大型數(shù)據(jù)基地能耗精細(xì)化管理探討

徐 華（河南省信息咨詢設(shè)計(jì)研究有限公司，河南鄭州450000）

0 前言

中原數(shù)據(jù)基地是河南聯(lián)通在中部地區(qū)唯一按照T3/T4標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的五星級核心數(shù)據(jù)基地。目前基地?fù)碛歇?dú)立變電站以及110 kV專項(xiàng)用電容量和雙路電保障；能提供2N冗余UPS系統(tǒng)，同時(shí)采用高頻UPS供電和高壓直流供電；而且每個(gè)單體樓獨(dú)立配置一個(gè)動(dòng)力中心，配置多套高壓油機(jī)?；氐目照{(diào)管理系統(tǒng)則是采用行業(yè)成熟的水冷系統(tǒng)，配備10 kV高效冷水機(jī)組，并采用了自然冷卻技術(shù)、冷通道封閉和連續(xù)制冷技術(shù)。

1 存在問題

1.1 電費(fèi)居高不下

據(jù)統(tǒng)計(jì)，自基地投入生產(chǎn)開始，其電費(fèi)持續(xù)居高不下，特別是從2015年到2016年3月，每月平均電費(fèi)近430萬元，電費(fèi)單價(jià)高達(dá)1.56元/kWh。其中，37%左右為實(shí)際使用的正常電量支出，30%左右為功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)造成的力率罰款，33%左右為大工業(yè)用電基本費(fèi)，電費(fèi)結(jié)構(gòu)極不合理。

1.2 PUE值高

根據(jù)中原數(shù)據(jù)基地用電量監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析核算，作為數(shù)據(jù)中心能源使用效率的衡量指標(biāo)PUE值，在2016年3月前已啟用的6號樓和10號樓的PUE值為2.2，為較高的PUE值，電能利用率低，綠色化程度低，不符合低碳、節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 變壓器負(fù)載率低，功率因數(shù)低

中原數(shù)據(jù)基地在2臺110 kV/63 000 kVA主變壓器同時(shí)運(yùn)行的情況下，主變負(fù)載率為9%，屬于較低負(fù)載，功率因數(shù)0.57，系統(tǒng)呈容性特征，因達(dá)不到供電部門要求的0.9而承受著每月百萬元以上的巨額罰款。

2 主要措施

以數(shù)據(jù)基地各類用電數(shù)據(jù)和報(bào)表為基礎(chǔ)，摸清用電能耗高、結(jié)構(gòu)不合理的原因，研究制定減少電費(fèi)支出，降低PUE值、冶理功率因數(shù)等管理方案，即通過采用無功反向補(bǔ)償管理手段，將用電功率因數(shù)穩(wěn)定到感性0.9至0.95，從而取消巨額力率罰款并獲得供電部門的用電獎(jiǎng)勵(lì)，使供電系統(tǒng)利用率提高，大幅度減少電費(fèi)支出；同時(shí)，在運(yùn)行效率上，采取各種手段，對交流不間斷供電UPS系統(tǒng)和高壓直流電源系統(tǒng)效率進(jìn)行全面提升；并從整體布局出發(fā)，科學(xué)優(yōu)化，合理調(diào)控各區(qū)域機(jī)房裝機(jī)位置和數(shù)量；在以上管控基礎(chǔ)上，根據(jù)不同季節(jié)，對機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)重新設(shè)置。通過以上精細(xì)化管理，最終形成PUE值最佳、變電站運(yùn)行容量最經(jīng)濟(jì)、電費(fèi)支出最低的管理模式。

2.1 運(yùn)用無功反向補(bǔ)償控制手段，消除電費(fèi)罰款

中原數(shù)據(jù)基地已建成一座110 kV中國聯(lián)通專用變電站，該變電站為2路進(jìn)線，從慶豐變電站引入1路110 kV市電，從慶豐變—昭成變線路“T”接1路110 kV市電?，F(xiàn)有的6號和10號IDC機(jī)房樓已由110 kV變電站各引入4路10 kV市電（2主2備）。

其中，6號樓和10號樓各配置了17套10 kV變配電系統(tǒng)，將從變電站引入的10 kV電源變壓到380 V低壓供給樓內(nèi)負(fù)荷使用。其中每個(gè)樓內(nèi)的變壓器功能分配為：1樓5臺變壓器，主要供空調(diào)系統(tǒng)和建筑照明等負(fù)荷使用，以及一部分UPS負(fù)荷提供給機(jī)房；2、3、4樓均配置4臺變壓器，2N配置，為機(jī)房UPS系統(tǒng)和空調(diào)末端機(jī)提供配電。表1示出的是6號樓2層變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)。

表1 6號樓2層變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)

將6號樓和10號樓的34個(gè)低壓供電段運(yùn)行參數(shù)調(diào)整到最佳值，提高基地用電功率因數(shù)，把容性補(bǔ)償調(diào)整為感性補(bǔ)償，減少力率罰款。

通過對變電站數(shù)據(jù)監(jiān)測，慶通線線路上存在很大的對地電容，通過數(shù)據(jù)分析，基地原來是容性的0.99加上聯(lián)通變到慶豐變的對地電容后，收費(fèi)側(cè)的功率因數(shù)降為0.57。針對以上情況，將6號樓二配的全部負(fù)荷由原來的慶昭通支線切換到慶通線，配合更改6號樓二配的一號市電進(jìn)線和二號市電進(jìn)線的備自投裝置接線，由原來一號市電優(yōu)先改為二號市電優(yōu)先。6號樓一期擴(kuò)容的14套低壓段SVG設(shè)備和一期20個(gè)低壓段的APF設(shè)備采用與傳統(tǒng)功率因數(shù)補(bǔ)償方法完全不同的無功反向補(bǔ)償方法，通過變壓器穿透對上一級供電段功率因數(shù)進(jìn)行反向補(bǔ)償。具體為將6號樓負(fù)載率偏低的41、42、43、44號變壓器的功率因數(shù)由原來的感性0.99過補(bǔ)償至感性0.12，其他變壓器根據(jù)負(fù)荷情況，都適當(dāng)過補(bǔ)償，通過以上補(bǔ)償，聯(lián)通變慶通線由原來的容性0.99變?yōu)楦行?.85，對線路容性折合后，達(dá)到了0.97。同時(shí)，將6號樓二配的全部負(fù)荷由原來的慶昭通支線切換到慶通線，配合更改6號樓二配的一號市電進(jìn)線和二號市電進(jìn)線的備自投裝置接線，由原來一號市電優(yōu)先改為二號市電優(yōu)先。6號樓一期擴(kuò)容的SVG設(shè)備可以全部投入補(bǔ)償。每天和變電站進(jìn)行溝通，并根據(jù)負(fù)荷變化動(dòng)態(tài)修正并調(diào)整SVG的參數(shù)，確?；氐墓β室驍?shù)在最佳狀態(tài)。

補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，將未用電池充電周期由以前的1個(gè)月延長到2個(gè)月，變電站的電容加壓由原來的1個(gè)月改為2個(gè)月，進(jìn)一步提高了功率因數(shù)。

通過采用以上與傳統(tǒng)功率因數(shù)補(bǔ)償方法（低壓個(gè)別補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、高壓集中補(bǔ)償）完全不同的無功反向補(bǔ)償控制策略，根據(jù)供電系統(tǒng)功率因數(shù)和34臺10 kV/2 500 kVA變壓器負(fù)荷變化情況，動(dòng)態(tài)修正并調(diào)整380 V低壓側(cè)SVG及APF的無功參數(shù)，通過節(jié)能型變壓器穿透對上一級供電段功率因數(shù)進(jìn)行反向感性補(bǔ)償，明顯改善了中原數(shù)據(jù)基地供電系統(tǒng)中壓和高壓側(cè)的容性特征，確保了供用電系統(tǒng)功率因數(shù)在最佳狀態(tài)，提高了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，消除了每月高達(dá)127.95萬元的力調(diào)電費(fèi)罰款。

2.2 提升UPS和高壓直流電源系統(tǒng)運(yùn)行效率

在確保UPS系統(tǒng)和高壓直流電源系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下，適度動(dòng)態(tài)關(guān)閉并機(jī)冗余運(yùn)行的UPS臺數(shù)和開關(guān)電源模塊數(shù)量，提高設(shè)備負(fù)荷率，降低電源系統(tǒng)能耗，從而提高UPS和開關(guān)電源利用率和效能。

2.2.1 開關(guān)電源模塊關(guān)斷

對開關(guān)電源系統(tǒng)負(fù)荷率小于或等于40%的系統(tǒng)，實(shí)施開關(guān)電源模塊關(guān)斷。應(yīng)保留模塊數(shù)按以下原則確定：開關(guān)電源應(yīng)保留整流模塊數(shù)按n+1冗余方式確定，即其中n只為主用。n≤10時(shí)，1只為備用；n＞10時(shí)，每10只備用1只。其n個(gè)主用整流模塊的總?cè)萘繎?yīng)按近期負(fù)荷電流（實(shí)際顯示負(fù)荷×1.1）和均充電流（一般按10 h率充電電流）之和確定。

電源系統(tǒng)主用整流模塊數(shù)量n由下式計(jì)算：

式中：

I1——近期負(fù)荷電流（實(shí)際顯示負(fù)荷電流×1.1）

IBAT——蓄電池組充電電流（電池組總?cè)萘俊?.1）

IREC——單個(gè)整流模塊的容量

應(yīng)關(guān)斷模塊數(shù)=現(xiàn)有模塊總數(shù)-應(yīng)保留模塊數(shù)

2.2.2 UPS設(shè)備“退出”或關(guān)斷

退出方案：在網(wǎng)運(yùn)行的3臺及以上的多機(jī)并聯(lián)或備份運(yùn)行的UPS系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載率較低時(shí)，關(guān)閉1臺或多臺UPS的逆變輸出，但是UPS的整流輸出還保持對蓄電池充電進(jìn)行管理，使還在逆變輸出的UPS的負(fù)載率提高，從而提高系統(tǒng)的效率，達(dá)到節(jié)電的目的。

關(guān)斷方案：在網(wǎng)運(yùn)行的3臺及以上的多機(jī)并聯(lián)或備份運(yùn)行的UPS系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載率較低時(shí)，關(guān)閉1臺或多臺UPS設(shè)備，使還在運(yùn)行的UPS的負(fù)載率提高，從而提高系統(tǒng)的效率，達(dá)到節(jié)電的目的。

操作方法：對于3臺及以上并機(jī)工作的UPS系統(tǒng)，應(yīng)保證退出或關(guān)斷后UPS系統(tǒng)仍至少有1臺備機(jī)。且關(guān)斷后剩余主機(jī)運(yùn)行方式為1+1（單母線）和雙母線運(yùn)行的系統(tǒng)，每臺主機(jī)的負(fù)荷率應(yīng)不大于40%；關(guān)斷后剩余主機(jī)運(yùn)行方式為2+1（單母線）和1+1+1（三母線）的系統(tǒng)，每臺主機(jī)的負(fù)荷率應(yīng)不大于60%。

2.3 改變既定規(guī)劃模式，優(yōu)化整合區(qū)域機(jī)房裝機(jī)率

根據(jù)客戶等級和業(yè)務(wù)發(fā)展及預(yù)測，適時(shí)調(diào)整機(jī)房使用規(guī)劃方案，合理規(guī)劃機(jī)房使用，嚴(yán)格管控用戶預(yù)占機(jī)架，整合用戶服務(wù)器裝機(jī)位置。同時(shí)加強(qiáng)IDC業(yè)務(wù)營銷力度，并統(tǒng)籌各地（市）分公司特別是鄭州分公司的業(yè)務(wù)需求，盡快增加中原數(shù)據(jù)基地的裝機(jī)量，并盡量按機(jī)架設(shè)計(jì)負(fù)荷出租機(jī)柜。

2.4 科學(xué)合理優(yōu)化空調(diào)運(yùn)行模式

中原基地的機(jī)房內(nèi)采用冷凍水中央空調(diào)制冷、制熱及除濕，高低壓變配電室及電池室采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)，走廊和部分辦公值班區(qū)域使用雙向普通風(fēng)冷空調(diào)。冬季停用中央空調(diào)的冷凍水主機(jī)組，僅運(yùn)行泵、板式換熱器和末端機(jī)負(fù)荷。

2.4.1 調(diào)整循環(huán)冷凍水出水溫度

根據(jù)中原數(shù)據(jù)基地機(jī)房實(shí)際需要，在保證IDC機(jī)房環(huán)境安全的前提下，適當(dāng)調(diào)高空調(diào)循環(huán)冷凍水出水溫度，并根據(jù)實(shí)際效果、裝機(jī)進(jìn)度、季節(jié)變化研究最佳溫度值。即：將空調(diào)主機(jī)出水溫度逐步由原來的7℃提升至9℃，對IDC機(jī)房進(jìn)行溫度檢測，發(fā)現(xiàn)在空調(diào)主機(jī)制冷負(fù)荷減小的情況下，機(jī)房溫度沒有顯著提升，末端回風(fēng)溫度由原來的24℃升至25℃，待運(yùn)行穩(wěn)定后，空調(diào)末端制冷量維持在40%，有足夠的安全空間，同時(shí)機(jī)房溫度維持在25℃，滿足了機(jī)房溫度要求。有效減少了冷凍站主機(jī)的工作時(shí)長，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。

2.4.2 合理設(shè)置空調(diào)末端機(jī)電加熱和加濕功能參數(shù)

按照季節(jié)不同設(shè)置機(jī)房濕度，夏季需要除濕，提高機(jī)房的濕度設(shè)置，冬季需要加濕就降低機(jī)房的濕度設(shè)置，適時(shí)關(guān)閉空調(diào)末端機(jī)的電加熱，空調(diào)加濕參數(shù)在潮濕季節(jié)設(shè)置到接近機(jī)房允許的上限值，干燥季節(jié)設(shè)置到接近機(jī)房允許的下限值，空調(diào)溫度參數(shù)在高溫季節(jié)設(shè)置到接近機(jī)房允許的上限值，寒冷季節(jié)設(shè)置到接近機(jī)房允許的下限值，通過以上調(diào)整，在夏季減少了冷凍水使用量（除濕需要用冷凍水來冷凝），部分空調(diào)末端制冷量由原來的100%降低至50%，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由原來的100%降低至40%，從而使空調(diào)末端更加節(jié)能。冬季降低濕度設(shè)置可減少加濕器的投用，降低電能損耗。并在此基礎(chǔ)上根據(jù)需要和實(shí)際運(yùn)行情況將空調(diào)冷凍水機(jī)組3+1設(shè)置為2+1或1+1，今后按照裝機(jī)進(jìn)度、負(fù)荷變化適時(shí)調(diào)整。

2.4.3 空調(diào)末端機(jī)群控自適應(yīng)

經(jīng)過機(jī)房溫濕度精確采樣，將187臺空調(diào)末端機(jī)通過聯(lián)動(dòng)合理開閉最合適的需求量，從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)節(jié)能。對機(jī)房專用空調(diào)進(jìn)行“自適應(yīng)控制”，是將以往的空調(diào)“手動(dòng)設(shè)定”改變?yōu)橛?jì)算機(jī)“自動(dòng)控制”。對機(jī)房內(nèi)的“智能空調(diào)群”實(shí)行優(yōu)化組合、精確管理、節(jié)約能源。自適應(yīng)控制恒溫、恒濕節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)能自動(dòng)跟蹤機(jī)房溫濕度的變化而自動(dòng)控制空調(diào)合理的工作狀態(tài)，使空調(diào)做到按需工作。

2.5 實(shí)施IDC機(jī)房地板下冷通道分隔改造

由于裝機(jī)周期較長，部分機(jī)房使用面積很小，而機(jī)房整個(gè)活動(dòng)地板下又是相通的，造成部分冷量送至其他沒有發(fā)熱的區(qū)域，冷量不能進(jìn)行精確輸送，造成了嚴(yán)重能源浪費(fèi)。為了有效地將空調(diào)冷量輸送到機(jī)柜設(shè)備區(qū)，在機(jī)房活動(dòng)地板下增加了隔斷，減少非設(shè)備區(qū)漏風(fēng)實(shí)現(xiàn)精確送風(fēng)，避免冷量過度流失。

目前下送風(fēng)機(jī)房的活動(dòng)地板高度均為900 mm，地板下安裝的送風(fēng)隔板通過采用模塊化設(shè)計(jì)，既方便擋風(fēng)隔板拆卸移動(dòng)，同時(shí)又可重復(fù)使用。對于密閉冷通道中未裝機(jī)柜及機(jī)柜內(nèi)部空檔的地方增加了擋風(fēng)板，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)部空檔的尺寸情況，匹配定制擋風(fēng)隔板，減少了空調(diào)系統(tǒng)冷量的損失。

2.6 科學(xué)合理地核算、降低PUE值

以6號樓為優(yōu)化模版：運(yùn)營中心提供的6號樓現(xiàn)有機(jī)柜功率情況如表2所示。

表2 6號樓現(xiàn)有機(jī)柜功率情況

2.6.1 電源系統(tǒng)能耗因子

a）UPS系統(tǒng)能效因子：IT設(shè)備總功耗為1 774 kW，單臺UPS負(fù)荷率約為8%。根據(jù)效率曲線，此時(shí)高頻UPS設(shè)備轉(zhuǎn)換效率約為85%，則根據(jù)設(shè)備總功耗1 774 kW，單棟IDC機(jī)房樓UPS總損耗=1 774×15/85=313 kW，UPS系統(tǒng)能效因子=313/1 774=0.18。

b）變壓器能效因子：IT設(shè)備總功耗為1 774 kW，由于變壓器為2N方式運(yùn)行，不考慮電池充電情況，變壓器正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷率為5%。經(jīng)過調(diào)查SCB10型2 500 kVA變壓器空載損耗P0約為4 kW，額定電流下負(fù)載損耗Pk約為20 kW。變壓器能效因子=17×（4+1.05×0.052×20）/1 774=0.04。

c）線路損耗因子：根據(jù)核算，線路損耗大約為設(shè)備功耗的2%，線路損耗能效因子=0.02。

電源系統(tǒng)PUE能效因子=0.18+0.04+0.02=0.24。

2.6.2 空調(diào)系統(tǒng)能效因子

根據(jù)現(xiàn)有的負(fù)荷估算空調(diào)系統(tǒng)能效因子。

不用自由冷卻系統(tǒng)時(shí)，設(shè)備總負(fù)荷為1 774+313+20=2 107 kW（顯冷），單臺主機(jī)可提供冷量為3 867 kW（全冷），設(shè)備總負(fù)荷約占單臺主機(jī)可提供冷量的0.65（2 102×1.2/3 867=0.65）。故一套主機(jī)系統(tǒng)就可以滿足，對應(yīng)1臺冷凍水泵，1臺冷卻水泵，1臺冷卻塔。

冷水主機(jī)能效比按6.0計(jì)算，此時(shí)主機(jī)耗電為455 kW。冷卻塔耗電為60 kW，冷卻水泵耗電為90 kW，冷凍水泵耗電為110 kW。

空調(diào)末端按單臺顯冷量130 kW，共計(jì)20臺，單臺耗電按9.3 kW考慮（去除加熱加濕），共計(jì)：9.3×20=186 kW。

冷凍水空調(diào)系統(tǒng)耗電為：455+60+90+110+186=901 kW。

空調(diào)能效因子為：901/1 774=0.508。

用自由冷卻系統(tǒng)時(shí)，去掉1臺主機(jī)，冷凍水系統(tǒng)耗電為：60+90+110+186=446 kW。

空調(diào)能效因子為：446/1 774=0.25。

全年按自由冷卻開啟2個(gè)月計(jì)，則空調(diào)能效因子為：（901×10+446×2）/12/1 774=0.465。

2.6.3 建筑能效因子

由于建筑占比較小，并且變化不大，建筑能效因子按照0.01計(jì)算。

2.6.4 PUE值

綜上，6號樓綜合PUE設(shè)計(jì)計(jì)算值為：

1+0.24+0.465+0.01=1.715

2.7 加強(qiáng)對非生產(chǎn)用電負(fù)荷管理及遺留問題整治

加強(qiáng)建筑用電負(fù)荷管理，如采用節(jié)能燈具，適時(shí)關(guān)閉辦公區(qū)空調(diào)、照明和配套附屬房的非生產(chǎn)用電等。

3 結(jié)束語

2017年，中原數(shù)據(jù)基地實(shí)施既定的能耗精細(xì)化管理與PUE優(yōu)化實(shí)踐工作方案，節(jié)能成效顯著，與綜合治理前相比每月節(jié)省電費(fèi)穩(wěn)定在210萬元左右，每月繼續(xù)獲得供電部門用電力率獎(jiǎng)勵(lì)2.5萬元左右，至2017年3月底，一季度已累計(jì)節(jié)省電費(fèi)630余萬元。