數據中心供配電系統節能技術研究

薩其日拉圖

（中鐵十二局集團電氣化工程有限公司，天津 300308）

0 引 言

供配電系統是軌道交通系統的重要組成部分，為軌道交通系統提供穩定可靠的電能供應，保證列車牽引、信號處理、通信以及空調等各類設備的正常運行[1]。供配電系統也是軌道交通系統中能耗最大的部分，其能耗占整個軌道交通系統能耗的60%以上[2]。因此，如何提高供配電系統的節能效率，降低供配電系統的運行成本和環境影響，是軌道交通領域的一個重要課題。文章以上海地鐵數據中心供配電系統為研究對象，分析數據中心供配電系統的現狀和存在的問題，探討數據中心供配電系統節能技術。

1 數據中心供配電系統現狀

上海地鐵數據中心供配電系統為數據中心的各類設備提供電能供應。供配電系統采用雙路市電輸入，通過2臺35 kV/0.4 kV變壓器降壓后接入0.4 kV總配電柜。供配電系統將負荷分為3類，即A類負荷、B類負荷以及C類負荷。A類負荷是最重要的負荷，包括機房內的服務器和網絡設備等；B類負荷為次重要的負荷，包括控制室內的顯示屏和控制臺等；C類負荷為一般的負荷，包括辦公室內的燈具和插座等。供配電系統能夠為A類負荷和B類負荷提供雙路電源，采用模塊化不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS），總容量為1 200 kVA，還配備了柴油發電機組，作為UPS的后備電源和整個數據中心的最后防線。供配電系統為C類負荷提供單路市電供電。當市電線路出現故障時，C類負荷停止供電。此外，供配電系統包括監測、控制、保護以及接地等設備和系統，與數據中心控制系統相連，實現遠程監控。

2 數據中心供配電系統架構

數據中心的供配電系統由外部的市電、后備電源、中壓配電、變壓器、UPS以及低壓配電組成。對于一個高等級的數據中心，供電系統標準的設計采用2N容錯架構，具有2路市電+自備發電機、2路獨立的中低壓配電和2路獨立的UPS[3]。在2路獨立的配電系統中，還增加了中壓和低壓的母聯裝置，提高了配電系統的可靠性和容錯能力，使其在電力中斷、配電故障或檢修時仍然能夠保障信息技術（Information Technology，IT）設備的正常運行。典型的數據中心配電系統架構如圖1所示。供配電系統主要的損耗來自變壓器、UPS以及各鏈路的開關和線路。變壓器損耗包括空載時鐵芯中的磁滯、渦流產生的損耗和帶負載時繞組中的電阻、銅損產生的損耗。變壓器的能效等級越高，損耗越低。線路損耗是指電纜在輸送電能或信號過程中，由于導體電阻、絕緣介質、接頭等因素產生的損耗。一般情況下，電纜截面越大，傳輸距離越短，傳輸損耗越小[4]。此外，UPS的能量轉換效率是影響供配電系統能耗的關鍵因素。

圖1 數據中心供配電系統架構

3 數據中心供配電節能關鍵技術

3.1 變壓器節能

數據中心供配電系統中，變壓器的作用是把高壓電源轉換成適合數據中心設備使用的低壓電源。變壓器在工作過程中會產生一定的能耗損失。為降低變壓器的能耗，提高數據中心供配電系統的節能效率，可從以下幾個方面進行節能優化。

第一，選擇高能效變壓器。所選變壓器要符合國家標準《電力變壓器能效限定值及能效等級》（GB 20052—2020）的要求，優先選用1級或2級能效的變壓器。根據《變壓器能效提升計劃（2021—2023年）》（工信廳聯節〔2020〕69號），到2023年，新建大型和超大型數據中心的電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值必須達到1.4以下，當年新增高效節能變壓器占比達75%以上[5]。

第二，選擇合適容量和絕緣等級的變壓器。過大或過小的容量會造成變壓器空載或過載運行而增加損耗。一般情況下，可以選擇絕緣等級為F級（120 ℃）的變壓器[6]。

第三，選擇非晶合金材料的變壓器。非晶合金材料具有高飽和磁感應強度、低磁滯系數、低渦流系數等特點?？蛰d損耗只有普通硅鋼片的30%～40%，節能效果顯著。

第四，選擇箔繞式繞組結構的變壓器。箔繞式繞組結構具有低電阻、低溫升、低局部放電以及低噪聲等特點，負載損耗比線繞式繞組結構低10%～20%，同時有利于提高變壓器的可靠性[7]。

第五，合理布置變壓器位置。變壓器盡量布置得靠近負荷區域，縮短低壓線纜長度，降低線路傳輸損耗。同時，考慮變壓器的散熱和噪聲對數據中心環境的影響，需要采取相應的隔熱和隔聲措施。

3.2 中壓直流供電

數據中心作為信息技術的基礎設施，對供電質量和可靠性有著極高的要求。傳統的數據中心供配電系統架構采用中壓交流工頻同步發電機組，通過變壓器降壓至低壓交流，再通過UPS轉換為低壓直流給數據中心設備供電[8]。該方式包括多次交直流變換環節，存在能量損耗和設備占地面積大等問題。

為降低數據中心供配電系統的能耗，提高數據中心供配電系統的節能效率，可采用基于中壓直流供電的數據中心供配電系統架構。與傳統的數據中心供配電系統架構相比，基于中壓直流供電的數據中心供配電系統架構可以減少交直流變換環節，從而提高能量傳輸效率。由于發電機組輸出的交流電可以直接整流為中壓直流電，通過變換器向數據中心設備輸入低壓直流電，避免經過多次交直流變換造成能量損耗。同時，變換設備的體積和質量更小，能夠節省空間。由于取消了大容量的推進變壓器和配電變壓器，功率變換設備能在更高的頻率下運行，減小了變換設備的變壓器體積和質量。同時，由于沒有電流的集膚效應，也不用傳輸無功功率，大大減輕了電纜的質量。此外，采用較高的輸配電網絡電壓，可以降低線路傳輸損耗。以上海地鐵數據中心為例，傳統數據中心供配電系統架構需要2臺35 kV/0.4 kV變壓器，每臺變壓器的額定容量為800 kVA，空載損耗為1.5 kW，負載損耗為6.5 kW。假設變壓器運行時的負載率為80%，則每臺變壓器的總損耗為7.7 kW，2臺變壓器的總損耗為15.4 kW。如果采用基于中壓直流供電的方式，則可以取消變壓器，節省15.4 kW的能耗。

3.3 模塊化UPS

模塊化UPS按照UPS部件的主要功能，將整個UPS分成功率變換、電池系統、智能管理以及通信等幾個部分，再按照基本功能和功率容量，把每部分在結構上做成獨立的可熱插拔模塊[9]。模塊化UPS具有可擴展的功率解決方案，通過為每個模塊提供獨立控制實現冗余。各模塊并行同步，未使用的模塊（無負載）變為N+1、N+2、…、N+N。傳統的數據中心供配電系統架構采用塔式UPS，缺點是占地面積大、擴展能力差、維護困難等。為提高數據中心供配電系統的節能效率，可以采用模塊化UPS方式。采用模塊化UPS方式，具有諸多優勢。一是可以減少設備占地面積，節省空間。模塊化UPS采用高功率密度設計，與塔式UPS相比，可以節省約50%的空間。二是可以提高系統可靠性。模塊化UPS采用N+X冗余設計，可以避免因單點故障導致的系統停機或切換旁路，從而減少因供電中斷或波動而造成的設備損壞或數據丟失，降低設備的維修或更換成本，延長設備的使用壽命，節約能源。三是可以降低系統運行成本，節約能源。模塊化UPS采用智能ECO運行模式，在負載較低時，可以關閉多余的模塊或將其切換到待機狀態，降低系統的損耗。四是可以簡化系統維護，提高能耗管理效率。此外，模塊化UPS具有智能能量管理系統，可以實現遠程監測、控制和管理，及時發現并解決系統存在的問題，優化系統的運行參數，提高系統的轉換效率，節約能源。

以上海地鐵數據中心為例，將原有的塔式UPS改為模塊化UPS，可以節省約10%的能耗。第一，變壓器節能。模塊化UPS采用高功率密度設計，每個模塊的功率容量高達100 kVA/3U，可以實現“一柜一兆瓦”的超高密度。因此，可以將2臺35 kV/0.4 kV變壓器的額定容量從800 kVA降低到600 kVA，從而降低變壓器的空載損耗和負載損耗。第二，UPS節能。模塊化UPS采用智能ECO運行模式，可以根據負載需求自動調整輸出功率和輸入功率之間的匹配度。當負載較低時，可以關閉多余的模塊或將其切換到待機狀態，降低系統損耗。第三，線路節能。模塊化UPS采用可熱插拔設計，可以實現在線維護。當某個模塊需要維修或更換時，無須停機或切換旁路，只需將其從機柜中拔出并插入新的模塊，可以減少線路的長度和截面積，從而降低線路傳輸損耗。

3.4 智能ECO運行模式

負載較低時，系統會關閉多余的模塊或將其切換到待機狀態，使得系統的輸出功率和輸入功率之間的匹配度達到最優；負載增加時，系統會自動啟動或喚醒相應的模塊，在幾毫秒內完成切換，保證供電不間斷[10]。通過該方式，系統可以實現在不影響供電質量和可靠性的前提下，最大限度地降低系統的損耗和耗電量。

一方面，智能ECO運行模式降低了系統運行成本，節約了能源。智能ECO運行模式可以根據負載需求自動調整輸出功率和輸入功率之間的匹配度，使得系統在不同負載下都能保持最高的轉換效率。另一方面，智能ECO運行模式可以實現自動故障檢測和隔離。當某個模塊發生故障時，系統會自動將其從并聯中剔除并通知維護人員，能夠簡化系統維護和管理流程，提高效率。智能ECO運行模式可以實現遠程監測、控制和管理，通過智能能量管理系統，實時獲取系統的運行狀態、參數、報警等信息，并進行遠程控制和調節。

若將上海地鐵數據中心的模塊化UPS切換到智能ECO運行模式，則可以節省5%～10%的能耗。

4 結 論

文章以上海地鐵數據中心為例，分析數據中心供配電系統的現狀、架構以及節能關鍵技術。數據中心供配電系統采用2N容錯架構，具有2路市電+自備發電機、2路獨立的中低壓配電和2路獨立的UPS，增加了中壓和低壓母聯裝置，具有良好的系統可靠性和容錯能力。文章重點介紹變壓器節能、中壓直流供電、模塊化UPS以及智能ECO運行模式這4種關鍵節能技術?？梢姡捎霉澞芗夹g可顯著降低數據中心供配電系統的能耗，具有較好的節能效果。