數據中心供配電系統的節能方案

韋作韜

（廣西通信規劃設計咨詢有限公司，廣西南寧 530007）

0 引 言

由于數據中心的服務器系統需要動力支撐，所以數據中心的能耗問題日益突出，運營成本也大幅增加，給數據中心能源消耗管控工作帶來了嚴峻的挑戰。數據中心在節約能源方面的工作面臨著更高、更嚴的要求與標準。

1 數據中心電源系統現狀

數據中心的電源系統是整個數據中心的運營基礎與保障，具有綜合性與全面性的特點，是較為高級復雜的供配電系統。此系統負責對數據中心各種服務器、計算機系統的供電。一般數據中心供電系統主要由高壓變配電系統、低壓配電系統、油機發電系統、自動轉換開關系統及不間斷電源系統等組成，其中UPS系統直接向數據中心各類服務器進行供電。

目前，數據中心不間斷電源系統主要使用兩種方式進行供電，即UPS系統和高壓直流系統。但是由于投入成本及技術成熟度等因素，目前許多擁有較大規模的數據中心機房使用的不間斷系統大部分為UPS系統。該系統不僅較為落后、能耗高，而且其單機的負載量往往處于10%～30%，效率較低。高壓直流系統發展相對較晚，目前使用的不多，且還有部分IT服務器不支持直流供電，也在一定程度上影響了高壓直流系統的發展。據電信運營商發布的調查研究數據表明，數據中心的能源消耗量逐年上升。

2 數據中心電源系統的設計節能方案

備的等級越低，同一功率下需要的電纜截面就更大，能顯著地降低能耗。（2）一定程度上縮減通信用電設備與配電屏之間的電纜總長，能夠減少線路的損耗。通常，將兩種方案中的一個和用電設備到電源主機之間的電纜發熱耗損作對比即可做出合適的選擇，實現節能減耗的目標。

實際的熱損公式為：

期中，Q是發熱帶來的能量耗損，I是流經電纜的電流，R是電纜的電阻值，t是電流流經電纜所用的時間。

因為線纜的電阻值與線纜的總長度呈正比的關系，因此將電源安設于通信機房中是一個優質的方案，不僅可以大幅減少電能的耗損，而且可以顯著降低電纜的前期投資成本，進而實現節能降耗的預期目標[1]。

2.2 利用高壓直流供電取代傳統的UPS

目前，大多數的數據中心服務器都使用高頻開關電源技術，將220V/380V輸入交流電壓整流為300V直流電壓，再經過DC/DC變換降壓為更低的直流電壓，為服務器內部電子元器件進行供電。當前的數據中心中，有超過90%的服務器使用UPS開展直接供電工作。因為大多數的服務器電源模塊與相關的機房設備均以交流電源的輸入為基礎進行設計，因此UPS的輸出交流形式可以與普通市電的電源匹配，借助交流到直流再到交流的切換，從而提供無雜質且運行穩定的交流電源。但由于傳統的UPS的供電效率較低，導致能耗較高。圖1為傳統UPS供電原理圖，圖2為高壓直流供電系統原理圖。

2.1 電源前置安裝到設備機房

若數據中心機房條件合適，可以直接將直流電源安置于帶有通信設備的機房內。（1）因為電源電壓具

圖1 UPS供電原理圖

由圖1和圖2可知，高壓直流供電系統比UPS系統更能顯著簡化直流到交流的轉化過程，同時能夠對服務器中交流到直流的整流過程進行去除優化，大幅減少了供電系統的熱損，提升了能源使用的效率。

圖2 高壓直流供電原理圖

3 系統運行維護中的節能方案

3.1 實現變壓器的經濟運行

設備運行期間，變壓器可能會出現空載損耗和負載損耗的現象，往往會擁有相對不高的電能轉化率，難以實現100%的電能轉化率。實際應用過程中，變壓器的損耗情況也會因外部條件的差異而有所不同，相對比較復雜。如果控制電網的電壓與頻率等參數保持不變，變壓器的空載損耗并不和負荷容量具有顯著的相關性，即負載耗損與負載率沒有直接的線性關系。

變壓器的功損耗公式為：

其中，P0是變壓器的空載損耗量，KT是負載波動的消耗系數，Pk是變壓器的額定負載損耗，Sc是變壓器的計算負荷，Sr是變壓器的額定容量，β是變壓器的負載率。依據變壓器各種負荷率條件下的能量損耗能夠計算出理論條件下的最佳負荷率。如果幾臺變壓器同時為負載供給電能，可以依據實際的負荷來選擇性地投入一臺變壓器或者減少一臺變壓器。表1為SCB10系列變壓器在經濟運行條件下的臨界負荷表。

3.2 對負載進行均衡分配

設備運行過程中，電源設備的效率會隨著負載率的不同而有較大的差異。因此，日常運行維護過程中應該依據實情來科學地配置負載，以顯著地減少電能的損失。對于多臺變壓器，如果總荷載一定，實際投入到運行過程中的臺數已為最小的冗余數，那么經由均衡變壓器的負載，就能夠實現總銅損的最小化。對于較為智能的UPS并聯系統和通信電源模塊，各個并聯的功率單元之間能夠自動地進行負載的平均分配，可依據負載特點與性質的不同對投入其中的功率單元數進行動態個性化的修改與優化，進而大幅度、整體提升電源的效率[2]。

3.3 對低壓供電系統的諧波治理

很多通信設備都為非線性負載體，這些設備能夠在供電的回路中加入各種諧波。根據UPS容量大小及使用場合等情況，輸入電流諧波成分（THDI）分為3個等級＜5%、＜15%及＜25%。這些諧波既可能干擾供電系統的順利進行，又可能影響同一個供電線路中的其他設備運行，帶來難以控制的發熱效應，進而加大電能的損耗。因此，相關技術人員應該進一步注重諧波問題，采用高效的解決方案消除諧波，實現能源的節約。

4 節能方案措施及效果案例

南方某省份的某個運營商數據中心機房配電系統中擁有S6系列的兩組4×200 kVA的并機UPS系統，使用十二脈沖整流再加上11次諧波濾波器進行諧波的消除工作。經實地的測定與計量，在每臺UPS的負載率等于30%的條件下，三相的輸出電流普遍為88 A。在相同的負載情況下，如果不配備11次濾波器時，三相輸入電流的平均值為122 A；11次濾波器投入使用后，輸入電流的平均值便縮小至98 A，每相的電流均間隔24 A。

表1 變壓器經濟運行的臨界負荷表

按照三相交流電功率的公式開展相關計算，實際功率為P=1.732UIcosφ，其中，cosφ是功率因數，通常取值0.9；P是交流電的實際功率，U是交流電的實際電壓，I為交流電的實際電流。依據計算結果可知，這一型號的UPS電源經過11次濾波器的投入，每臺UPS都可以降低14.2 kW的能耗，那么一年就可以節省電能12.4萬度。因此，為十二脈沖整流器裝配11次濾波器，能夠顯著提升節能減耗的效果。

5 結 論

設計電源系統時采取節能降耗的環保理念，再加上科學的管理電源系統，能真正實現能耗的降低。實際操作過程中，要充分考慮到每個環節可能會出現的變化，如實施系統的便捷性、系統的安全性及投資的回報等方面。對節能降耗的效果以及因此發生的連鎖反應做出精準地預測和全面地評估，以保證系統的可靠運行和節能降耗目標的實現。