數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)節(jié)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(tǒng)是軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分，為軌道交通系統(tǒng)提供穩(wěn)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(tǒng)也是軌道交通系統(tǒng)中能耗最大的部分，其能耗占整個軌道交通系統(tǒng)能耗的60%以上[2]。因此，如何提高供配電系統(tǒng)的節(jié)能效率，降低供配電系統(tǒng)的運行成本和環(huán)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(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)為研究對象，分析數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在的問題，探討數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)節(jié)能技術。

1 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)現(xiàn)狀

上海地鐵數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心的各類設備提供電能供應。供配電系統(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)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(tǒng)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(fā)電機組，作為UPS的后備電源和整個數(shù)據(jù)中心的最后防線。供配電系統(tǒng)為C類負荷提供單路市電供電。當市電線路出現(xiàn)故障時，C類負荷停止供電。此外，供配電系統(tǒng)包括監(jiān)測、控制、保護以及接地等設備和系統(tǒng)，與數(shù)據(jù)中心控制系統(tǒng)相連，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

2 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構

數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心，供電系統(tǒng)標準的設計采用2N容錯架構，具有2路市電+自備發(fā)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(tǒng)中，還增加了中壓和低壓的母聯(lián)裝置，提高了配電系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)架構如圖1所示。供配電系統(tǒng)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(chǎn)生的損耗和帶負載時繞組中的電阻、銅損產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)能耗的關鍵因素。

圖1 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構

3 數(shù)據(jù)中心供配電節(jié)能關鍵技術

3.1 變壓器節(jié)能

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)中，變壓器的作用是把高壓電源轉換成適合數(shù)據(jù)中心設備使用的低壓電源。變壓器在工作過程中會產(chǎn)生一定的能耗損失。為降低變壓器的能耗，提高數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的節(jié)能效率，可從以下幾個方面進行節(jié)能優(yōu)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(yōu)先選用1級或2級能效的變壓器。根據(jù)《變壓器能效提升計劃（2021—2023年）》（工信廳聯(lián)節(jié)〔2020〕69號），到2023年，新建大型和超大型數(shù)據(jù)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(jié)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(shù)、低渦流系數(shù)等特點?？蛰d損耗只有普通硅鋼片的30%～40%，節(jié)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(qū)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(shù)據(jù)中心環(huán)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(shù)據(jù)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(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構采用中壓交流工頻同步發(fā)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(shù)據(jù)中心設備供電[8]。該方式包括多次交直流變換環(huán)節(jié)，存在能量損耗和設備占地面積大等問題。

為降低數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的能耗，提高數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的節(jié)能效率，可采用基于中壓直流供電的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構相比，基于中壓直流供電的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構可以減少交直流變換環(huán)節(jié)，從而提高能量傳輸效率。由于發(fā)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(shù)據(jù)中心設備輸入低壓直流電，避免經(jīng)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(jié)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(wǎng)絡電壓，可以降低線路傳輸損耗。以上海地鐵數(shù)據(jù)中心為例，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)、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(xiàn)冗余。各模塊并行同步，未使用的模塊（無負載）變?yōu)镹+1、N+2、…、N+N。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的節(jié)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(yōu)勢。一是可以減少設備占地面積，節(jié)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(jié)省約50%的空間。二是可以提高系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)丟失，降低設備的維修或更換成本，延長設備的使用壽命，節(jié)約能源。三是可以降低系統(tǒng)運行成本，節(jié)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(tài)，降低系統(tǒng)的損耗。四是可以簡化系統(tǒng)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(tǒng)，可以實現(xiàn)遠程監(jiān)測、控制和管理，及時發(fā)現(xiàn)并解決系統(tǒng)存在的問題，優(yōu)化系統(tǒng)的運行參數(shù)，提高系統(tǒng)的轉換效率，節(jié)約能源。

以上海地鐵數(shù)據(jù)中心為例，將原有的塔式UPS改為模塊化UPS，可以節(jié)省約10%的能耗。第一，變壓器節(jié)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(xiàn)“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(jié)能。模塊化UPS采用智能ECO運行模式，可以根據(jù)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(tài)，降低系統(tǒng)損耗。第三，線路節(jié)能。模塊化UPS采用可熱插拔設計，可以實現(xiàn)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(tǒng)會關閉多余的模塊或將其切換到待機狀態(tài)，使得系統(tǒng)的輸出功率和輸入功率之間的匹配度達到最優(yōu)；負載增加時，系統(tǒng)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(tǒng)可以實現(xiàn)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(tǒng)的損耗和耗電量。

一方面，智能ECO運行模式降低了系統(tǒng)運行成本，節(jié)約了能源。智能ECO運行模式可以根據(jù)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(tǒng)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(xiàn)自動故障檢測和隔離。當某個模塊發(fā)生故障時，系統(tǒng)會自動將其從并聯(lián)中剔除并通知維護人員，能夠簡化系統(tǒng)維護和管理流程，提高效率。智能ECO運行模式可以實現(xiàn)遠程監(jiān)測、控制和管理，通過智能能量管理系統(tǒng)，實時獲取系統(tǒng)的運行狀態(tài)、參數(shù)、報警等信息，并進行遠程控制和調節(jié)。

若將上海地鐵數(shù)據(jù)中心的模塊化UPS切換到智能ECO運行模式，則可以節(jié)省5%～10%的能耗。

4 結 論

文章以上海地鐵數(shù)據(jù)中心為例，分析數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的現(xiàn)狀、架構以及節(jié)能關鍵技術。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)采用2N容錯架構，具有2路市電+自備發(fā)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(lián)裝置，具有良好的系統(tǒng)可靠性和容錯能力。文章重點介紹變壓器節(jié)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(jié)能技術?？梢?，采用節(jié)能技術可顯著降低數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的能耗，具有較好的節(jié)能效果。