宋兵兵
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要：近年來，數據中心的節能技術逐漸成為行業的熱門研究方向。文章對數據中心的供配電系統進行了詳細分析，指出目前數據中心供配電系統的損耗，并提出可應用數據中心的節能新技術、新方法，為新建、改建或擴建數據中心提供參考。
關鍵詞：數據中心；供配電系統；節能技術
數據中心經過前幾年的建設,其問題開始逐漸浮現，首當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政策來規范數據中心的建設和運營。相關政策的出臺，使得綠色節能的數據中心建設成為熱點話題。
根據李芃等的分析，數據中心的能耗主要由三部分組成，一是IT設備的能耗，二是暖通設備的能耗，三是電源設備的能耗。這三部分中，IT設備的能耗占數據中心總能耗較多，約為 50%，其次是暖通設備的能耗，占30%～40%，而電源設備的能耗約占10%，因此目前大多數的節能技術研究均聚集于暖通系統。然而，供配電系統是數據中心的重要支撐基礎，供配電系統的節能研究同等重要。
1 數據中心供配電系統損耗組成
目前，供配電系統的節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系統損耗和電纜線纜的損耗是供配電系統的三大損耗。
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成，這三部分受多種因素影響，因此要準確計算其損耗是一個非常復雜的問題。
盡管如此，仍有學者不斷進行深入探索，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果進行比較，總結適用于電網變壓器大范圍計算變壓器年損耗的方法。多年的研究和實踐表明，變壓器的損耗可占其額定容量的 5% ～ 6%，存在較大的可節約空間。
1.2 UPS 系統損耗
據高凱亮等 [3] 的研究，UPS 系統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。大量研究和實踐表明，降低 UPS 損耗的有效方式是使之運行在一個較高的效率上，而效率又與其負載率具有非常強的非線性關系。同時，UPS 系統還有其后備電池的充電能耗，如圖 1 所示。
圖 1 UPS 系統負載率與系統效率的關系曲線圖
1.3 電纜線損
據統計，一個大型數據中心的電力電纜用量巨大，投入運營后，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，還與諧波有關，如李瓊林等 [4] 針對諧波對電力電纜損耗的影響進行了詳細的分析研究，指出電力電纜由諧波引起的損耗與諧波次數和諧波含有率相關。除此以外，電力電纜的集膚效應和電力電纜與管道中的臨近效應也會對電力電纜的損耗產生影響。
2 數據中心供配電系統節能技術的應用
2.1 采用高壓直流系統替代 UPS 系統
20 世紀 90 年代末，高壓直流電源系統問世。通過多年研究和實踐，高壓直流電源系統開始被應用到數據中心，如圖 2 所示。其所取得效果優于 UPS 系統，如高凱亮等的研究表明高壓直流電源系統無論是在何種的負載率下，其系統效率均優于 UPS 系統，因此目前高壓直流電源系統正逐漸開始取代UP系統，成 為數據中心中保障服務器供電電源設備。
2.2 智能母線在數據中心的應用
前期的數據中心均采用電力電纜完成末端配電系統的建設。然而，隨著數據中心的規模越來越大，若繼續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，而且會存在后期運營維護困難、系統可擴展性差等問題。
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房內綜合布線的問題，在經濟性 和適用性上都比傳統電力電纜方案優異 得多。智能母線具有安全可靠、安裝便 捷、維護方便、靈活擴容等特點。
圖 3 數據中心的智能母線配電方案
2.3 三聯供系統在數據中心的應用
三聯供系統指的是數據中心的冷、熱、電等能源需求均取自同一個獨立的能源站，冷量和熱量的需求不再通過電能的二次應用而得到滿足。與常規的能源供給方案相比，三聯供系統同樣會有市電接入，但是市電不再是數據中心主供電源，而是變成了備供電源；同時，數據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，酌情削減柴油發電機組的建設，騰出更多的空間用于機柜建設，優化數據中心的空間布局，如圖 4 所示
圖 4 典型天然氣三聯供系統示意圖
目前，我國應用三聯供系統的案例不在少數，不僅在數據中心有相應的案例，在其他行業亦有應用的案例。如中石油科技創新基地大數據能源中心，它是我國采用冷熱電三聯供系統的數據中心；又如青島世界園藝博覽會園區，采用三聯供系統可節省配電站投資約 2000 萬元。由此可見，三聯供系統的技術已相當成熟，各行各業也有應用案例可供參考，未來以此滿足大型和超大型數據中心的能源需求亦未嘗不可。
2.4 新能源技術在數據中心的應用
改變數據中心的能源供給結構，還可以通過應用新能源技術實現。如伍康文等提出全太陽能數據中心整體建設技術方案，該方案以光伏發電為主供電源，可滿足中小型數據中心的能源需求。然而，光伏發電受光照強度、溫度等環境因素影響較大，無法滿足大型和超大型數據中心的能源需求。
雖然如此，但是其在數據中心的節能減排方面亦可出一份力。如可將光伏發電與 UPS 系統或高壓直流系統蓄電池搭配起來，既可減少為蓄電池充電的電能費用，也可通過該結構將光伏發電輸送給末端負載，進一步減少用電費用。
除此之外，風能發電技術亦一早進入人們視野當中。如谷歌公司，其于 2013年在臺灣建設運行的數據中心采用了風力發電的方式解決數據中心的供電問題，因此獲得“全亞洲環保數據中心”的稱號；又如微軟公司，于2014年采用風力發電解決芝加哥數據中心的用電問題；其后， 也宣布將采用風能解決其日后新建數據中心的供電問題。
我國有豐富的風力發電資源，未來，風力發電必定會更好地滿足我國的電能需求，將其應用到數據中心亦指日可待。
3 安科瑞列頭柜及監測產品介紹
隨著數據中心的迅猛發展，數據中心能耗問題也越來越突出，可靠的數據中心配電系統方案，是提高數據中心電能使用效率，降低設備能耗的有效方式。
AMC系列數據中心配電系統是針對數據機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數據的智能系統，為交直流電源配電柜提供準確的電參量信息，并可通過通訊將數據上傳到動環監控系統，實現對整個數據機房的實時監控和有效管理，為實現綠色IDC提供可靠保證。
3.1配電管理解決方案
3.1.1交流系統
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狀態,具備電流、功率需用量分析和統計，實現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。
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
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,具備電流、功率需用量分析和統計，實現電壓、電流、功率等參數的越限功能。
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
開關電源 SBD-30 （48V）
3.2產品規格
說明：■為標配功能。
3.3配套附件
4 安科瑞母線槽監測產品介紹
4.1 概述
數據中心小母線系統是數據中心末端母線供配電系統的俗稱。近年來，隨著數據中心建設的快速發展和更高需求，智能小母線系統逐漸被應用于機房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點，即插式插接箱給各個機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監測模塊，將數據上傳至動環監控中心。
4.2 AMB智能小母線管理系統
1）交流系統功能：
遙測：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、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，開關狀態、開關跳閘；
2）直流系統功能：
遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、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，開關狀態、開關跳閘；
4.3 產品介紹
說明：■為標配功能。
5.結束語
文章對數據中心在供配電系統的損耗進行了詳細分析，指出可進行節能減排的地方，并介紹相關節能技術及應用案例。從中可看出，數據中心的供配電系統節能研究不可忽視，其可實現的節能減排效果不可小覷。
參考文獻：
【1】 李芃 ,楊元強 ,朱彤.數據中心采用余熱制冷的可行性分析[J].潔凈與空調技術,2016(4):1-5.
【2】鄧建威.數據中心供配電系統節能技術探討.
【3】安科瑞數據中心IDC配電監控解決方案.2020.03版.
【4】安科瑞企業微電網設計應用手冊.2020.06版.
作者簡介：
宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為絕緣監測及剩余電流監測， QQ：3007723194 手機：13482141563（微信同號）
