數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)節(jié)能方案設計

李 想

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心是以網(wǎng)絡資源與通信網(wǎng)絡機房為基礎平臺，向各個領域提供穩(wěn)定的互聯(lián)網(wǎng)接入服務，并且自身具備足夠的網(wǎng)絡資源的集成平臺[1-4]。目前，各國政府及運營商等都在規(guī)劃建設數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心雖然具有高密度功率和高集中化的優(yōu)點，但是其正常工作與不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）密不可分。此外，數(shù)據(jù)中心由于需要處理大量數(shù)據(jù)，常年面臨著互聯(lián)網(wǎng)技術（Internet Technology，IT）負荷過載的問題，且電費成本較高。基于該背景，如何降低數(shù)據(jù)中心能耗，設計相應的不間斷電源的節(jié)能方案，成為了一個關鍵難題[5-8]。文章基于中國移動通信集團有限公司（以下簡稱中國移動）數(shù)據(jù)中心的設備選型和不間斷電源節(jié)能方案設計展開分析，旨在進一步降低數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的能源消耗。

1 數(shù)據(jù)中心電源能耗測試

目前，常用的不間斷電源包括高壓直流電源、高頻UPS、工頻UPS 以及模塊化UPS[9,10]。這幾類不間斷電源都被中國移動的各個數(shù)據(jù)中心所使用，如中國移動通信集團廣東有限公司三水數(shù)據(jù)中心（以下簡稱三水移動數(shù)據(jù)中心）?；谠摂?shù)據(jù)中心，比較這幾種不間斷電源（測試狀態(tài)為零負載）的效率差異，進而制定相應的節(jié)能策略。

1.1 測試方案

1.1.1 測試環(huán)境

基于三水移動數(shù)據(jù)中心進行測試實驗，測試人員是移動維護人員。該實驗中，全部電源都處于零負載狀態(tài)，設置高壓直流電源工作模式為單機供電模式，設置交流UPS 工作模式為“1+1”供電模式，設置機房的溫度為（23±2） ℃。

1.1.2 測試對象

測試對象如表1 所示。

表1 測試對象

1.1.3 測試工具介紹

測試的目標主要集中于高壓直流電源、高頻UPS、工頻UPS 以及模塊化UPS 輸入輸出端之間的功率因數(shù)和失真度等參數(shù)，因此測試時需要采用各類相關儀器設備，如放電儀器和防護工具等。

1.1.4 測試數(shù)據(jù)內(nèi)容

測試內(nèi)容包括功率因數(shù)、空載損耗、輸入轉(zhuǎn)換效率，以便更完整地實現(xiàn)電源測試策略，更好地達到測試目的和得到更加豐富的電源具體數(shù)據(jù)。

（1）功率因數(shù)。輸入功率因數(shù)一般指不間斷電源的功率因數(shù)。對電網(wǎng)而言，不間斷電源既是電源又是負載，一直處于消耗無功功率和吸收有功功率的并行狀態(tài)，因此必須增大系統(tǒng)的配置容量。如果電源輸入功為率100 kVA，輸入功率因數(shù)為0.8，那么其消耗60 KVA 的無功功率時會吸收80 kW 的有功功率，相應的配電系統(tǒng)需要配備140 kVA 的容量，大幅度提高了數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的設備成本。因此，對電源而言，輸入功率因數(shù)接近1 時最佳。福祿克1730 儀器是經(jīng)典的測試設備，也是本次測試所選用的設備。該設備可以直接連接電源的輸入端，通過儀器屏幕，可以讀取每一相電路的平均輸入功率值和其最大最小值，以及總輸入功率因數(shù)的平均值和其最大最小值等。

（2）空載損耗。由于業(yè)務部門和建設部門未能達成統(tǒng)一，不間斷電源通上電后，總是不能立馬加載。但是，由于不間斷電源的全部部件已經(jīng)運作，此時數(shù)據(jù)中心開始產(chǎn)生損耗，該損耗稱之為空載損耗?？蛰d損耗由電阻和電感等相關設備元件產(chǎn)生，其可以直接反映電源自身的能耗水平。

（3）輸入轉(zhuǎn)換效率。電源正式開始工作時，此時的輸出功率與輸入功率的比值稱為不間斷電源的效率。由于電源本身會損耗一部分輸入電能，要等到設備確定運行后才能確定效率。文章重點測試不間斷電源的轉(zhuǎn)換效率，由于測試結果會影響后期選擇設備，要求測試仔細且精準。

1.1.5 測試方法

測試目標是位于的三水移動數(shù)據(jù)中心的不間斷電源（無負載狀態(tài)）。測試前，需要在輸出端接入虛擬負載，接入后便開始測試。

通過電能質(zhì)量分析儀，可以測量不間斷電源的各相線路。例如，用分析儀的電壓夾夾住A 相線路，同時用電流互感圈套住A 相線路，即可測得A 相線路的電能質(zhì)量。電源能效測試接線如圖1 所示。其他3 相線路也是同樣的操作?；陔娔苜|(zhì)量分析儀記錄和分析測試數(shù)據(jù)。

圖1 電源能效測試接線

1.2 測試結果

經(jīng)過測試，記錄不同電源對應的空載損耗，對比分析各項測試指標，分析結果如下。

1.2.1 功率因數(shù)

不間斷電源功率曲線如圖2 所示。分析可知，由于設備帶載率的差異，功率因數(shù)會變得不同。低載工作狀態(tài)時，電源的功率因數(shù)較低，其中工頻UPS的功率因數(shù)不超過0.8。

圖2 不間斷電源功率曲線

1.2.2 空載損耗

不間斷電源空載輸入功率對比如圖3 所示。

圖3 不間斷電源空載輸入功率對比

通過圖3 可以得知，工頻UPS 空載時消耗的能量最大，高壓直流消耗的能量最小，高頻UPS 和工頻UPS 的空載能耗要比模塊化UPS 的高。

1.2.3 轉(zhuǎn)換效率

調(diào)節(jié)不同電源的負載率，并繪制該情況下每個電源的負載率和功率的比值所構成的效率曲線，得到的不間斷電源效率曲線如圖4 所示。該曲線即電源效率曲線，其可以直接反映不間斷電源的工作效率，進而可以對比不同不間斷電源的工作效率高低等數(shù)據(jù)。

圖4 不間斷電源效率曲線

基于4 種不間斷電源及其不同的負載條件，并考慮其直流和交流輸出性質(zhì)，可以得出交流UPS 的效率要比直流類型的不間斷電源低。其中：模塊化UPS 效率要高于高頻UPS 與工頻UPS；工頻UPS 效率最低。不同負載率下的各個不間斷電源的工作效率參差不齊。對于模塊化UPS，當負載率超過60%時，效率高達95%；對于高壓直流電源，當負載率超過30%時，效率高達95%。

1.2.4 選型及使用建議

考慮減少能源損耗，提出以下4 點建議。

（1）建議不再使用工頻UPS。測試4 類不同的不間斷電源時，工頻UPS 的各項指標相較于其他3個都差，功率因數(shù)不超過0.8，且空載的時候損耗最高，轉(zhuǎn)換效率低于0.9?？梢缘贸?，工頻UPS 是4 種電源中最不符合節(jié)能要求的電源，因此不建議繼續(xù)投入數(shù)據(jù)中心使用。

（2）應及時關閉電源主機，避免不間斷電源產(chǎn)生空載損耗?？蛰d時，一臺高壓直流電源損耗產(chǎn)生的電費需要67.82 元，而工頻UPS 需要花費高達386.36 元。

（3）由于高壓直流設備工作效率要遠高于UPS不間斷電源，在機房中使用不間斷電源時，應優(yōu)先選擇高壓直流設備。

（4）輕載時，優(yōu)先考慮高壓直流電源和模塊化UPS。這2 個電源負載率超過60%時，效率均可以高達95%。

1.3 工程應用

經(jīng)過測試實驗可以得出，高壓直流電源具有最佳的節(jié)能效果。因此，根據(jù)分析結果和節(jié)能建議，在新一期三水數(shù)據(jù)中心更新建設時，優(yōu)先使用了高壓直流電源。數(shù)據(jù)中心里的2N 系統(tǒng)由10 套中達HVP-240/40 A 高壓直流電源組成，經(jīng)統(tǒng)計，使用高壓直流電源替代UPS 之后，機房的月耗電量減少了約13%，證明了該節(jié)能策略的有效性。

2 結 論

為進一步響應節(jié)能環(huán)保的號召，基于中國移動數(shù)據(jù)中心的設備選型和不間斷電源節(jié)能方案設計展開分析，旨在進一步減少數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的能源消耗。基于該節(jié)能方案，通過對比分析節(jié)能方案實施后數(shù)據(jù)中心實際的用電情況與實施前的用電情況，證明了該節(jié)能方案的有效性。