大部分都采用了模塊化架構,可見,模塊化UPS是交流UPS的發展方向。

        除了供電系統節能,配電系統節能也不容易忽視。供電系統模塊化趨勢需要和配電系統融合,比如:微模塊UPS、變壓器UPS融合、智能配電母線等等,使供配電系統成為一個整體,實現數據中心配電系統按需運行,智能運維、靈活部署;有利于加大限度降低配電系統電纜傳輸損耗,降低運維成本,滿足不同級別數據中心機房需求。

        過去10年,供配電系統創新的焦點是電源形式,除UPS之外,還出現了供電框架的創新,由于HVDC簡化交流UPS變換環節,無需逆變器,串聯部件少,理論故障點減少,效率提高。

        4、高壓直流(HVDC)被服務商及用戶認可

        供電系統架構影響數據中心供電系統能效水平,當前大型數據中心供配電架構常見有三種:2N系統、一路市電直供+一路UPS/HVDC和DR(N=3)系統。以上三種供配電架構的供電效率分別為93.1%、97%和94.1%。供電框架逐漸由傳統的2N系統向能效更高的系統框架轉變。

        2N系統因其運維簡單,可靠性高,被行業廣泛采用,是數據中心供配電主流解決方案。一路市電直供十一路UPS/HVDC的供配電架構供電能效更高,近年逐漸被市場接受。 按照功能組成,供配電系統主要由10kV配電、柴油發電機組、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。

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        5、高壓直流會代傳統UPS供電嗎

        上面我們講了HVDC在數據中心應用優勢明顯,那它能取代UPS嗎?答案是“不能"。 首先,從供電結構上來看,直流傳輸的損耗較大,因此傳輸范圍有限,在遠距離的供電環境,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架構,在HVDC檢修時候,市電直供側沒有電池備電,市電閃斷導致服務巖機事件已經多次發生,所以一部分用戶已經放棄一路HVDC+一路市電的架構,重新回到2N的容錯系統。隨著主流UPS廠商在研發的不斷投入,UPS的效率在不斷提升,價格不斷下降,HVDC在效率、成本方面優勢在減弱,此外有些服務器并不兼容HVDC電源制式,也影響了HVDC的應用擴展。UPS、HVDC等電源的創新只是部件層面的,對供電鏈路影響有限,未來一定是供電鏈路端到端的創新,隨著第三代半導體技術的成熟,碳化硅器件已經在中低壓配電網開始了應用,10kV級的電力電子電源成為可能,銅質變壓器被電力電子變壓器取代,供電鏈路更節能。

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        供配電系統作為數據中心正常運行的電力保障,任何細微的故障都會影響數據中心的穩定運營。隨著技術的發展,數據中心供配電系統節能方式層出不窮,哪些節能方式將成為主流呢?需要時間檢驗。

        6、安科瑞數據中心綜合解決方案

        6.1 AcrelEMS-IDC綜合能效管理系統

        整體概況

        展示當前數據中心總能耗,IT能耗,空調能耗,及其他能耗并且計算出當前數據中心實時PUE值,通過儀表盤形式直觀展示。

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        配電監測

        可選擇查看數據中心的中低壓配電系統主接線圖,并在一次圖顯示配電系統當前遙測、遙信數據和狀態。

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        電氣節點溫度監測

        無線測溫傳感器主要用于監測斷路器觸頭、觸臂、母排和線纜連接處溫度,便于提前發現溫度異常導致的事故。

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        變壓器監測

        監測各變壓器各項參數,包括負載率、頻率、功率因數、三相不平衡度等,并且顯示歷時曲線圖,數據實時變化。幫助用戶直觀監測各變壓器運行狀態。

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        電能質量監測

        可以監測特定回路電流、電壓2~31次諧波畸變率和總諧波畸變率,通過曲線方式顯示。

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        UPS監測

        系統采集UPS輸入、輸出端和旁路三相電壓、電流、有功功率、功率因數頻率,同時監測UPS溫度、蓄電池電壓、當前負載下的剩余時間等數據。

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        電池監測

        數據中心UPS儲能用的蓄電池比較多,展示每塊電池電壓、內阻、內阻變化率和電池溫度,預測電池帶載時剩余時間,每個數據均可以設置異常報警,及時發現蓄電池異常。

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        列頭柜監測

        系統可以展示列頭柜內進線和饋線回路電氣參數,包括電流電壓功率電能以及開關狀態,并可以對數據進行報警設置和分級,數據取自列頭柜測量模塊。

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        母線槽監測

        數據中心由于列頭配電柜數量多,占用空間較大,為了節省面積,智能小母線方案由于不占用機房面積受到很多數據中心的青睞,被越來越多的應用。

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        能源分布

        通過平面圖顯示數據中心能源分布,平面圖顯示數據中心設備分布情況,并顯示設備能耗數據,通過點擊平面圖上設備可以進入具體設備監控界面。

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        能效監測

        能效看板實時顯示當前數據中心PUE值以及歷史PUE曲線。

        并且顯示各分項用能的用能情況及用能排行。監測各變壓器運行及負載情況,給出本月變壓器輸出電能排行。

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        電能報表及分析

        顯示電能消耗日/月/年報表,并可對具體回路選擇曲線圖、餅圖進行展示。對數據中心用電數據進行同比、環比分析比較,查看用電趨勢。

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        空調監測

        系統可監測空調的回風溫濕度,出回水溫度,并可以設定空調的溫濕度,達到更好的控制效果。

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        環境監測

        監測數據中心溫濕度、開關門、水浸、煙霧、噪聲、氣體濃度狀態等參數。曲線圖直觀明了,同時支持歷史數據查詢。

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        事件報警

        報警事件分為四級:預警、一般、重要和緊急報警,避免漏掉重要報警信息。通過列表顯示各類報警事件數量,通過柱狀圖顯示逐日報警數量,提供報警總數以及增長趨勢。

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        6.2 選型配置

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        參考文獻:

        [1]邵文娜.如何給數據中心“心臟"減壓[J].數據中心建設+,2023:82-83

        [2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊,2022.05版.

        [3]數據中心綜合解決方案.2022.02版.


        蘇公網安備 32028102001319號

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