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數據中心對于能源供應的技術要求

數據中心對于能源的供給，其最典型的特點是“可持續性”，今天數據中心的可用性或者uptime而言，其核心也是保證數據中心的持續性，盡量減少中斷的次數和中斷的時間，如果從市場上的主流商業IDC的合同中的服務級別協議（ServiceLevelAgreement）中，都有關于持續供應的可用性的描述，通常是用百分比和數字進行約定的。

3、數據中心能源消耗的分類

（1）對于數據中心能源消耗的分類，主要分為以下幾種：

①電力能源的消耗：所有的IT設備，必要的輔助設備，諸如制冷系統的冷機，水泵，精密空調，已經對應的控制系統在絕大多數情況下，都需要電力供應，都在消耗電力能源。

②水的消耗：在數據中心中水的消耗經常被忽視，當分析被忽視的原因時候，發現主要是受到一些設計和技術上的限制所致，比如制冷系統采用DX系統，其對水的消耗主要體現在加濕方面，其耗水量很小。隨著冷凍水系統的逐漸在數據中心被大量采用，其對于水的消耗也迅速增長，當然，數據中心的投資者和運營者每月的賬單中會看到水費賬單的變化。如果從資源供給的角度來看，對于整個地球而言，在目前，水的缺乏遠遠大于電力的缺乏，當然這里的水是指需要被凈化處理后的水。除此之外，在數據中心中關于把水作能源的案例，最典型的應該是google利用河水，海水等來制冷，利用水的溫差和循環來達到制冷的目的，理論上，水并沒有發生相變（諸如水的蒸發），但是水的溫度發生了變化，是否對環境產生影響，截至到目前，依然存在爭議。

③油的消耗：通常情況下，為了保證數據中心的可用性，數據中心在初始設計的時候都配置了柴油發電機。如果純粹從可用性的角度來看，電網供電并不在數據中心投資者和運營者的控制范圍內，而柴油發電機是其資產，其可以產生源源不斷的電力輸出，其可控制性可能更好，之所有采用電網供電，主要還是從經濟性的角度來考慮（這基本是國外數據中心投資者和運營者的邏輯）。因此，在電網供應相對穩定的地區，油的消耗并不是很高。

④氣的消耗：這里的氣指的是天然氣，有些數據中心采用天然氣發電，因此也存在著消耗，無論是作為數據中心的主用，還是備用，在技術實現的角度來看，都是非常成熟和可靠的。但是，從目前市場上的數據中心調查上來看，比例非常小，甚至是屈指可數。但并不表明這種技術不成熟，只是在目前的數據中心的應用比較少而已。

⑧其他：雖然市場上罕見，但的確看到一些可能性，諸如可以向當地相關公司直接購買冷量。在高寒地區的冬天，對于一些設備和輔助區域，也可以向當地供熱公司直接購買熱量。

（2）電力

雖然今天可以看到了一些數據中心新能源的案例，諸如蘋果的利用太陽能能源的數據中心和GOOGLE用的風力能源作為數據中心的能源供給。但是，目前，無論在全球和國內的數據中心幾乎都利用電力能源作為數據中心的主要能源供給來源。

截至2011年底，全國電力裝機達到10.6億千瓦，超過美國成為世界第一電力裝機大國，火電在裝機總量中所占比重長期保持在70%以上。

電網從歷史發展來看，可以分為四個階段：電廠直配城市網、省區電網、跨省大區電網和跨大區聯合電網。

隨著用電量不斷增長，大型水電、火電和核電的建設，地區間電源與負荷的不平衡以及經濟調度的需要，必然要求發展輸電和聯網，電壓等級也隨之逐步提高。從最初較低電壓水平的6-10kV經歷35kV、110kV和220kV，發展到超高壓的330kV、500kV和750kV電網，并且還有繼續上升的趨勢。

如果從裝機量和發電量來看，似乎中國并不缺電，但中國的發電廠主要在西北部，用電用戶主要在東部，電網的調配能力還存在一定瓶頸，局部地區缺電、讓電、限電現象依然存在。

（3）水

我國是一個干旱缺水嚴重的國家。我國的淡水資源總量為28000億立方米，占全球水資源的6%，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，名列世界第四位。但是，我國的人均水資源量只有2300立方米，僅為世界平均水平的1/4，是全球人均水資源最貧乏的國家之一。然而，中國又是世界上用水量最多的國家。僅2002年，全國淡水取用量達到5497億立方米，大約占世界年取用量的13%，是美國1995年淡水供應量4700億立方米的約1.2倍。

“中國是一個重度缺水的國家”，水利部水資源司司長吳季松說，這是從水資源對社會經濟發展的支撐能力上得出的判斷。據統計，我國目前缺水總量估計為400億立方米，每年受旱面積200萬~260萬平方千米，影響糧食產量150億~200億千克，影響工業產值2000多億元，全國還有7000萬人飲水困難。缺水對環境和人的身心健康都有著嚴重的影響。以上的這些數據充分表明了幾個最需要關注的觀點：

中國是一個嚴重缺水的國家，并且水的消耗逐年增長。

伴隨著中國數據中心冷凍水系統的逐漸占據數據中心市場制冷的主流，數據中心對水的供給能力和消耗量都達到了一個高度，從綠色網格組織的WUE也讓人們意識到數據中心對水資源的供給需求和消耗的重視。

數據中心對于水的供應目前在中國100%來自于市政供水，這也意味著數據中心的相關利益者需要充分意識到數據中心對于水的依賴性和需求量。

對于一個數據中心投資和運營來說，通常會關注以下問題：

水對于數據中心的重要性：用簡單的一句話來問“沒水不行嗎？”，答案是肯定的，真的不行，沒有水，很難保證數據中心的持續運行。

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數據中心內用水的分類：即數據中心消耗用水的分類，哪里需要耗水？通常情況下，主要分為以下幾種類別：

A：數據中心制冷系統用水：如果從數據中心日常水的消耗量的各個分類用水的比例來看，這部分水的消耗占據了相當大的比例，甚至是絕對比例。這部分用水主要分兩個子項，一個是加濕用水，即為了保持數據中心濕度的控制，需要水來來加濕；另外一個是數據中心冷凍水系統所需要的水消耗。尤其是采用水冷冷凍水系統的時候，冷卻塔水的消耗量是很大的。

B：消防系統用水：可能有人要問：“我可以采用氣體滅火，可以不用水系統！”在數據中心設計的時候，的確可以考慮采用氣體消防來滅火，并且對于市場上大多數的數據中心而言，其主機房采用氣體滅火系統的占據了絕大多數。但是，在數據中心各個功能分區中，如果把主機房建筑面積和其他輔助功能分區面積用數字做個比例對比的時候，基本的數字比例大概在1：1.5-2.5之間，換句話說，絕大多數的輔助功能分區的面積部分都必須采取水消防系統，或者說采取水消防系統是最合理的，性價比最好的。因此，結論是：數據中心有一定比例的消防系統是通過水消防系統完成的，也必然存在水的消耗。（雖然，對于數據中心用戶而言，內心希望消防系統永遠不要真正啟動，永遠不要發生火警，但既然水系統是必須的，其必然需要水的供應）

C：衛生用水：同樣，這部分用水也是必不可少的。數據中心日常的運行，都需要這部分用水。

D：清潔和保潔：數據中心需要保持環境清潔，這部分用水也將存在。

E：其他用水：諸如室外綠地花園用水等。

在數據中心日常水的消耗中，制冷系統水的消耗占據了絕對比例，因此在這里對于該部分水的消耗做一個簡單的推導。

在對國內某數據中心的研究中，發現其每天用于制冷系統用水消耗量很大，如果市政供水發生中斷1個小時，其所做儲備用水將耗盡，如果那樣，其制冷系統也將發生問題，如果繼續惡化，最終的結果和斷電的結局是殊途同歸。在意識到這個問題后，不難得出這樣的結論：水作為數據中心必須的一種能源絕對值得足夠的重視，甚至是要放在策略層面上。當然，如果制冷系統的技術發生重大變革，水的消耗極具減少，可能就只需要放在戰術層面來考慮這個問題了。

（4）油

對于數據中心而言，所說的油特指的是柴油，即用于柴油發電機的柴油，考慮到數據中心柴油發電機的作用主要是用于當電力供應發生中斷的時候，接管數據中心電力的繼續供給，并不作為主要電力供應，屬于備用，因此其消耗的柴油量相對比較少。

（5）天然氣

本文所關注的是天然氣的應用和關鍵特點。

天然氣的采收率高于石油。原生天然氣的采收率一般為40%-70%，而原油的采收率往往低于30%-35%.

天然氣造成的污染要比石油或煤炭輕得多。

天然氣的儲量豐富。

天然氣的使用受到的限制：

地緣政治和當前的經濟狀況。

管道的限制。

季節變化而帶來的用氣量不同，冬季居民用氣量大，夏季民用氣量小。

對于數據中心用戶而言，隨著西氣東輸管道的發展和液化天然氣的進口，天然氣的使用變得越來越寬廣。以往天然氣應用最多的是工業和汽車，但隨著國家政策的放開和技術的發展和市場化，天然氣在數據中心的應用有潛在的巨大機遇。

科士達蓄電池：直流電源應用范圍
高頻開關直流電源系統適用于大型發電廠、水電廠、超高壓變電站、無人值守變電站作為控制、信號、保護、自動重合閘操作、事故照明、直流油泵，各種直流操作機構的分合閘，二次回路的儀表，自動化裝置的控制交流不停電電源等用電裝置的直流供電電源。
高頻開關直流電源的單線原理：
高頻開關直流電源由充電屏、饋線屏、科士達蓄電池及直流電壓變換器四個單元組成。充電機屏由若干電源模塊和微機監控系統組成，單柜（屏）最大配置160A，若需要更大的輸出電流可實現多機柜（屏）并聯。饋線屏配有微機絕緣在線監察裝置，當某一饋出支路發生接地事故時可顯示出某地支路編號及接地電阻。電池屏內可選配微機科士達蓄電池巡檢裝置，隨時對蓄電池狀態進行監控。直流電壓變送器可采用高頻直流變送器，當合閘母線在180-300V電壓變動時控制線母線的輸出電壓都能牢牢地穩定在220V。

科士達UPS電源：UPS電源對醫療設備的重要性
科士達UPS官網稱醫療設備作為醫生診斷及救治病人的重要工具，它在醫院的發展進程中占據著十分重要的地位，為了保證醫療設備的正常支行就必須要有穩定、可靠的電源。供電電源的質量直接影響到醫療設備的使用。

隨著醫療科學技術的進步，各種精密的儀器和設備被廣泛應用到醫療領域中，這些設備的引入對患者的診斷和治療起著重要的作用。由于醫療設備對電源的質量及電壓的要求較高，如果電源質量較差，就容易出現醫療設備在運行過程中出現死機、部件損壞及程序執行錯誤導致的數據丟失等現象，從而造成極大的醫療安全隱患，并對醫院帶來不小的經濟損失。目前，醫院一般會采用交流穩壓器和UPS不間斷電源來保證醫療設備的正常、安全地運行。

一.不間斷電源的選擇

據統計，一般鄉鎮的醫療設備每個月受到的電源影響超過了50次，這些影響主要包括電壓變化、斷電(包括毫秒短時斷電)、缺相、相平衡度差等。在這些問題中，很大一部份情況由于無法感知和無法用肉眼分辨，因此很容易被忽視掉，但是通常會影響設備的正常安全使用。因此，通過在醫療設備安裝UPS不間斷電源可以有效的防止設備瞬間的電流沖擊、突然斷電而造成的數據丟失或者突然停止工作的現象對設備的影響。在進行UPS不間斷電源的選擇時，應該注意下面幾點：

1.UPS的功率通常情況下、UPS的功率值用VA表示，在進行UPS電源的選擇時，首先計算出醫療設備的VA值并留足一定的余量，以此來確定UPS電源的功率。

2.UPS的種類輸出波形通常分為方波的后備式、正弦波的在線互動式及在線式。正弦波的特點是無諧波、零秒轉換。醫療設備屬于高精度儀器，對電源的質量要求非常高，在實際的使用過程中通常會選配在線式UPS電源，可以很好地避免電源中斷現象。

3.電池容量的選擇后備電池的容量可以分為標準機和延長機兩種，標準機電池內置，一般在斷電后能延長設備的使用時間10～15分鐘，而延長機一般配備電池柜，通常可以延長更長的時間。在實際應用中，通常根據需要選擇。

二.保證醫療設備穩定運行的措施

目前，在醫療設備的使用過程中普通存在著電源不穩定和電磁等問題，這對醫療設備的正常使用具有一定的安全隱患。

1.分支供電針對電壓不穩定的情況，可以采用多支路隔離變壓器，將對電源要求非常高的設備單獨分線供電，這樣可以有效避免各個設備在用電時的相互*，同時還可以對一些重要的設備配備專用的交流穩壓器或者UPS不間斷電源，以此來保證醫療設備的安全運行。

2.配備電能質量凈化裝置通過使用交流穩壓器、高頻電源濾波器可以保證設備的穩定運行，同時還能夠減少電磁波對電源線傳輸過程的*。通過加裝交流穩壓器還能夠有效地抑制浪涌帶來的瞬間電壓過高、瞬間下跌等情況的出現。另外，還可以通過連接地線的方法來減少外界對電源的干擾。

三.總結

醫療設備是一種對電源質量要求非常高的設備，電源質量的下降會使醫療設備的使用不穩定，輕則使醫療設備暫停使用，重則損壞設備，引發醫療事故。因此，穩壓電源及UPS不間斷電源的配置對保證醫療設備的安全正常使用具有重要的作用，這對進一步提高醫療質量具有重要意義。

太原機務段救援基地位于石太鐵路線嗚李火車站,因原嗚李火車站用的是市電380V電源,此電源無法滿足新建救援基地的用電負荷要求,根據太原鐵路局《關于對太原救援基地配套改造工程設計審查的意見》及太原鐵路局組織的有關太原救援基地用電問題的會議精神,由中鐵工程設計咨詢集團有限公司太原設計院設計采用牽引供電接觸網27.5kV電源,使用牽引供電專用單相變三相UPS作為太原救援基地的工作電源使用,降壓變壓器設計容量160kVA,UPS設計容量150kVA,設計饋出配出四個回路:既有低壓配電箱所帶停留車庫、消防、地面電源負荷;綜合樓空調辦公負荷;食堂、浴室照明負荷和檢修庫負荷(見圖1)。

150kVA單相變三相UPS是由伊頓公司深圳山特工廠生產的高頻UPS,150kVA高頻UPS共有10個功率模塊,單個功率模塊容量15kVA,UPS由兩個柜體組成,安裝在電力箱變內,因電力箱變內部在夏季溫度能達到50～60℃,為保證UPS正常運行,箱變設計了排風和制冷系統,UPS在2011年9月開通投入運行。

由于電氣化鐵道專用工頻單變三UPS在使用中故障頻發,影響正常使用,高頻模塊化單變三UPS以其先進的設計理念和高可靠性走進這個領域。高頻機通常由濾波器、IGBT高頻整流器、逆變器組成,IGBT可以通過加在其門極的驅動來控制IGBT的開通與關斷,IGBT整流器開關頻率通常在幾千到幾十千赫茲,甚至高達上百千赫茲。典型的高頻機UPS拓撲如圖2所示。

高頻UPS整流屬于升壓整流,其輸出直流母線的電壓比輸入線電壓的峰值高,一般典型值為768V左右,所以逆變器輸出相電壓可以直接達到220V,逆變器之后就不再需要升壓變壓器。

由于采用了IGBT高頻整流技術使功率單元實現了模塊化生產,因此,實現了功率模塊的N+1運行模式。當高頻模塊化UPS某一個模塊發生故障時,故障模塊會自動退出運行,非故障模塊可以正常運行不影響供電。在設備巡檢人員巡檢時,將故障模塊帶電拔出換上新的模塊就可以了。大大提高了運行的可靠性。

由于在電氣化鐵路電力機車通過時,會產生過電壓及諧波,這樣UPS的輸入電源會時常出現很高的尖峰沖擊電壓,整流以后的BUS電壓也會跟著出現一個非正常的峰值電壓,這個電壓有時高達700V,高于正常正負BUS電壓400V的標準。監測保護系統一旦檢測到高于正負BUS電壓400V時,設備就會保護關機,這時需要人員去現場重新啟動。

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