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%。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

6.2 選型配置

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.