龔永波
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)合理的運行方式對數(shù)據(jù)中心的管理和運行具有十分重要的意義，PUE、pPUE、CLF/PLF、RER是通用的衡量數(shù)據(jù)中心的能效指標(biāo)，UPS系統(tǒng)的構(gòu)建和系統(tǒng)運行方式的選擇能對數(shù)據(jù)中心的能效指標(biāo)起到重要作用，當(dāng)?shù)厥须姷墓╇娰|(zhì)量對UPS系統(tǒng)運行有重要的影響，靈活的UPS系統(tǒng)運行方式能大程度對數(shù)據(jù)中心能耗優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：UPS；能效指標(biāo)；設(shè)備選型；電源質(zhì)量；能耗優(yōu)化
一、前言
全國、中國信息通信研究院院長劉多在接受人民網(wǎng)財經(jīng)連線采訪時表示，“新基建”是構(gòu)筑數(shù)字經(jīng)濟創(chuàng)新發(fā)展之基，培育新動能，推動發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵力量，“新基建”將為經(jīng)濟發(fā)展注入新動能。從新基建的系統(tǒng)圖我們能看到數(shù)據(jù)中心的建設(shè)占用顯著的位置；隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也呈現(xiàn)爆發(fā)式增長的勢頭，其能耗的增長也引起了越來越多的關(guān)注，據(jù)相關(guān)專業(yè)機構(gòu)統(tǒng)計，目前我國數(shù)據(jù)中心的年耗電量已超過社會總耗電量的1.5%；作為專業(yè)的數(shù)據(jù)中心技術(shù)人員需要高度重視數(shù)據(jù)中心能耗的增加，需要全面認識數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)，為不同類型的數(shù)據(jù)中心提供優(yōu)化合理的節(jié)能減排方案；UPS系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵設(shè)備電源系統(tǒng)的供應(yīng)和保障系統(tǒng)，其系統(tǒng)的構(gòu)建和運行方式對數(shù)據(jù)中心能耗有至關(guān)重要的作用。
圖1新基建系統(tǒng)圖
二、數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)概述
降本增效是經(jīng)濟發(fā)展的一個重要課題，數(shù)據(jù)中心能耗的不斷增加對新基建而言也是一個重要的課題，數(shù)據(jù)中心中UPS系統(tǒng)的構(gòu)建和運行方式對其降低能耗有十分重要的意義。在對UPS系統(tǒng)的構(gòu)建和運行方式的探討前，對數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)的評價體系的了解有助于我們構(gòu)建更優(yōu)秀的運行體系；對于不同類型的數(shù)據(jù)中心而言，不同的是用途，相同的是都有基本一致的能效指標(biāo)，目前數(shù)據(jù)中心常用的有以下四種能效指標(biāo)：
三、數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)構(gòu)建及系統(tǒng)運行能耗優(yōu)化
數(shù)據(jù)中心作為新基建的重點方向之一，機遇往往伴隨挑戰(zhàn)，新基建也對數(shù)據(jù)中心的發(fā)展提出來更高的要求，比如能耗方面，UPS系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化運行就是我們需要重點關(guān)注的一個方面；數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)的構(gòu)建和系統(tǒng)優(yōu)化運行，需要從UPS系統(tǒng)選型、IT設(shè)備供電需求、UPS運行方式、如何保證電源質(zhì)量等方面進行充分的考慮；下面進行簡單分析：
UPS系統(tǒng)的合理構(gòu)建對于數(shù)據(jù)中心來說有至關(guān)重要的意義，目前市場上的UPS機組既有傳統(tǒng)的高頻、工頻機組，也有模塊化UPS的機組，高壓直流供配電系統(tǒng)代替常規(guī)的UPS供配電系統(tǒng)的供配電技術(shù)也逐步被一些數(shù)據(jù)中心所接受，但高頻或工頻UPS供配電系統(tǒng)仍然是主流；合理的系統(tǒng)構(gòu)建對數(shù)據(jù)中心的能耗體系有重大的影響，下面進行簡單的分析：
目前50%以上的數(shù)據(jù)中心采用工頻機UPS供電，主要原因是其采用技術(shù)較為成熟和可靠可控硅相控整流技術(shù)，同時在供配電中采用“1+1”雙總線供電方案,其優(yōu)點有：解決單點故障、容錯能力好，可靠性高、控制簡單；對各種成本越來越高的數(shù)據(jù)中心而言，工頻機UPS安裝占地面積大、安裝場地承重要求高、功率因數(shù)低、使用成本高也制約其進一步的發(fā)展
以前對高頻UPS顧慮就是大功率IGBT模塊的技術(shù)瓶頸，隨著大功率IGBT模塊制作工藝的提高，采用IGBT整流型的高頻UPS也逐漸被較多數(shù)據(jù)中心的技術(shù)人員所接受，高頻機對數(shù)據(jù)中心技術(shù)人員認可的技術(shù)變化是不需要輸出隔離變壓器，其供配電系統(tǒng)和工頻UPS一樣采用“1+1”雙總線供電方案；與工頻UPS對比其占地面積小、場地承重要求低、解決單點故障瓶頸、容錯能力好、功率因數(shù)高、使用成本低等優(yōu)勢就顯得意義重大了；當(dāng)然高頻機UPS供電解決方案仍然有較多的缺點，比如：高頻諧波多、負載端“零地”電壓較高等；由于一些進口品牌服務(wù)器廠家對“零地”電壓小于1V的“過份”要求，因此對于計算節(jié)點使用較多的數(shù)據(jù)中心在構(gòu)建UPS系統(tǒng)時，對UPS選型不是特別專業(yè)的技術(shù)人員往往容易受這點影響而堅持選用工頻機；但從80%以上新建數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建選擇來看，高頻機系統(tǒng)的構(gòu)建是數(shù)據(jù)中心未來供電系統(tǒng)的必然趨勢。
構(gòu)建一個合理容量的UPS系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心來說意義重大，UPS系統(tǒng)的構(gòu)建需要考慮較多的因數(shù)，其效率和成本是比較重要的兩個因數(shù)。從技術(shù)的角度出發(fā)，我們只對效率進行探討，對于UPS系統(tǒng)的構(gòu)建把握兩個關(guān)鍵數(shù)字，50%和±15%，理解50%的關(guān)鍵就在于UPS系統(tǒng)負載在50%以上時其有比較高的效率，當(dāng)?shù)陀?0%負載時，其效率就急劇下降?！?5%是指用戶選型時選取效率與輸出功率的關(guān)系曲線和直流電壓變化±15%時的效率。充分理解50%和±15%專業(yè)的技術(shù)人員就能構(gòu)建合理容量的UPS系統(tǒng)；從成本角度講，機器的效率高，可以節(jié)省成本，選用容量時，也可以更加優(yōu)化。
（二）UPS系統(tǒng)運行方式選擇
對于一個數(shù)據(jù)中心而言，UPS系統(tǒng)的運行方式是由數(shù)據(jù)中心內(nèi)計算、存儲、交換等IT設(shè)備的需求決定的。IT設(shè)備的總功率決定了UPS系統(tǒng)容量，IT設(shè)備電源輸入回路需求決定了UPS系統(tǒng)組成方式。下面從多種因素結(jié)合討論數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)運行能耗優(yōu)化問題。
1.UPS單機運行
對于規(guī)模很小的數(shù)據(jù)中心，或者說有投資限制的數(shù)據(jù)中心，很多采用單機運行；對于該類型的數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化很簡單，設(shè)備選型很重要，選擇系統(tǒng)效率高的高頻機或模塊化UPS能從根本上提升該數(shù)據(jù)中心的PUE值；如果設(shè)備選型已經(jīng)為工頻機的就根據(jù)市電的電源質(zhì)量和設(shè)備的重要程度合理選擇單機的運行模式。如果市電電源質(zhì)量可靠是可以選擇大多數(shù)UPS具有的經(jīng)濟運行模式。
圖2UPS系統(tǒng)單機節(jié)能運行模式
2.UPS單系統(tǒng)并機運行
圖3UPS互動熱備份（ATS）運行
隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴大或IT設(shè)備重要性的增加，數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)的設(shè)備選型和運行方式必須轉(zhuǎn)為并機運行，當(dāng)然并機方式有多種，比如主從熱備份、互動熱備份、互動熱備份（ATS）、冗余（N+X）并機；大多數(shù)數(shù)據(jù)中心會選擇互動熱備份（ATS）或冗余（N+X）并機；對于選擇互動熱備份（ATS）系統(tǒng)來說，優(yōu)化系統(tǒng)能耗效率當(dāng)然直接的辦法是選用系統(tǒng)效率高的高頻機組，既可以保障系統(tǒng)的可靠性，又可以在單機輪換運行時提升和降低機組本身的能耗。
3.UPS多系統(tǒng)并機運行
圖4UPS冗余（N+X）運行
隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的進一步擴大或IT設(shè)備對電源冗余度提升，數(shù)據(jù)中心中UPS系統(tǒng)的構(gòu)建規(guī)模是越來越大，需要解決的問題和考慮的制約因素有越多，比如說現(xiàn)在很多重要程度很高的數(shù)據(jù)中心中IT設(shè)備對電源的冗余度要求很高，從雙電源逐步提升4電源、6電源、8電源，針對這類型的IT設(shè)備供電，單系統(tǒng)并機的UPS機組已經(jīng)不能滿足其需求，我們就需求為其設(shè)計多組如圖三的N+X冗余系統(tǒng)來滿足其需求；針對數(shù)據(jù)中心多電源設(shè)備的大量采用，其實大多數(shù)數(shù)據(jù)中心均采用AB路供電模式，即用兩套或多套N+X冗余系統(tǒng)來保障IT設(shè)備的供電，這也為數(shù)據(jù)中心降低能耗提供了機會，在市電質(zhì)量可靠的地區(qū)我們可以輪流把AB路UPS系統(tǒng)采用節(jié)能模式或公共旁路模式甚至直接采用可靠性較高的市電，即能保障數(shù)據(jù)中心的可靠性又能降低數(shù)據(jù)中心能耗。
四、安科瑞能耗統(tǒng)計分析（能源管理）解決方案
1.能效管理解決方案介紹
建立高效的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，對建筑各類耗能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進行實時測量，對采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟指標(biāo)及績效考核指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費情況，提高人員主動節(jié)能的意識。
① 搭建數(shù)據(jù)中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架，對各個用能環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)測；
② 排碳數(shù)據(jù)化：通過系統(tǒng)可實現(xiàn)建筑單位內(nèi)人均能耗分析（包括水、電、能量），實現(xiàn)低碳辦公數(shù)據(jù)化；
③ 區(qū)域能效比：實現(xiàn)建筑單位內(nèi)區(qū)域能耗對比，方便能耗考核；
④ 同期能效比：實現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對比，方便節(jié)能數(shù)據(jù)分析；
⑤ 能耗評估管理：按照能源消耗定額標(biāo)準(zhǔn)約束值、標(biāo)準(zhǔn)值、引導(dǎo)值進行分析單位面積能耗和人均能耗指標(biāo)；
⑥ 能耗競爭排名：各個功能區(qū)能耗對比，實現(xiàn)能耗排名，增強工作人員的節(jié)能意識；
⑦ 對能耗的使用數(shù)據(jù)進行綜合的分析、統(tǒng)計、打印和查詢等功能，并根據(jù)能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)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(jù)；
⑧ 能耗數(shù)據(jù)采集，隨時查詢，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，監(jiān)測異常能源用量，對能源智能儀表故障進行報警，提高系統(tǒng)信息化、自動化水平。
2.能源管理系統(tǒng)硬件配置
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應(yīng)用場景 |
型號 |
圖 片 |
保護功能 |
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能耗管理云平臺 |
AcrelCloud-5000 |
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采用泛在物聯(lián)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動通訊、智能傳感等技術(shù)手段可為用戶提供能源數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析、能效分析、用能預(yù)警、設(shè)備管理等服務(wù)，平臺可以廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。 |
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智能網(wǎng)關(guān) |
Anet系列網(wǎng)管 |
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采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網(wǎng)絡(luò)接口，作為信息采集系統(tǒng)中采集終端與平臺系統(tǒng)間的橋梁，能夠根據(jù)不同的采集規(guī)約進行水表、氣表、電表、微機保護等設(shè)備終端的數(shù)據(jù)采集匯總，并使用相應(yīng)的規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)給平臺系統(tǒng)。 |
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高壓重要回路或低壓進線柜 |
APM810 |
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具有全電量測量，電能統(tǒng)計，電能質(zhì)量分析及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，主要用于對電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控診斷及電能管理。該系列儀表采用了模塊化設(shè)計，當(dāng)客戶需要增加開關(guān)量輸入輸出，模擬量輸入輸出，SD卡記錄，以太網(wǎng)通訊時，只需在背部插入對應(yīng)模塊即可。 |
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APM520 |
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三相全電量測量，2-63次諧波，不平衡度，最大需量，支持付費率，越限報警，SOE,4-20mA輸出。 |
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低壓聯(lián)絡(luò)柜、 |
AEM96 |
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三相多功能電能表，均集成三相電力參數(shù)測量及電能計量及考核管理，提供上24時、上31日以及上12月的電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計。具有63次分次諧波與總諧波含量檢測，帶有開關(guān)量輸入和繼電器輸出可實現(xiàn)“遙信”和“遙控”功能，并具備報警輸出，可廣泛應(yīng)用于多種控制系統(tǒng)，SCADA系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)中。 |
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動力柜 |
ACR120EL |
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測量所有的常用電力參數(shù)，如三相電流、電壓，有功、無功功率，電度，諧波等，并具備完善的通信聯(lián)網(wǎng)功能，非常適合于實時電力監(jiān)控系統(tǒng)。 |
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DTSD1352 |
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DIN35mm導(dǎo)軌式安裝結(jié)構(gòu)，體積小巧，能測量電能及其他電參量，可進行時鐘、費率時段等參數(shù)設(shè)置，精度高、可靠性好、性能指標(biāo)符合國標(biāo)GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T614-2007對電能表的各項技術(shù)要求，并且具有電能脈沖輸出功能；可用RS485通訊接口與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。 |
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AEW100 |
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三相全電量測量，剩余電流、2-63次諧波，支持付費率，量值、電纜溫度，可選2G/4G通訊。 |
五、結(jié)語
數(shù)據(jù)中心的安全、高效、可靠運行是我們所有從業(yè)人員的首要目標(biāo)，在安全、高效、可靠運行的基礎(chǔ)上保證數(shù)據(jù)中心的綠色、低碳運行也是所有從業(yè)人員的義務(wù)。UPS系統(tǒng)的合理選型和系統(tǒng)合理構(gòu)建，比如UPS系統(tǒng)合理容量選擇、選擇單機運行效率高的高頻機、市電與UPS系統(tǒng)的混合供電、電源質(zhì)量越來越高的市電直接為IT設(shè)備供電，也需要數(shù)據(jù)中心設(shè)計人員及運維工作者去推廣和積累更多的經(jīng)驗。
【參考文獻】
[1]任妍.新基建為經(jīng)濟發(fā)展注入新動能[J].人民網(wǎng)財經(jīng)頻道,2020,5.
[2]周鶴良.電氣工程師手冊[J].中國電力出版社,2010,4:223-230.
[3]李長春.數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵設(shè)備電源質(zhì)量探討[J].信息系統(tǒng)工程,2017,12.
[4]李長春.張謙.喬蔚林，數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)運行能耗優(yōu)化探討
[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.5版
作者簡介：
龔永波，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網(wǎng)供配電，Email: 28801392115@qq.com手機：18702101301 QQ:2881392115
