數據中心能效診斷系統及節能管理措施

關(guān)鍵詞：數據中心；能效診斷；電能治理；節能改造

     數據中心能效診斷是通過(guò)對數據中心總體用能分析、IT設備用能、制冷系統和配電系統耗能及能效對標。制冷系統主要的能效評估指標是制冷負載系數CLF，是數據中心制冷設備耗電與IT設備耗電的比值，而供電負載系數PLF是數據中心供配電設備耗電與IT設備耗電的比值，而數據中心PUE值也與這兩個(gè)系數密切相關(guān)。如圖1所示：

  

圖1 數據中心CLF、PLF和PUE的關(guān)系

     在數據中心只有IT設備的耗電(圖1中的E4)被認為是“有意義"的電能。所以除了IT設備外，其它設備消耗的電能占比越低，那么數據中心的PUE值表現就越優(yōu)秀。Acrel-8000數據中心能效管理系統主要從以上幾個(gè)數據來(lái)診斷數據中心的能效并給出針對性的改造方案。

       2 能效診斷

      某數據中心建成較早，機房建筑面積約1.5萬(wàn)㎡，地上兩層，一層設置為變配電室、蓄電池室、冷水機組室、運營(yíng)商機房等電力和網(wǎng)絡(luò )基礎設施，見(jiàn)圖2。二層主要設置12間機房，總共可部署約3000組機柜，已部署1500組。供電系統設置兩臺110kV主變，2個(gè)10kV開(kāi)閉所，4個(gè)10/0.4kV低壓變配電室，8臺低壓變壓器，總供電容量2萬(wàn)KVA，低壓配電室配備有UPS設備以保障供電，末端共70面安科瑞ANDPF精密配電柜為IT設備提供主備電源。

圖2 數據中心一層平面圖

      Acrel-8000數據中心能效管理系統對數據中心從110kV變電站到末端精密配電柜實(shí)現了全覆蓋的能源管理、設備監測和能耗分析，見(jiàn)圖3。主要功能包括：

      ?電力監控：監控110kV變電站、2個(gè)10kV開(kāi)閉所，4個(gè)10/0.4kV低壓變配電室配電系統運行情況，實(shí)現遙測、遙信、越限報警、故障分析、電能質(zhì)量分析、運行報表等功能；

?設備監控：監測柴油發(fā)電機、變壓器、UPS、蓄電池組、精密配電柜、精密空調的狀態(tài)以及運行參數，并提供異常預警、運行報表等功能；

     ?能耗診斷：統計數據中心總能耗、IT設備能耗、制冷系統能耗、供電系統能耗、照明及辦公能耗等分項用能，并計算CLF/PLF/PUE等能耗指標；

     ?環(huán)境監測：監測數據中心溫濕度、水浸、電池室氫氣濃度等數據并提供越限告警；

     ?運維管理：進(jìn)行發(fā)布工單、巡檢計劃、工單跟蹤管理等，協(xié)助維護人員高效運維。

圖3 Acrel-8000數據中心能效管理系統高壓配電系統和精密配電柜監測

    系統調試完畢經(jīng)過(guò)一年時(shí)間運行后，系統發(fā)現數據中心能源利用效率比較低。經(jīng)過(guò)系統數據顯示，全年IT設備用能占比51%，制冷系統(冷凍水機組、空調末端、新風(fēng)等)用能占比36%，供電系統(變壓器、UPS、發(fā)電機、開(kāi)關(guān))10%，照明及辦公等占比約3%。

     由于數據中心機電設備老舊，缺乏有效的節能管理控制措施，能效利用效率較低，落后于新建數據中心。

     數據中心大樓采用集中空調系統供冷，主要設備有冷水機組、冷卻塔、冷凍泵、冷卻泵。通過(guò)系統可以發(fā)現空調系統水冷式制冷主機全年不間斷運行，定頻制冷主機負荷率在80%-90%時(shí)，變頻制冷主機負荷率在60%-70%時(shí)主機運行時(shí)綜合能效*高。但系統運行操控過(guò)程中，兩種主機大部分時(shí)間均未運行在較高效率區間，夏季、春秋、冬季工況時(shí)，系統冷凍水出水溫度保持恒定5℃，未根據實(shí)際環(huán)境負荷的變化而調整系統出力，也未充分利用冬季自然冷源。

     數據中心現有8臺變壓器，分別來(lái)自2個(gè)10kV開(kāi)閉所，變配電系統采用雙路互備模式接入，UPS系統為5個(gè)數據機房服務(wù)器供電，通過(guò)系統發(fā)現變壓器低壓側測量發(fā)現諧波較為嚴重，現場(chǎng)未安裝諧波治理裝置。UPS系統大量蓄電池組單體電池性能不一致，內阻過(guò)大導致整組電池充放電發(fā)熱，損耗增加，存在安全隱患。

    數據中心照明系統采用節能燈和筒燈，公共區域及數據中心區域采用手動(dòng)控制，大樓照明光源主要采用普通熒光燈和筒燈等，燈具規格品種較多，部分區域照度不滿(mǎn)足規范規定的照度要求，控制方式也比較落后。

    當室外濕球（或者干球溫度）低于室內空調設計溫度并達到一定數值時(shí)，用流經(jīng)冷卻塔的冷凍水或冷卻水直接或間接為空調系統提供冷量，來(lái)消除室內冷負荷，這樣就是利用自然冷源。

    完善機房?jì)仍O備的參數監測和控制，監測主機負荷率、冷凍冷卻出回水溫度壓力、室外濕球溫度等參數，為中央空調系統提供全系統優(yōu)化運行平臺。自動(dòng)調節制冷主機運行在高效率區間，實(shí)時(shí)根據負荷變化情況，調整出水溫度，預計將使冷水機組能效提高約8%。

     由于數據中心主要負載均為IT設備，供電使用較多的UPS、制冷系統使用較多變頻設備，其在工作過(guò)程中會(huì )對低壓電網(wǎng)側造成諧波反饋，嚴重影響配電系統電能質(zhì)量，變壓器低壓側諧波畸變率達到50%，遠遠超出國家標準。這也會(huì )導致電纜發(fā)熱，增加電能損耗，影響開(kāi)關(guān)電源使用壽命，降低設備使用性能。

     在每臺變壓器下加裝500A有源諧波治理系統裝置進(jìn)行集中治理，型號為AnSin-500-M Ⅰ型，自動(dòng)跟蹤補償負載產(chǎn)生的諧波電流，大大降低諧波畸變和中性線(xiàn)電流,保證供電系統安全可靠運行，同時(shí)也降低了系統損耗，見(jiàn)圖4。

圖4 AnSin-500-MⅠ型集中治理裝置    

     在對一些諧波比較嚴重的回路進(jìn)行就地補償，比如選取該中心UPS出線(xiàn)端對前后波形數據進(jìn)行對比，通過(guò)裝設AnSin-300-B Ⅰ型有源濾波治理系統后，電壓畸變率從6.32%降值2.05%，電流畸變率從28.94%降值5.67%，提升了電網(wǎng)波形質(zhì)量，見(jiàn)圖5。

                                   

      圖5  AnSin-300-BⅠ型壁掛式治理裝置

      UPS供電系統是滿(mǎn)足數據中心供電可靠性的核心部分，而蓄電池又是整個(gè)系統中*重要的組成之一，是整個(gè)供電系統的“*后一道屏障"。當組串中的一只電池因過(guò)充、過(guò)放等原因造成電池性能下降，電池內阻增大，會(huì )導致電池出現發(fā)熱、鼓包等現象，將造成供電系統安全性的整體下降，同時(shí)增加蓄電池充放電的損耗。

     系統在電池室增加氫氣濃度監測傳感器，當氫氣濃度超標時(shí)可啟動(dòng)排風(fēng)系統，同時(shí)增加蓄電池監控系統，監測蓄電池的電壓、內阻與內部溫度功能，數據接入Acrel-8000數據中心能效管理系統，通過(guò)對蓄電池系統科學(xué)的運維管理，監測維護，及時(shí)發(fā)現故障隱患，從而客觀(guān)上延長(cháng)蓄電池的使用壽命，保障供電安全，降低總體擁有成本，見(jiàn)圖6。

圖6 蓄電池在線(xiàn)監控示意圖

 

     對數據中心機房選用高光效的LED光源燈管替換原有節能燈和筒燈，增加智能照明控制系統。在走廊、電梯前室、洗手間等公共照明區域安裝紅外人體感應傳感器，通過(guò)智能照明控制器進(jìn)行控制，做到人來(lái)燈亮、人走燈滅，同時(shí)在值班室的Acrel-8000系統主機上也可以集成整個(gè)數據中心照明的集中控制和狀態(tài)監視，節約照明用電，見(jiàn)圖7。

   

圖7 智能照明控制系統示意圖

    數據中心樓頂具有較大的光伏組件安裝面積，通過(guò)增加光伏太陽(yáng)能組件及逆變器，采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式并入低壓電網(wǎng)，為數據中心提供清潔能源供電，降低數據中心碳排放。光伏組件吸收太陽(yáng)能轉化電能的同時(shí)也將反射、折射太陽(yáng)熱量，在屋頂形成一個(gè)遮蔽結構，*大限度避免數據中心因陽(yáng)光直射造成熱量聚集，有效降低建筑物夏季空調能耗，進(jìn)而減少數據中心空調能耗，預計光伏系統每年發(fā)電量40萬(wàn)kWh。

 

     安科瑞針對數據中心的能效產(chǎn)品除了能效管理系統和上述電能質(zhì)量治理裝置、蓄電池監測、智能照明控制和分布式光伏外，還包括高低壓配電綜合保護和監測產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置(A類(lèi))、智能小母線(xiàn)系統、精密配電柜、電氣消防類(lèi)解決方案等。

 

    隨著(zhù)新建的數據中心越來(lái)越多，政府對數據中心的要求也越來(lái)越高，無(wú)論是新建的，還是已經(jīng)運行多年的數據中心都有必要通過(guò)技術(shù)手段來(lái)診斷數據中心的能源利用效率，找到節能空間，確定適合本項目的節能改造方法，從而提高數據中心PUE值。Acrel-8000數據中心能效管理系統，加上安科瑞電力監控、電能質(zhì)量監測和治理、蓄電池監測、智能照明控制和分布式光伏等硬件產(chǎn)品，結合空調控制的相關(guān)技術(shù)，幫助數據中心提高能效，減低碳排放，建造綠色、環(huán)保數據中心。