淺談數據中心IDC配電系統能源管理措施

摘要：本文以UPS配電系統為例，通過以數據中心為主要研究對象，采用文獻研究法、實踐調查法等研究方法，簡要分析了數據中心IDC配電系統的優化設計。從選擇高效節能設備和優化機房布局的角度，提出了一些有效的措施，供參考如何實施數據中心IDC機房的能源管理。

關鍵字：數據中心；IDC配電系統；優化設計；能源管理

1 IDC配電系統優化設計數據中心

1.1UPS設備的設計優化

1.1.1提高UPS負荷率

當數據中心選擇使用UPS配電系統并對其進行優化設計時，首先需要相應優化UPS設備的設計選擇。根據工作人員收集的相關數據，從目前某數據中心安裝的數百臺UPS設備的運行情況可以看出，60%以上的UPS設備運行負荷率為20%至30%，近30%的UPS設備負荷率不到20%。結合其他相關研究數據，一些學者指出，目前我國大多數數據中心使用的UPS系統至少有40%的負荷率沒有得到有效利用。

1.1.2 PF值的合理設置

UPS設備在數據中心的功耗相對較大，其輸入功率因數直接影響整個數據中心IDC配電系統的電能質量。交流電路中一般存在的相移功率因數，即PF，是指電壓與電流之間的相位差余弦值，其計算公式如下：

這個公式中，cosφTHD代表總諧波電流畸變率，代表功率因數符號。例如，在UPS設備中，某個數據中心的實際負載率為6%，當UPS負載率不高時，通過測試可以知道它的實際值是cos。φ此時對應的總諧波電流畸變率約為0.98的30%。由于UPS設備的負載率不高，此時負載基本相當于高頻非線性負載，基波電流I值相對較小。在客觀諧波的影響下，UPS設備的THDi值很容易增加，從而導致設備功率因數PF減少。但是，根據檢測結果，當UPS負載率處于正常狀態時，其cosφ值與PF值基本為1，對應的總諧波電流畸變率*大值為10%。因此，如果選擇UPS系統作為數據中心的IDC配電系統，可以嚴格按照國家相關標準的要求優化電容補償裝置。如果可以根據變壓器容量的30%進行電容補償，可以選擇輸入功率因數至少為0.95的UPS設備，既能有效落實減配，又能達到節約投資的效果。

1.1.3調整輸出功率因數

目前，隨著服務器電源功率因數的逐步提高，UPS設備提高了輸出性能，可以有效地滿足服務器電源容性負載輸入特性。據相關研究資料顯示，目前的服務器功率因數基本上是容性-超前0.9～根據國家有關標準要求，可采用實際UPS設備機架負荷值和0.77（kW/kVA）對UPS設備的總容量進行比較，要求UPS設備的額定容量為0.7（kW/kVA）UPS設備的輸出功率不得超過乘積[1]。但本文在了解目前市場上常見的集中UPS設備的輸出功率因數時，發現其輸出功率因數可達0.9，部分UPS設備的輸出功率因數可達1。事實上，如果UPS的輸出功率因數超過0.9，設備仍然可以正常使用，而不會降低容量。舉例來說，一個400kVA的UPS設備制造商可以直接帶載360kW的服務器設備。綜合考慮，在優化UPS設備時，可規定其輸出功率不得低于設備額定容量和0.9。（kW/kVA）的乘積。而且在設置UPS系統時，直接按90%設定*高帶載率，此時UPS容量計算公式為：UPS總容量=機架負載。（kW）/0.9(kW/kVA)/0.9(負荷)

1.2優化UPS系統模式

考慮到大多數數據中心選擇使用的UPS系統是2N雙總線系統，在使用UPS系統作為數據中心IDC配電系統并對其進行優化設計的過程中，負責向各種重要的IT設備提供雙路連續交流電源，以確保其長期穩定運行。而且這個系統屬于冗余系統，系統構成至少兩個UPS系統，系統的基本容量就是任何一個UPS系統中N個UPS設備的總容量。在UPS設備的作用下，系統交流輸入到兩條wan全獨立的供電線路，直到雙電源輸入負載。當數據中心配電系統正常運行時，任何UPS系統只負責總負荷的一小部分負荷。利用這種多電源系統冗余的形式供電，可以有效改善傳統單電源系統中容易出現單點故障的問題。若數據中心規模較大，但單電源設備相對較少，則可根據實際情況規范安裝小型STS設備，使電源設備能獲得穩定、持久的安全供電。

當系統正常運行時，系統中的兩個UPS系統將同步運行，每個系統將承受50%的總負荷。從每個低壓母線段引入的兩個UPS系統的交流輸入，可以大大提高整個雙總線供電系統的安全性和可靠性。即使某個UPS系統在系統中無法正常運行，或者出現輸出中斷等異常情況，也不會對雙電源負載供電產生實質性影響。此時，只有與UPS組單電源負載相連的供電獨立被切斷。優化后的數據中心配電系統中心配電錯誤

2數據中心IDC機房能源管理措施分析

2.1積極優化機房布置

在數據中心IDC機房能源管理過程中，工作人員需要根據機房的實際情況，科學優化機房布局，以有效提高其節能效果。一方面，根據前進后出、水平通風的原則，選擇與進排風結構wan全一致的機柜作為數據中心IDC機房的機柜；另一方面，為了防止設備在運行過程中產生大量熱空氣，與空調產生的冷送風相互混合，數據中心容易出現許多局部熱點，影響空調原有的制冷效率，大大增加了空調的能耗。工作人員可以選擇將其安裝在機架內沒有設備的設備的進氣溫度。

2.2使用高效節能設備

通過充分發揮UPS設備的高效性，在數據中心IDC機房中選擇優化的UPS系統也能達到良好的節能效果。例如，在2015-2018年間，一個數據中心分別建造了15臺、20臺和25臺經過上述優化處理的400kVAUPS設備，每臺UPS設備的負載電流值為200A。與同期相比，該數據中心在2015年至2018年使用高效UPS系統后，節能量分別達到68萬度、91萬度和137萬度[2]。在空調系統中，可選擇的冷卻系統。

3能源消耗統計分析(能源管理)解決方案

建立高效的能源消耗監測管理系統，實時測量建筑各種能源消耗設備的能源消耗數據，統計分析采集數據。能夠合理確定各地區建筑能源消耗經濟指標和績效考核指標，發現能源使用規律和能源浪費，提高人們積極節能意識。

①　搭建數據中心智慧能源管理系統的基本框架，對各個用能環節進行實時監測；

②　排碳數據化：通過系統可實現建筑單位內人均能耗分析（包括水、電、能量），實現低碳辦公數據化；

③　區域能效比：實現建筑單位內區域能耗對比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實現同年、同期、同一區域能耗對比，方便節能數據分析；

⑤　能耗評估管理：按照能源消耗定額標準約束值、標準值、引導值進行分析單位面積能耗和人均能耗指標；

⑥　能耗競爭排名：各個功能區能耗對比，實現能耗排名，增強工作人員的節能意識；

⑦　對能耗的使用數據進行綜合的分析、統計、打印和查詢等功能，并根據能耗監測管理系統的需要可選擇不同樣式報表的打印。為能耗運營管理部門提供可靠的依據；

⑧　能耗數據采集，隨時查詢，并根據采集數據進行統計分析，監測異常能源用量，對能源智能儀表故障進行報警，提高系統信息化、自動化水平。

4能源管理系統

5結束語

總而言之，工作人員在對數據中心IDC配電系統進行優化設計的過程中，需要充分結合數據中心配電系統實際情況及運行要求，并嚴格按照國家相關規程規定，合理選用高效的UPS設備并注重增加備用設備與線路，以此有效提高配電系統的運行穩定性。在開展能源管理工作中，工作人員同樣需要主動運用高效、節能的設備，在對機房進行優化布置并積極運用各種先進信息技術下，使得IDC機房可以獲得更高的節能管理成效。

【參考文獻】

【1】張 翔.IDC業務預測與基地工程建設方案研究[D].長安大學，2017.

【2】滕信根．數據中心IDC 配電系統優化與能源管理［Ｊ］．電力訊息，2019（05）：02-03.

【3】安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.5版