（世源科技工程有限公司，广东，广州，510630）
1、项目背景及目的
随着中国经济的飞速发展和企业对互联网认识的不断加深，IDC数据中心在近几年成为投资热点。但随之而来的就是IDC数据中心日益庞大的电费开销。根据近期Gartner的预测报告中提到，企业平均每年在用电成本上的花费大于它建设时在硬件设备上的投资额。
如何降低数据中心的运营成本是各类运营商关注的问题。供电系统是IDC数据中心节能的最重要一环，其中包括UPS和变压器两个主要供电设备。机房所有的IT设备均由UPS供电，大型数据中心的UPS装机总容量均已经达到千万伏安级。变压器则是高低压配电系统的核心，牵涉到数据中心最重要部分的建设与运行费用。
本文将分析现有数据中心的能耗现状，综合对比各类因素进行深入研究，为后续数据中心规划、实施及其机房节能提供经验数据，提出改进的措施及合理建议。
2、现有数据中心供电系统存在的问题
根据对多个运营商、企业数据中心的供电系统进行数据实地采集，经分析存在下述问题。
1）UPS的平时负载率较低
UPS是数据中心里至关重要的一环，其关系到通信设备的正常运行，同时也是占投资比较大的建设内容。多数数据中心的UPS的负载率分布于20%~30%之间，而主用负载率分布于40%~55%之间。
UPS的负载率维持在40%~100%之间时，其供电效率能保持在90%以上；而当UPS的负载率低于30%时，效率迅速下滑，导致电能损耗加大。当UPS的负载率为20%~30%的范围时，其损耗不容忽视。
2）变压器的平时负载率较低
变压器是数据中心供电系统中的前端核心部分，其选型牵涉到供电系统日常运行的节能，以及工程建设中变配电系统的投资。根据实测数据，多数数据中心的变压器的负载率分布于20%~30%之间，而主用负载率分布于40%~55%之间。
目前新型的变压器最佳负载率为0.45左右，反映变压器的设计选型同样偏大，导致建设中外电引入、高低压配电系统，以及柴油发电机组等一系列供配电设备的投资浪费，同时导致运行损耗增加。
3、数据中心供电系统节能配置模式的内容
为了给后续数据中心的设计与建设提供更好的优化模式，以达到节能减排、降低建设投资与运行费用的目的，本文将提出数据中心供电系统的节能配置模式，其内容包含：
1）用电负荷需要系数的合理取值
2）UPS等电源设备的合理设计选型
3）变压器及变配电系统的合理设计选型
4）降低供电系统中的谐波
3.1 用电负荷需要系数的合理取值
研究机房用电负荷（包括IT设备、空调主设备、机房空调末端）在设计中的关键性指标——需要系数的取值方法，以指导后续机房建设中对变压器、UPS等设备的选型设计。
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1）通信设备的需要系数取值
数据中心内最大的用电设备类型就是通信设备，因此如果要对UPS、变压器等供电设备合理选型，首要工作就是要把通信设备的需要系数约束在合理范围内。
●通信设备功率的计算方式
单机架功率通常标识为4kW、6kW等，其意义是限制一个机架上安装的通信设备的功率总和。对于单个通信设备而言，在设计中用于计算的“设备功率”取自其铭牌电源标称功率。而实际上从单机的铭牌电源标称功率是指设备的最大输出功率，不可将其直接用于计算负荷，而应考虑：电源的AC/DC效率（约85%）、电源本身的裕量（约80%）、多台设备运行的同时系数（约0.8），综合计算，可知一般机架的实际需要系数约为0.75。
●机架上架率
数据中心本身机架的上架量不平衡导致了各机房之间的通信负荷用电有较大的差异，机架上架率对需要系数有较大的影响。应根据企业的发展状况和市场情况对机架的上架率进行估算。
应综合分析上述因素，再结合现有机房的运营经验，对新建数据中心的需要系数进行范围上的确定。在设计阶段，在单机架功率已经明确的前提下，结合考虑业务类型、远期扩容需求，通信设备的设计需要系数可在0.7~0.75之间选择。
3.2 UPS设计选型
3.2.1 采用高效低耗的UPS设备
UPS主机的效率直接决定了整个UPS系统的能耗，这也使得数据中心运营单位对UPS效率的要求日益提高。以一个容量为300KVA的UPS为例，每度电按0.9元计算，UPS效率每提高1%，一年节省的电费为300×0.8×0.01×24×365×0.9=18921.6元。可见提高UPS的工作效率，可以为运营单位节省一大笔电费，因此提高UPS效率是降低整个机房能耗的最直接方法。
UPS效率的提升是与产品设备紧密相关的。建设单位在招标采购时应对UPS设备的效率作出严格规定，杜绝高耗能低效率的产品。
3.2.2 UPS的按需扩容策略
通常数据中心的机架上架并非一步到位，而是在几年内逐步上架。如果UPS一次投资完成，一次性建设几套大功率的UPS并机，则初期负载只会有10~20%，没有达到规划的负载就进入了设备淘汰期，不仅造成投资的浪费，而且也无法使UPS运行在较高的效率点，造成电能的浪费。为了避免这种情况的发生，从UPS系统的建设角度考虑，可采取如下措施：
1）采用UPS在线并机扩容
机房UPS容量规划，可以根据不同时期的负载容量要求，采用逐步扩容的方案，使投资方案更经济，同时也能使UPS工作于较佳的功率点。目前的中、大功率段的UPS均已经具备冗余并机功能，不仅提高了系统的可靠性，同时也对机房扩容提供了条件。
2）采用模块化UPS，实现逐步扩容
目前，模块化UPS已经开始在国内应用，模块化UPS特点主要包括：可扩容、平均故障修复时间(MTTR)短、可经济实现N+X冗余。其特点是可以根据机房的实际容量需求，逐步扩容，只要在机房初期规划好配电容量即可。
3.3 变压器设计选型
3.3.1 尽量使变压器运行于综合最佳负载率
当变压器的铜损等于铁损时，即固定损耗等于可变损耗时，变压器的损耗最小，效率最高，此时的负载率为最佳负载率。目前的新型低损耗变压器的βjz为0.45左右。在设计阶段应准确计算用电负荷的计算功率，使变压器在实际运行中接近综合最佳负载率
3.3.2 考虑采用节能型非晶合金变压器
非晶合金变压器(Amorphous Metal Transformer)是一种低损耗、高能效的电力变压器。此类变压器以铁基非晶态金属作为铁芯，由于该材料不具长程有序结构，其磁化及消磁均较一般磁性材料容易。因此，非晶合金变压器的铁损（即空载损耗）要比一般采用硅钢作为铁芯的传统变压器低70-80%。粗略估算采用非晶合金变压器相对普通硅钢变压器所增加的投资，回收期在3~4年。
3.4 降低供电系统谐波
数据中心中的主要谐波源是：UPS等带有整流环节的通信电源设备，以及空调主设备的变频器。谐波的危害包括：引起电气组件附加损耗和发热(如电容、变压器、电机等)；电气组件温升高、效率低；加速绝缘老化、降低使用寿命； 供电系统整体各环节损耗增大，效率降低。降低系统中存在的谐波的主要方法有：
1）推广使用高频UPS
UPS采用高频IGBT整流及PFC功率因数校正电路设计整流器。原理是采用高频率PWM控制IGBT导通，对输入电压波形进行分割，使输入电流波形尽量接近正弦波，并对输入电压和电流相位差进行补偿。优点是体积轻，价格便宜，效果好。缺点是技术结构复杂，不易维护，受功率器件影响，目前容量大小受到限制。
2）低压配电系统采用谐波滤波器，可分为无源滤波和有源滤波。
采用无源滤波器：采用LC滤波电路原理，对UPS产生的谐波进行滤除，并对功率因数进行补偿。优点是技术简单，成本较低，缺点是只能补偿特点阶次的谐波，同时受负载阻抗影响较大，无法全功率段适用。
采用有源滤波器：原理是利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。优点是可以补偿多个阶次的谐波，且不受负载阻抗大小影响。缺点是购置成本较高。
小结
本文前期调查了多个数据中心的用电负荷实测数据及历史数据，对数据中心供电系统现存问题进行了详细分析，并针对数据中心提出了供电系统节能配置模式，对用电负荷需要系数、UPS和变压器的选型，以及谐波的治理问题进行了研究和论述，为后续数据中心建设提出了建设性意见。
论文作者:肖力扬
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年1月供稿
论文发表时间:2016/4/22
标签：数据中心论文; 变压器论文; 负载论文; 供电系统论文; 谐波论文; 机架论文; 系数论文; 《工程建设标准化》2016年1月供稿论文;