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綜合能效管理系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心配電管理能耗

時間:2023/9/21閱讀:861
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安科瑞 耿敏花

摘要:2022年11月1日,國家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心能效限定值及能效等級》在全國范圍內(nèi)強制實施。國家對數(shù)據(jù)中心能耗總量和能耗強度考核指標(biāo)越來越嚴(yán)格,新建數(shù)據(jù)中心PUE指標(biāo)要求提升至1.3以內(nèi)。數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗壓力迫在眉睫,供配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的動力心臟,如何實現(xiàn)供配電系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、安全、經(jīng)濟、節(jié)能、低碳成為數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域關(guān)注點。

關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)中心能耗、數(shù)據(jù)中心節(jié)能、PUE

1、供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的“心臟"

供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心正常運行的基礎(chǔ),需要把“能量"輸送到數(shù)據(jù)中心的每個角落,包括空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、控制設(shè)備、加濕系統(tǒng)、照明等,供配電設(shè)備的傳輸損耗也是能耗中的一部分。我們知道,電費是數(shù)據(jù)中心運營的主要成本,占到數(shù)據(jù)中心總運營成本一半以上,因此有效的電力節(jié)能是綠色數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵所在。如何更大限度應(yīng)用綠色可再生能源是數(shù)據(jù)中心“減壓"的重要方式。

2、綠色電力助力數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排

“雙碳"政策以來,各地鼓勵引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用可再生能源及清潔能源,從供電側(cè)實現(xiàn)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(shù)據(jù)中心企業(yè),如萬國數(shù)據(jù)、秦準(zhǔn)數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)中心企業(yè)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(shù)據(jù)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(yè)試行,萬國上海三號數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)劃了太陽能墻,騰訊清遠(yuǎn)清新云計算數(shù)據(jù)中心在廠房屋頂安裝光伏組件。除此之外,未來數(shù)據(jù)中心企業(yè)也可以投資大型風(fēng)電、集中式光伏項目,把光伏或風(fēng)電作為主要電力來源,自發(fā)自用,余電上網(wǎng)。

數(shù)據(jù)中心作為高耗電行業(yè),不管應(yīng)用什么電,能耗是不變的,數(shù)據(jù)中心企業(yè)應(yīng)該在保證數(shù)據(jù)中心應(yīng)用清潔能源的同時,考慮多種能源協(xié)同組合,提高供能系統(tǒng)的能效是關(guān)鍵。從目前的情況來看,數(shù)據(jù)中心節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用層出不窮,供配電系統(tǒng)模塊化趨勢明顯。

3、模塊化供配電系統(tǒng)成為趨勢

數(shù)據(jù)顯示,供配電系統(tǒng)是占數(shù)據(jù)中心總能耗約10%,其中UPS供電系統(tǒng)約占總功耗的5%,UPS輸人供電系統(tǒng)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(shù)發(fā)展路徑來看,高頻技術(shù)在效率、成本、諧波、占地等各方面均優(yōu)于工頻,高頻技術(shù)全面取代工頻技術(shù)成為趨勢。

在高頻技術(shù)之下,模塊化和傳統(tǒng)塔式兩種形式不相上下。模塊化UPS在運維、安裝維護(hù)、后期擴容方面具有優(yōu)勢,被許多數(shù)據(jù)中心服務(wù)商和行業(yè)用戶廣泛應(yīng)用。業(yè)內(nèi)也有不同的聲音,認(rèn)為多個模塊并機存在風(fēng)險,可靠性值得考慮。從傳統(tǒng)塔式與模塊化的可靠性對比來看,兩者旗鼓相當(dāng),模塊化甚至更優(yōu)。從近年新上市的UPS來看,大部分都采用了模塊化架構(gòu),可見,模塊化UPS是交流UPS的發(fā)展方向。

除了供電系統(tǒng)節(jié)能,配電系統(tǒng)節(jié)能也不容易忽視。供電系統(tǒng)模塊化趨勢需要和配電系統(tǒng)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(tǒng)成為一個整體,實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)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(tǒng)電纜傳輸損耗,降低運維成本,滿足不同級別數(shù)據(jù)中心機房需求。

過去10年,供配電系統(tǒng)創(chuàng)新的焦點是電源形式,除UPS之外,還出現(xiàn)了供電框架的創(chuàng)新,由于HVDC簡化交流UPS變換環(huán)節(jié),無需逆變器,串聯(lián)部件少,理論故障點減少,效率提高。

4、高壓直流(HVDC)被服務(wù)商及用戶認(rèn)可

供電系統(tǒng)架構(gòu)影響數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)能效水平,當(dāng)前大型數(shù)據(jù)中心供配電架構(gòu)常見有三種:2N系統(tǒng)、一路市電直供+一路UPS/HVDC和DR(N=3)系統(tǒng)。以上三種供配電架構(gòu)的供電效率分別為93.1%、97%和94.1%。供電框架逐漸由傳統(tǒng)的2N系統(tǒng)向能效更高的系統(tǒng)框架轉(zhuǎn)變。

2N系統(tǒng)因其運維簡單,可靠性高,被行業(yè)廣泛采用,是數(shù)據(jù)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(gòu)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(tǒng)主要由10kV配電、柴油發(fā)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(tǒng)UPS供電嗎

上面我們講了HVDC在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用優(yōu)勢明顯,那它能取代UPS嗎?答案是“不能"。 首先,從供電結(jié)構(gòu)上來看,直流傳輸?shù)膿p耗較大,因此傳輸范圍有限,在遠(yuǎn)距離的供電環(huán)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(gòu),在HVDC檢修時候,市電直供側(cè)沒有電池備電,市電閃斷導(dǎo)致服務(wù)巖機事件已經(jīng)多次發(fā)生,所以一部分用戶已經(jīng)放棄一路HVDC+一路市電的架構(gòu),重新回到2N的容錯系統(tǒng)。隨著主流UPS廠商在研發(fā)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(yōu)勢在減弱,此外有些服務(wù)器并不兼容HVDC電源制式,也影響了HVDC的應(yīng)用擴展。UPS、HVDC等電源的創(chuàng)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(chuàng)新,隨著第三代半導(dǎo)體技術(shù)的成熟,碳化硅器件已經(jīng)在中低壓配電網(wǎng)開始了應(yīng)用,10kV級的電力電子電源成為可能,銅質(zhì)變壓器被電力電子變壓器取代,供電鏈路更節(jié)能。

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供配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心正常運行的電力保障,任何細(xì)微的故障都會影響數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運營。隨著技術(shù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)節(jié)能方式層出不窮,哪些節(jié)能方式將成為主流呢?需要時間檢驗。

6、安科瑞數(shù)據(jù)中心綜合解決方案

6.1 AcrelEMS-IDC綜合能效管理系統(tǒng)

整體概況

展示當(dāng)前數(shù)據(jù)中心總能耗,IT能耗,空調(diào)能耗,及其他能耗并且計算出當(dāng)前數(shù)據(jù)中心實時PUE值,通過儀表盤形式直觀展示。

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配電監(jiān)測

可選擇查看數(shù)據(jù)中心的中低壓配電系統(tǒng)主接線圖,并在一次圖顯示配電系統(tǒng)當(dāng)前遙測、遙信數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

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電氣節(jié)點溫度監(jiān)測

無線測溫傳感器主要用于監(jiān)測斷路器觸頭、觸臂、母排和線纜連接處溫度,便于提前發(fā)現(xiàn)溫度異常導(dǎo)致的事故。

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變壓器監(jiān)測

監(jiān)測各變壓器各項參數(shù),包括負(fù)載率、頻率、功率因數(shù)、三相不平衡度等,并且顯示歷時曲線圖,數(shù)據(jù)實時變化。幫助用戶直觀監(jiān)測各變壓器運行狀態(tài)。

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電能質(zhì)量監(jiān)測

可以監(jiān)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(jiān)測

系統(tǒng)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(shù)頻率,同時監(jiān)測UPS溫度、蓄電池電壓、當(dāng)前負(fù)載下的剩余時間等數(shù)據(jù)。

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電池監(jiān)測

數(shù)據(jù)中心UPS儲能用的蓄電池比較多,展示每塊電池電壓、內(nèi)阻、內(nèi)阻變化率和電池溫度,預(yù)測電池帶載時剩余時間,每個數(shù)據(jù)均可以設(shè)置異常報警,及時發(fā)現(xiàn)蓄電池異常。

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列頭柜監(jiān)測

系統(tǒng)可以展示列頭柜內(nèi)進(jìn)線和饋線回路電氣參數(shù),包括電流電壓功率電能以及開關(guān)狀態(tài),并可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行報警設(shè)置和分級,數(shù)據(jù)取自列頭柜測量模塊。

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母線槽監(jiān)測

數(shù)據(jù)中心由于列頭配電柜數(shù)量多,占用空間較大,為了節(jié)省面積,智能小母線方案由于不占用機房面積受到很多數(shù)據(jù)中心的青睞,被越來越多的應(yīng)用。

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能源分布

通過平面圖顯示數(shù)據(jù)中心能源分布,平面圖顯示數(shù)據(jù)中心設(shè)備分布情況,并顯示設(shè)備能耗數(shù)據(jù),通過點擊平面圖上設(shè)備可以進(jìn)入具體設(shè)備監(jiān)控界面。

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能效監(jiān)測

能效看板實時顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)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(jiān)測各變壓器運行及負(fù)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(jìn)行展示。對數(shù)據(jù)中心用電數(shù)據(jù)進(jìn)行同比、環(huán)比分析比較,查看用電趨勢。

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空調(diào)監(jiān)測

系統(tǒng)可監(jiān)測空調(diào)的回風(fēng)溫濕度,出回水溫度,并可以設(shè)定空調(diào)的溫濕度,達(dá)到更好的控制效果。

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環(huán)境監(jiān)測

監(jiān)測數(shù)據(jù)中心溫濕度、開關(guān)門、水浸、煙霧、噪聲、氣體濃度狀態(tài)等參數(shù)。曲線圖直觀明了,同時支持歷史數(shù)據(jù)查詢。

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事件報警

報警事件分為四級:預(yù)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(shù)量,通過柱狀圖顯示逐日報警數(shù)量,提供報警總數(shù)以及增長趨勢。

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6.2 選型配置

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1695256972570 

參考文獻(xiàn):

[1]邵文娜.如何給數(shù)據(jù)中心“心臟"減壓[J].數(shù)據(jù)中心建設(shè)+,2023:82-83

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊,2022.05版.

[3]數(shù)據(jù)中心綜合解決方案.2022.02版.


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