數據中心電源系統節能方案設計

李 想

（國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

互聯網數據中心是以網絡資源與通信網絡機房為基礎平臺，向各個領域提供穩定的互聯網接入服務，并且自身具備足夠的網絡資源的集成平臺[1-4]。目前，各國政府及運營商等都在規劃建設數據中心。數據中心雖然具有高密度功率和高集中化的優點，但是其正常工作與不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）密不可分。此外，數據中心由于需要處理大量數據，常年面臨著互聯網技術（Internet Technology，IT）負荷過載的問題，且電費成本較高。基于該背景，如何降低數據中心能耗，設計相應的不間斷電源的節能方案，成為了一個關鍵難題[5-8]。文章基于中國移動通信集團有限公司（以下簡稱中國移動）數據中心的設備選型和不間斷電源節能方案設計展開分析，旨在進一步降低數據中心電源系統的能源消耗。

1 數據中心電源能耗測試

目前，常用的不間斷電源包括高壓直流電源、高頻UPS、工頻UPS 以及模塊化UPS[9,10]。這幾類不間斷電源都被中國移動的各個數據中心所使用，如中國移動通信集團廣東有限公司三水數據中心（以下簡稱三水移動數據中心）。基于該數據中心，比較這幾種不間斷電源（測試狀態為零負載）的效率差異，進而制定相應的節能策略。

1.1 測試方案

1.1.1 測試環境

基于三水移動數據中心進行測試實驗，測試人員是移動維護人員。該實驗中，全部電源都處于零負載狀態，設置高壓直流電源工作模式為單機供電模式，設置交流UPS 工作模式為“1+1”供電模式，設置機房的溫度為（23±2） ℃。

1.1.2 測試對象

測試對象如表1 所示。

表1 測試對象

1.1.3 測試工具介紹

測試的目標主要集中于高壓直流電源、高頻UPS、工頻UPS 以及模塊化UPS 輸入輸出端之間的功率因數和失真度等參數，因此測試時需要采用各類相關儀器設備，如放電儀器和防護工具等。

1.1.4 測試數據內容

測試內容包括功率因數、空載損耗、輸入轉換效率，以便更完整地實現電源測試策略，更好地達到測試目的和得到更加豐富的電源具體數據。

（1）功率因數。輸入功率因數一般指不間斷電源的功率因數。對電網而言，不間斷電源既是電源又是負載，一直處于消耗無功功率和吸收有功功率的并行狀態，因此必須增大系統的配置容量。如果電源輸入功為率100 kVA，輸入功率因數為0.8，那么其消耗60 KVA 的無功功率時會吸收80 kW 的有功功率，相應的配電系統需要配備140 kVA 的容量，大幅度提高了數據中心系統的設備成本。因此，對電源而言，輸入功率因數接近1 時最佳。福祿克1730 儀器是經典的測試設備，也是本次測試所選用的設備。該設備可以直接連接電源的輸入端，通過儀器屏幕，可以讀取每一相電路的平均輸入功率值和其最大最小值，以及總輸入功率因數的平均值和其最大最小值等。

（2）空載損耗。由于業務部門和建設部門未能達成統一，不間斷電源通上電后，總是不能立馬加載。但是，由于不間斷電源的全部部件已經運作，此時數據中心開始產生損耗，該損耗稱之為空載損耗。空載損耗由電阻和電感等相關設備元件產生，其可以直接反映電源自身的能耗水平。

（3）輸入轉換效率。電源正式開始工作時，此時的輸出功率與輸入功率的比值稱為不間斷電源的效率。由于電源本身會損耗一部分輸入電能，要等到設備確定運行后才能確定效率。文章重點測試不間斷電源的轉換效率，由于測試結果會影響后期選擇設備，要求測試仔細且精準。

1.1.5 測試方法

測試目標是位于的三水移動數據中心的不間斷電源（無負載狀態）。測試前，需要在輸出端接入虛擬負載，接入后便開始測試。

通過電能質量分析儀，可以測量不間斷電源的各相線路。例如，用分析儀的電壓夾夾住A 相線路，同時用電流互感圈套住A 相線路，即可測得A 相線路的電能質量。電源能效測試接線如圖1 所示。其他3 相線路也是同樣的操作。基于電能質量分析儀記錄和分析測試數據。

圖1 電源能效測試接線

1.2 測試結果

經過測試，記錄不同電源對應的空載損耗，對比分析各項測試指標，分析結果如下。

1.2.1 功率因數

不間斷電源功率曲線如圖2 所示。分析可知，由于設備帶載率的差異，功率因數會變得不同。低載工作狀態時，電源的功率因數較低，其中工頻UPS的功率因數不超過0.8。

圖2 不間斷電源功率曲線

1.2.2 空載損耗

不間斷電源空載輸入功率對比如圖3 所示。

圖3 不間斷電源空載輸入功率對比

通過圖3 可以得知，工頻UPS 空載時消耗的能量最大，高壓直流消耗的能量最小，高頻UPS 和工頻UPS 的空載能耗要比模塊化UPS 的高。

1.2.3 轉換效率

調節不同電源的負載率，并繪制該情況下每個電源的負載率和功率的比值所構成的效率曲線，得到的不間斷電源效率曲線如圖4 所示。該曲線即電源效率曲線，其可以直接反映不間斷電源的工作效率，進而可以對比不同不間斷電源的工作效率高低等數據。

圖4 不間斷電源效率曲線

基于4 種不間斷電源及其不同的負載條件，并考慮其直流和交流輸出性質，可以得出交流UPS 的效率要比直流類型的不間斷電源低。其中：模塊化UPS 效率要高于高頻UPS 與工頻UPS；工頻UPS 效率最低。不同負載率下的各個不間斷電源的工作效率參差不齊。對于模塊化UPS，當負載率超過60%時，效率高達95%；對于高壓直流電源，當負載率超過30%時，效率高達95%。

1.2.4 選型及使用建議

考慮減少能源損耗，提出以下4 點建議。

（1）建議不再使用工頻UPS。測試4 類不同的不間斷電源時，工頻UPS 的各項指標相較于其他3個都差，功率因數不超過0.8，且空載的時候損耗最高，轉換效率低于0.9。可以得出，工頻UPS 是4 種電源中最不符合節能要求的電源，因此不建議繼續投入數據中心使用。

（2）應及時關閉電源主機，避免不間斷電源產生空載損耗。空載時，一臺高壓直流電源損耗產生的電費需要67.82 元，而工頻UPS 需要花費高達386.36 元。

（3）由于高壓直流設備工作效率要遠高于UPS不間斷電源，在機房中使用不間斷電源時，應優先選擇高壓直流設備。

（4）輕載時，優先考慮高壓直流電源和模塊化UPS。這2 個電源負載率超過60%時，效率均可以高達95%。

1.3 工程應用

經過測試實驗可以得出，高壓直流電源具有最佳的節能效果。因此，根據分析結果和節能建議，在新一期三水數據中心更新建設時，優先使用了高壓直流電源。數據中心里的2N 系統由10 套中達HVP-240/40 A 高壓直流電源組成，經統計，使用高壓直流電源替代UPS 之后，機房的月耗電量減少了約13%，證明了該節能策略的有效性。

2 結 論

為進一步響應節能環保的號召，基于中國移動數據中心的設備選型和不間斷電源節能方案設計展開分析，旨在進一步減少數據中心電源系統的能源消耗。基于該節能方案，通過對比分析節能方案實施后數據中心實際的用電情況與實施前的用電情況，證明了該節能方案的有效性。