任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)合理的運(yùn)行方式對(duì)數(shù)據(jù)中心的管理和運(yùn)行具有十分重要的意義，PUE、pPUE、CLF/PLF、RER是通用的衡量數(shù)據(jù)中心的能效指標(biāo)，UPS系統(tǒng)的構(gòu)建和系統(tǒng)運(yùn)行方式的選擇能對(duì)數(shù)據(jù)中心的能效指標(biāo)起到重要作用，當(dāng)?shù)厥须姷墓╇娰|(zhì)量對(duì)UPS系統(tǒng)運(yùn)行有重要的影響，靈活的UPS系統(tǒng)運(yùn)行方式能大程度對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：UPS；能效指標(biāo)；設(shè)備選型；電源質(zhì)量；能耗優(yōu)化

一、前言

全國(guó)人大代表、中國(guó)信息通信研究院院長(zhǎng)劉多在接受人民網(wǎng)財(cái)經(jīng)連線采訪時(shí)表示，“新基建"是構(gòu)筑數(shù)字經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展之基，培育新動(dòng)能，推動(dòng)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵力量，“新基建"將為經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新動(dòng)能。從新基建的系統(tǒng)圖我們能看到數(shù)據(jù)中心的建設(shè)占用顯著的位置；隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)的勢(shì)頭，其能耗的增長(zhǎng)也引起了越來(lái)越多的關(guān)注，據(jù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)數(shù)據(jù)中心的年耗電量已超過(guò)社會(huì)總耗電量的1.5%；作為專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)中心技術(shù)人員需要高度重視數(shù)據(jù)中心能耗的增加，需要全面認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)，為不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)中心提供優(yōu)化合理的節(jié)能減排方案；UPS系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵設(shè)備電源系統(tǒng)的供應(yīng)和保障系統(tǒng)，其系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行方式對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗有至關(guān)重要的作用。

圖1新基建系統(tǒng)圖

二、數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)概述

降本增效是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要課題，數(shù)據(jù)中心能耗的不斷增加對(duì)新基建而言也是一個(gè)重要的課題，數(shù)據(jù)中心中UPS系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行方式對(duì)其降低能耗有十分重要的意義。在對(duì)UPS系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行方式的探討前，對(duì)數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系的了解有助于我們構(gòu)建更優(yōu)秀的運(yùn)行體系；對(duì)于不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)中心而言，不同的是用途，相同的是都有基本一致的能效指標(biāo)，目前數(shù)據(jù)中心常用的有以下四種能效指標(biāo)：

1. PUE：是目前國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)中心較流行的衡量數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效的綜合指標(biāo)，計(jì)算方法為：PUE=PTotal/PIT。其中，PTotal為數(shù)據(jù)中心各類(lèi)設(shè)備的能耗總和，PIT為IT設(shè)備能耗總和。UPS系統(tǒng)的能耗在基礎(chǔ)設(shè)施中占有相當(dāng)大的比重，顯然，對(duì)UPS系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化能提升數(shù)據(jù)中心PUE。

2. pPUE：pPUE其實(shí)是PUE概念的進(jìn)一步細(xì)分討論，是對(duì)數(shù)據(jù)中心局部區(qū)域或設(shè)備的能效進(jìn)行評(píng)估和分析。采用pPUE指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)中心能效評(píng)測(cè)時(shí)，關(guān)鍵的一步是對(duì)數(shù)據(jù)中心的合理分區(qū)。

3. CLF/PLF：CLF/PLF分別是制冷/供電負(fù)載與IT設(shè)備能耗比值。從管理的角度來(lái)說(shuō)這兩個(gè)比值比PUE更能準(zhǔn)確體現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的能效。在該評(píng)價(jià)體系中PLF的大小如UPS系統(tǒng)息息相關(guān)。

4. RER：再生能源的利用是數(shù)據(jù)中心今后一個(gè)重要的課題，RER就是用于衡量數(shù)據(jù)中心利用可再生能源的一個(gè)指標(biāo)，RER指標(biāo)的提升，可以減少數(shù)據(jù)中心的碳排放。目前主要的再生能源有太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿取?/p>

三、數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)構(gòu)建及系統(tǒng)運(yùn)行能耗優(yōu)化

數(shù)據(jù)中心作為新基建的重點(diǎn)方向之一，機(jī)遇往往伴隨挑戰(zhàn)，新基建也對(duì)數(shù)據(jù)中心的發(fā)展提出來(lái)更高的要求，比如能耗方面，UPS系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行就是我們需要重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)方面；數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)的構(gòu)建和系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，需要從UPS系統(tǒng)選型、IT設(shè)備供電需求、UPS運(yùn)行方式、如何保證電源質(zhì)量等方面進(jìn)行充分的考慮；下面進(jìn)行簡(jiǎn)單分析：

1. 合理的UPS系統(tǒng)構(gòu)建

UPS系統(tǒng)的合理構(gòu)建對(duì)于數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)有至關(guān)重要的意義，目前市場(chǎng)上的UPS機(jī)組既有傳統(tǒng)的高頻、工頻機(jī)組，也有模塊化UPS的機(jī)組，高壓直流供配電系統(tǒng)代替常規(guī)的UPS供配電系統(tǒng)的供配電技術(shù)也逐步被一些數(shù)據(jù)中心所接受，但高頻或工頻UPS供配電系統(tǒng)仍然是主流；合理的系統(tǒng)構(gòu)建對(duì)數(shù)據(jù)中心的能耗體系有重大的影響，下面進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析：

1. 工頻機(jī)UPS供電解決方案

目前50%以上的數(shù)據(jù)中心采用工頻機(jī)UPS供電，主要原因是其采用技術(shù)較為成熟和可靠可控硅相控整流技術(shù)，同時(shí)在供配電中采用“1+1"雙總線供電方案,其優(yōu)點(diǎn)有：解決單點(diǎn)故障、容錯(cuò)能力好，可靠性高、控制簡(jiǎn)單；對(duì)各種成本越來(lái)越高的數(shù)據(jù)中心而言，工頻機(jī)UPS安裝占地面積大、安裝場(chǎng)地承重要求高、功率因數(shù)低、使用成本高也制約其進(jìn)一步的發(fā)展

1. 高頻機(jī)UPS供電解決方案

以前對(duì)高頻UPS顧慮就是大功率IGBT模塊的技術(shù)瓶頸，隨著大功率IGBT模塊制作工藝的提高，采用IGBT整流型的高頻UPS也逐漸被較多數(shù)據(jù)中心的技術(shù)人員所接受，高頻機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)中心技術(shù)人員認(rèn)可的技術(shù)變化是不需要輸出隔離變壓器，其供配電系統(tǒng)和工頻UPS一樣采用“1+1"雙總線供電方案；與工頻UPS對(duì)比其占地面積小、場(chǎng)地承重要求低、解決單點(diǎn)故障瓶頸、容錯(cuò)能力好、功率因數(shù)高、使用成本低等優(yōu)勢(shì)就顯得意義重大了；當(dāng)然高頻機(jī)UPS供電解決方案仍然有較多的缺點(diǎn)，比如：高頻諧波多、負(fù)載端“零地"電壓較高等；由于一些進(jìn)口品牌服務(wù)器廠家對(duì)“零地"電壓小于1V的“過(guò)份"要求，因此對(duì)于計(jì)算節(jié)點(diǎn)使用較多的數(shù)據(jù)中心在構(gòu)建UPS系統(tǒng)時(shí)，對(duì)UPS選型不是特別專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員往往容易受這點(diǎn)影響而堅(jiān)持選用工頻機(jī)；但從80%以上新建數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建選擇來(lái)看，高頻機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)建是數(shù)據(jù)中心未來(lái)供電系統(tǒng)的必然趨勢(shì)。

1. 構(gòu)建UPS系統(tǒng)的合理容量選擇

構(gòu)建一個(gè)合理容量的UPS系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)意義重大，UPS系統(tǒng)的構(gòu)建需要考慮較多的因數(shù)，其效率和成本是比較重要的兩個(gè)因數(shù)。從技術(shù)的角度出發(fā)，我們只對(duì)效率進(jìn)行探討，對(duì)于UPS系統(tǒng)的構(gòu)建把握兩個(gè)關(guān)鍵數(shù)字，50%和±15%，理解50%的關(guān)鍵就在于UPS系統(tǒng)負(fù)載在50%以上時(shí)其有比較高的效率，當(dāng)?shù)陀?0%負(fù)載時(shí)，其效率就急劇下降。±15%是指用戶選型時(shí)選取效率與輸出功率的關(guān)系曲線和直流電壓變化±15%時(shí)的效率。充分理解50%和±15%專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員就能構(gòu)建合理容量的UPS系統(tǒng)；從成本角度講，機(jī)器的效率高，可以節(jié)省成本，選用容量時(shí)，也可以更加優(yōu)化。

（二）UPS系統(tǒng)運(yùn)行方式選擇

對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)中心而言，UPS系統(tǒng)的運(yùn)行方式是由數(shù)據(jù)中心內(nèi)計(jì)算、存儲(chǔ)、交換等IT設(shè)備的需求決定的。IT設(shè)備的總功率決定了UPS系統(tǒng)容量，IT設(shè)備電源輸入回路需求決定了UPS系統(tǒng)組成方式。下面從多種因素結(jié)合討論數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)運(yùn)行能耗優(yōu)化問(wèn)題。

1.UPS單機(jī)運(yùn)行

對(duì)于規(guī)模很小的數(shù)據(jù)中心，或者說(shuō)有投資限制的數(shù)據(jù)中心，很多采用單機(jī)運(yùn)行；對(duì)于該類(lèi)型的數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化很簡(jiǎn)單，設(shè)備選型很重要，選擇系統(tǒng)效率高的高頻機(jī)或模塊化UPS能從根本上提升該數(shù)據(jù)中心的PUE值；如果設(shè)備選型已經(jīng)為工頻機(jī)的就根據(jù)市電的電源質(zhì)量和設(shè)備的重要程度合理選擇單機(jī)的運(yùn)行模式。如果市電電源質(zhì)量可靠是可以選擇大多數(shù)UPS具有的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。

圖2UPS系統(tǒng)單機(jī)節(jié)能運(yùn)行模式

2.UPS單系統(tǒng)并機(jī)運(yùn)行

圖3UPS互動(dòng)熱備份（ATS）運(yùn)行

隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴(kuò)大或IT設(shè)備重要性的增加，數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)的設(shè)備選型和運(yùn)行方式必須轉(zhuǎn)為并機(jī)運(yùn)行，當(dāng)然并機(jī)方式有多種，比如主從熱備份、互動(dòng)熱備份、互動(dòng)熱備份（ATS）、冗余（N+X）并機(jī)；大多數(shù)數(shù)據(jù)中心會(huì)選擇互動(dòng)熱備份（ATS）或冗余（N+X）并機(jī)；對(duì)于選擇互動(dòng)熱備份（ATS）系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，優(yōu)化系統(tǒng)能耗效率當(dāng)然直接的辦法是選用系統(tǒng)效率高的高頻機(jī)組，既可以保障系統(tǒng)的可靠性，又可以在單機(jī)輪換運(yùn)行時(shí)提升和降低機(jī)組本身的能耗。

3.UPS多系統(tǒng)并機(jī)運(yùn)行

圖4UPS冗余（N+X）運(yùn)行

隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大或IT設(shè)備對(duì)電源冗余度提升，數(shù)據(jù)中心中UPS系統(tǒng)的構(gòu)建規(guī)模是越來(lái)越大，需要解決的問(wèn)題和考慮的制約因素有越多，比如說(shuō)現(xiàn)在很多重要程度很高的數(shù)據(jù)中心中IT設(shè)備對(duì)電源的冗余度要求很高，從雙電源逐步提升4電源、6電源、8電源，針對(duì)這類(lèi)型的IT設(shè)備供電，單系統(tǒng)并機(jī)的UPS機(jī)組已經(jīng)不能滿足其需求，我們就需求為其設(shè)計(jì)多組如圖三的N+X冗余系統(tǒng)來(lái)滿足其需求；針對(duì)數(shù)據(jù)中心多電源設(shè)備的大量采用，其實(shí)大多數(shù)數(shù)據(jù)中心均采用AB路供電模式，即用兩套或多套N+X冗余系統(tǒng)來(lái)保障IT設(shè)備的供電，這也為數(shù)據(jù)中心降低能耗提供了機(jī)會(huì)，在市電質(zhì)量可靠的地區(qū)我們可以輪流把AB路UPS系統(tǒng)采用節(jié)能模式或公共旁路模式甚至直接采用可靠性較高的市電，即能保障數(shù)據(jù)中心的可靠性又能降低數(shù)據(jù)中心能耗。

四、安科瑞能耗統(tǒng)計(jì)分析（能源管理）解決方案

1.能效管理解決方案介紹

建立高效的能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，對(duì)建筑各類(lèi)耗能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及績(jī)效考核指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費(fèi)情況，提高人員主動(dòng)節(jié)能的意識(shí)。

①　搭建數(shù)據(jù)中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架，對(duì)各個(gè)用能環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

②　排碳數(shù)據(jù)化：通過(guò)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)建筑單位內(nèi)人均能耗分析（包括水、電、能量），實(shí)現(xiàn)低碳辦公數(shù)據(jù)化；

③　區(qū)域能效比：實(shí)現(xiàn)建筑單位內(nèi)區(qū)域能耗對(duì)比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實(shí)現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對(duì)比，方便節(jié)能數(shù)據(jù)分析；

⑤　能耗評(píng)估管理：按照能源消耗定額標(biāo)準(zhǔn)約束值、標(biāo)準(zhǔn)值、引導(dǎo)值進(jìn)行分析單位面積能耗和人均能耗指標(biāo)；

⑥　能耗競(jìng)爭(zhēng)排名：各個(gè)功能區(qū)能耗對(duì)比，實(shí)現(xiàn)能耗排名，增強(qiáng)工作人員的節(jié)能意識(shí)；

⑦　對(duì)能耗的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析、統(tǒng)計(jì)、打印和查詢等功能，并根據(jù)能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的需要可選擇不同樣式報(bào)表的打印。為能耗運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)提供可靠的依據(jù)；

⑧　能耗數(shù)據(jù)采集，隨時(shí)查詢，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，監(jiān)測(cè)異常能源用量，對(duì)能源智能儀表故障進(jìn)行報(bào)警，提高系統(tǒng)信息化、自動(dòng)化水平。

2.能源管理系統(tǒng)硬件配置

五、結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心的安全、高效、可靠運(yùn)行是我們所有從業(yè)人員的首要目標(biāo)，在安全、高效、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上保證數(shù)據(jù)中心的綠色、低碳運(yùn)行也是所有從業(yè)人員的義務(wù)。UPS系統(tǒng)的合理選型和系統(tǒng)合理構(gòu)建，比如UPS系統(tǒng)合理容量選擇、選擇單機(jī)運(yùn)行效率高的高頻機(jī)、市電與UPS系統(tǒng)的混合供電、電源質(zhì)量越來(lái)越高的市電直接為IT設(shè)備供電，也需要數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)人員及運(yùn)維工作者去推廣和積累更多的經(jīng)驗(yàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]任妍.新基建為經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新動(dòng)能[J].人民網(wǎng)財(cái)經(jīng)頻道,2020,5.

[2]周鶴良.電氣工程師手冊(cè)[J].中國(guó)電力出版社,2010,4:223-230.

[3]li長(zhǎng)春.數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵設(shè)備電源質(zhì)量探討[J].信息系統(tǒng)工程,2017,12.

[4]li長(zhǎng)春.張謙.喬蔚林，數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)運(yùn)行能耗優(yōu)化探討

[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5版