數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的節(jié)能方案

韋作韜

（廣西通信規(guī)劃設(shè)計咨詢有限公司，廣西南寧 530007）

0 引 言

由于數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器系統(tǒng)需要動力支撐，所以數(shù)據(jù)中心的能耗問題日益突出，運營成本也大幅增加，給數(shù)據(jù)中心能源消耗管控工作帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心在節(jié)約能源方面的工作面臨著更高、更嚴(yán)的要求與標(biāo)準(zhǔn)。

1 數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)中心的電源系統(tǒng)是整個數(shù)據(jù)中心的運營基礎(chǔ)與保障，具有綜合性與全面性的特點，是較為高級復(fù)雜的供配電系統(tǒng)。此系統(tǒng)負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)中心各種服務(wù)器、計算機(jī)系統(tǒng)的供電。一般數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)主要由高壓變配電系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)、油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、自動轉(zhuǎn)換開關(guān)系統(tǒng)及不間斷電源系統(tǒng)等組成，其中UPS系統(tǒng)直接向數(shù)據(jù)中心各類服務(wù)器進(jìn)行供電。

目前，數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)主要使用兩種方式進(jìn)行供電，即UPS系統(tǒng)和高壓直流系統(tǒng)。但是由于投入成本及技術(shù)成熟度等因素，目前許多擁有較大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心機(jī)房使用的不間斷系統(tǒng)大部分為UPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅較為落后、能耗高，而且其單機(jī)的負(fù)載量往往處于10%～30%，效率較低。高壓直流系統(tǒng)發(fā)展相對較晚，目前使用的不多，且還有部分IT服務(wù)器不支持直流供電，也在一定程度上影響了高壓直流系統(tǒng)的發(fā)展。據(jù)電信運營商發(fā)布的調(diào)查研究數(shù)據(jù)表明，數(shù)據(jù)中心的能源消耗量逐年上升。

2 數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的設(shè)計節(jié)能方案

備的等級越低，同一功率下需要的電纜截面就更大，能顯著地降低能耗。（2）一定程度上縮減通信用電設(shè)備與配電屏之間的電纜總長，能夠減少線路的損耗。通常，將兩種方案中的一個和用電設(shè)備到電源主機(jī)之間的電纜發(fā)熱耗損作對比即可做出合適的選擇，實現(xiàn)節(jié)能減耗的目標(biāo)。

實際的熱損公式為：

期中，Q是發(fā)熱帶來的能量耗損，I是流經(jīng)電纜的電流，R是電纜的電阻值，t是電流流經(jīng)電纜所用的時間。

因為線纜的電阻值與線纜的總長度呈正比的關(guān)系，因此將電源安設(shè)于通信機(jī)房中是一個優(yōu)質(zhì)的方案，不僅可以大幅減少電能的耗損，而且可以顯著降低電纜的前期投資成本，進(jìn)而實現(xiàn)節(jié)能降耗的預(yù)期目標(biāo)[1]。

2.2 利用高壓直流供電取代傳統(tǒng)的UPS

目前，大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器都使用高頻開關(guān)電源技術(shù)，將220V/380V輸入交流電壓整流為300V直流電壓，再經(jīng)過DC/DC變換降壓為更低的直流電壓，為服務(wù)器內(nèi)部電子元器件進(jìn)行供電。當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心中，有超過90%的服務(wù)器使用UPS開展直接供電工作。因為大多數(shù)的服務(wù)器電源模塊與相關(guān)的機(jī)房設(shè)備均以交流電源的輸入為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，因此UPS的輸出交流形式可以與普通市電的電源匹配，借助交流到直流再到交流的切換，從而提供無雜質(zhì)且運行穩(wěn)定的交流電源。但由于傳統(tǒng)的UPS的供電效率較低，導(dǎo)致能耗較高。圖1為傳統(tǒng)UPS供電原理圖，圖2為高壓直流供電系統(tǒng)原理圖。

2.1 電源前置安裝到設(shè)備機(jī)房

若數(shù)據(jù)中心機(jī)房條件合適，可以直接將直流電源安置于帶有通信設(shè)備的機(jī)房內(nèi)。（1）因為電源電壓具

圖1 UPS供電原理圖

由圖1和圖2可知，高壓直流供電系統(tǒng)比UPS系統(tǒng)更能顯著簡化直流到交流的轉(zhuǎn)化過程，同時能夠?qū)Ψ?wù)器中交流到直流的整流過程進(jìn)行去除優(yōu)化，大幅減少了供電系統(tǒng)的熱損，提升了能源使用的效率。

圖2 高壓直流供電原理圖

3 系統(tǒng)運行維護(hù)中的節(jié)能方案

3.1 實現(xiàn)變壓器的經(jīng)濟(jì)運行

設(shè)備運行期間，變壓器可能會出現(xiàn)空載損耗和負(fù)載損耗的現(xiàn)象，往往會擁有相對不高的電能轉(zhuǎn)化率，難以實現(xiàn)100%的電能轉(zhuǎn)化率。實際應(yīng)用過程中，變壓器的損耗情況也會因外部條件的差異而有所不同，相對比較復(fù)雜。如果控制電網(wǎng)的電壓與頻率等參數(shù)保持不變，變壓器的空載損耗并不和負(fù)荷容量具有顯著的相關(guān)性，即負(fù)載耗損與負(fù)載率沒有直接的線性關(guān)系。

變壓器的功損耗公式為：

其中，P0是變壓器的空載損耗量，KT是負(fù)載波動的消耗系數(shù)，Pk是變壓器的額定負(fù)載損耗，Sc是變壓器的計算負(fù)荷，Sr是變壓器的額定容量，β是變壓器的負(fù)載率。依據(jù)變壓器各種負(fù)荷率條件下的能量損耗能夠計算出理論條件下的最佳負(fù)荷率。如果幾臺變壓器同時為負(fù)載供給電能，可以依據(jù)實際的負(fù)荷來選擇性地投入一臺變壓器或者減少一臺變壓器。表1為SCB10系列變壓器在經(jīng)濟(jì)運行條件下的臨界負(fù)荷表。

3.2 對負(fù)載進(jìn)行均衡分配

設(shè)備運行過程中，電源設(shè)備的效率會隨著負(fù)載率的不同而有較大的差異。因此，日常運行維護(hù)過程中應(yīng)該依據(jù)實情來科學(xué)地配置負(fù)載，以顯著地減少電能的損失。對于多臺變壓器，如果總荷載一定，實際投入到運行過程中的臺數(shù)已為最小的冗余數(shù)，那么經(jīng)由均衡變壓器的負(fù)載，就能夠?qū)崿F(xiàn)總銅損的最小化。對于較為智能的UPS并聯(lián)系統(tǒng)和通信電源模塊，各個并聯(lián)的功率單元之間能夠自動地進(jìn)行負(fù)載的平均分配，可依據(jù)負(fù)載特點與性質(zhì)的不同對投入其中的功率單元數(shù)進(jìn)行動態(tài)個性化的修改與優(yōu)化，進(jìn)而大幅度、整體提升電源的效率[2]。

3.3 對低壓供電系統(tǒng)的諧波治理

很多通信設(shè)備都為非線性負(fù)載體，這些設(shè)備能夠在供電的回路中加入各種諧波。根據(jù)UPS容量大小及使用場合等情況，輸入電流諧波成分（THDI）分為3個等級＜5%、＜15%及＜25%。這些諧波既可能干擾供電系統(tǒng)的順利進(jìn)行，又可能影響同一個供電線路中的其他設(shè)備運行，帶來難以控制的發(fā)熱效應(yīng)，進(jìn)而加大電能的損耗。因此，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該進(jìn)一步注重諧波問題，采用高效的解決方案消除諧波，實現(xiàn)能源的節(jié)約。

4 節(jié)能方案措施及效果案例

南方某省份的某個運營商數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)中擁有S6系列的兩組4×200 kVA的并機(jī)UPS系統(tǒng)，使用十二脈沖整流再加上11次諧波濾波器進(jìn)行諧波的消除工作。經(jīng)實地的測定與計量，在每臺UPS的負(fù)載率等于30%的條件下，三相的輸出電流普遍為88 A。在相同的負(fù)載情況下，如果不配備11次濾波器時，三相輸入電流的平均值為122 A；11次濾波器投入使用后，輸入電流的平均值便縮小至98 A，每相的電流均間隔24 A。

表1 變壓器經(jīng)濟(jì)運行的臨界負(fù)荷表

按照三相交流電功率的公式開展相關(guān)計算，實際功率為P=1.732UIcosφ，其中，cosφ是功率因數(shù)，通常取值0.9；P是交流電的實際功率，U是交流電的實際電壓，I為交流電的實際電流。依據(jù)計算結(jié)果可知，這一型號的UPS電源經(jīng)過11次濾波器的投入，每臺UPS都可以降低14.2 kW的能耗，那么一年就可以節(jié)省電能12.4萬度。因此，為十二脈沖整流器裝配11次濾波器，能夠顯著提升節(jié)能減耗的效果。

5 結(jié) 論

設(shè)計電源系統(tǒng)時采取節(jié)能降耗的環(huán)保理念，再加上科學(xué)的管理電源系統(tǒng)，能真正實現(xiàn)能耗的降低。實際操作過程中，要充分考慮到每個環(huán)節(jié)可能會出現(xiàn)的變化，如實施系統(tǒng)的便捷性、系統(tǒng)的安全性及投資的回報等方面。對節(jié)能降耗的效果以及因此發(fā)生的連鎖反應(yīng)做出精準(zhǔn)地預(yù)測和全面地評估，以保證系統(tǒng)的可靠運行和節(jié)能降耗目標(biāo)的實現(xiàn)。