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    综合能效管理系统为数据中心配电管理能耗

    发布时间: 2023-10-13  点击次数: 179次

    摘要:2022年11月1日,国家标准《数据中心能效限定值及能效等级》在全国范围内强制实施。国家对数据中心能耗总量和能耗强度考核指标越来越严格,新建数据中心PUE指标要求提升至1.3以内。数据中心节能降耗压力迫在眉睫,供配电系统作为数据中心的动力心脏,如何实现供配电系统稳定、可靠、安全、经济、节能、低碳成为数据中心领域关注点。

    关键词:数据中心、数据中心能耗、数据中心节能、PUE

    1、供配电系统是数据中心的“心脏"

    供配电系统是数据中心正常运行的基础,需要把“能量"输送到数据中心的每个角落,包括空调、网络设备、服务器、控制设备、加湿系统、照明等,供配电设备的传输损耗也是能耗中的一部分。我们知道,电费是数据中心运营的主要成本,占到数据中心总运营成本一半以上,因此有效的电力节能是绿色数据中心的关键所在。如何更大限度应用绿色可再生能源是数据中心“减压"的重要方式。

    2、绿色电力助力数据中心节能减排

    “双碳"政策以来,各地鼓励引导数据中心应用可再生能源及清洁能源,从供电侧实现绿色低碳,其中“绿电"可以通过自建自用、直采绿电或者购买绿证的方式获得。

    2021年9月,我国启动全国绿色电力交易试点,多家数据中心企业,如万国数据、秦准数据、腾讯,均参与并完成了较大体量的绿电市场交易采购;同时,数据中心企业也可以自投电站,主要分为分布式电站与集中式电站。例如,在数据中心屋顶安装分布式光伏电站,满足机房照明用电等需求,作为峰值电力补充的手段。目前已有企业试行,万国上海三号数据中心设计规划了太阳能墙,腾讯清远清新云计算数据中心在厂房屋顶安装光伏组件。除此之外,未来数据中心企业也可以投资大型风电、集中式光伏项目,把光伏或风电作为主要电力来源,自发自用,余电上网。

    数据中心作为高耗电行业,不管应用什么电,能耗是不变的,数据中心企业应该在保证数据中心应用清洁能源的同时,考虑多种能源协同组合,提高供能系统的能效是关键。从目前的情况来看,数据中心节能新技术应用层出不穷,供配电系统模块化趋势明显。

    3、模块化供配电系统成为趋势

    数据显示,供配电系统是占数据中心总能耗约10%,其中UPS供电系统约占总功耗的5%,UPS输人供电系统约占总功耗的1%,UPS供电设备节能。

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    UPS可以分为工频塔式、高频塔式、高频模块化等形式。从技术发展路径来看,高频技术在效率、成本、谐波、占地等各方面均优于工频,高频技术全面取代工频技术成为趋势。

    在高频技术之下,模块化和传统塔式两种形式不相上下。模块化UPS在运维、安装维护、后期扩容方面具有优势,被许多数据中心服务商和行业用户广泛应用。业内也有不同的声音,认为多个模块并机存在风险,可靠性值得考虑。从传统塔式与模块化的可靠性对比来看,两者旗鼓相当,模块化甚至更优。从近年新上市的UPS来看,大部分都采用了模块化架构,可见,模块化UPS是交流UPS的发展方向。

    除了供电系统节能,配电系统节能也不容易忽视。供电系统模块化趋势需要和配电系统融合,比如:微模块UPS、变压器UPS融合、智能配电母线等等,使供配电系统成为一个整体,实现数据中心配电系统按需运行,智能运维、灵活部署;有利于加大限度降低配电系统电缆传输损耗,降低运维成本,满足不同级别数据中心机房需求。

    过去10年,供配电系统创新的焦点是电源形式,除UPS之外,还出现了供电框架的创新,由于HVDC简化交流UPS变换环节,无需逆变器,串联部件少,理论故障点减少,效率提高。

    4、高压直流(HVDC)被服务商及用户认可

    供电系统架构影响数据中心供电系统能效水平,当前大型数据中心供配电架构常见有三种:2N系统、一路市电直供+一路UPS/HVDC和DR(N=3)系统。以上三种供配电架构的供电效率分别为93.1%、97%和94.1%。供电框架逐渐由传统的2N系统向能效更高的系统框架转变。

    2N系统因其运维简单,可靠性高,被行业广泛采用,是数据中心供配电主流解决方案。一路市电直供十一路UPS/HVDC的供配电架构供电能效更高,近年逐渐被市场接受。 按照功能组成,供配电系统主要由10kV配电、柴油发电机组、变压器、低压配电、UPS电源及其配电、电池、列头柜等部分组成,其基本原理如下图所示。

    5、高压直流会代传统UPS供电吗

    上面我们讲了HVDC在数据中心应用优势明显,那它能取代UPS吗?答案是“不能"。 首先,从供电结构上来看,直流传输的损耗较大,因此传输范围有限,在远距离的供电环境,直流不可能取代交流。其次,一路HVDC+一路市电直供不属于容错架构,在HVDC检修时候,市电直供侧没有电池备电,市电闪断导致服务岩机事件已经多次发生,所以一部分用户已经放弃一路HVDC+一路市电的架构,重新回到2N的容错系统。随着主流UPS厂商在研发的不断投入,UPS的效率在不断提升,价格不断下降,HVDC在效率、成本方面优势在减弱,此外有些服务器并不兼容HVDC电源制式,也影响了HVDC的应用扩展。UPS、HVDC等电源的创新只是部件层面的,对供电链路影响有限,未来一定是供电链路端到端的创新,随着第三代半导体技术的成熟,碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用,10kV级的电力电子电源成为可能,铜质变压器被电力电子变压器取代,供电链路更节能。

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    供配电系统作为数据中心正常运行的电力保障,任何细微的故障都会影响数据中心的稳定运营。随着技术的发展,数据中心供配电系统节能方式层出不穷,哪些节能方式将成为主流呢?需要时间检验。

    6、安科瑞数据中心综合解决方案

    6.1 AcrelEMS-IDC综合能效管理系统

    整体概况

    展示当前数据中心总能耗,IT能耗,空调能耗,及其他能耗并且计算出当前数据中心实时PUE值,通过仪表盘形式直观展示。

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    配电监测

    可选择查看数据中心的中低压配电系统主接线图,并在一次图显示配电系统当前遥测、遥信数据和状态。

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    电气节点温度监测

    无线测温传感器主要用于监测断路器触头、触臂、母排和线缆连接处温度,便于提前发现温度异常导致的事故。

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    变压器监测

    监测各变压器各项参数,包括负载率、频率、功率因数、三相不平衡度等,并且显示历时曲线图,数据实时变化。帮助用户直观监测各变压器运行状态。

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    电能质量监测

    可以监测特定回路电流、电压2~31次谐波畸变率和总谐波畸变率,通过曲线方式显示。

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    UPS监测

    系统采集UPS输入、输出端和旁路三相电压、电流、有功功率、功率因数频率,同时监测UPS温度、蓄电池电压、当前负载下的剩余时间等数据。

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    电池监测

    数据中心UPS储能用的蓄电池比较多,展示每块电池电压、内阻、内阻变化率和电池温度,预测电池带载时剩余时间,每个数据均可以设置异常报警,及时发现蓄电池异常。

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    列头柜监测

    系统可以展示列头柜内进线和馈线回路电气参数,包括电流电压功率电能以及开关状态,并可以对数据进行报警设置和分级,数据取自列头柜测量模块。

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    母线槽监测

    数据中心由于列头配电柜数量多,占用空间较大,为了节省面积,智能小母线方案由于不占用机房面积受到很多数据中心的青睐,被越来越多的应用。

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    能源分布

    通过平面图显示数据中心能源分布,平面图显示数据中心设备分布情况,并显示设备能耗数据,通过点击平面图上设备可以进入具体设备监控界面。

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    能效监测

    能效看板实时显示当前数据中心PUE值以及历史PUE曲线。

    并且显示各分项用能的用能情况及用能排行。监测各变压器运行及负载情况,给出本月变压器输出电能排行。

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    电能报表及分析

    显示电能消耗日/月/年报表,并可对具体回路选择曲线图、饼图进行展示。对数据中心用电数据进行同比、环比分析比较,查看用电趋势。

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    空调监测

    系统可监测空调的回风温湿度,出回水温度,并可以设定空调的温湿度,达到更好的控制效果。

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    环境监测

    监测数据中心温湿度、开关门、水浸、烟雾、噪声、气体浓度状态等参数。曲线图直观明了,同时支持历史数据查询。

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    事件报警

    报警事件分为四级:预警、一般、重要和紧急报警,避免漏掉重要报警信息。通过列表显示各类报警事件数量,通过柱状图显示逐日报警数量,提供报警总数以及增长趋势。

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    6.2 选型配置

    参考文献:

    [1]邵文娜.如何给数据中心“心脏"减压[J].数据中心建设+,2023:82-83

    [2]安科瑞企业微电网设计与应用手册,2022.05版.

    [3]数据中心综合解决方案.2022.02版.



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