数据中心能效诊断系统及节能管理措施

摘要：信息社会对数据的需求越来越大，数据中心已成为*的重要基础设施之一。随着国家双碳政策的逐步推进，能耗密度高的数据中心也成为减碳行动的主要对象，甚至与传统的高能耗行业并列，许多地区也对新数据中心的能源利用效率提出了影响（PUE）提出了很高的要求。原旧数据中心的机电系统落后，需要进行能效诊断和升级，以改进PUE。通过能效管理系统研究数据中心的能耗构成，进行能效诊断，提出节能改造的主要措施，为数据中心的绿色高效运行提供节能降耗优化思路，提高数据中心的能源利用效率。

关键词：数据中心；能效诊断；电能治理；节能改造；

一综述

  数据中心的能效诊断是通过对数据中心的整体能耗分析、IT设备能耗、制冷系统和配电系统的能耗和能效对标。制冷系统的主要能效评价指标是制冷负载系数CLF，是数据中心制冷设备与IT设备的比值，供电负载系数PLF是数据中心供配电设备与IT设备的比值，数据中心的PUE值也与这两个系数密切相关。如图1所示：

图1数据中心CLF、PLF与PUE的关系

  在数据中心，只有IT设备的功耗（图1中的E4）被认为是“有意义的"电能。因此，除IT设备外，其他设备消耗的电能比例越低，数据中心的PUE值性能就越好。Acrel-8000数据中心能效管理系统主要从以上数据诊断数据中心能效，并提出有针对性的改造方案。

二能效诊断

  数据中心建成较早，机房建筑面积约1.5万㎡，地上两层，一层设置为变配电室、蓄电池室、冷水机组室、运营商机房等电力和网络基础设施，如图2所示。二楼主要设置12间机房，可部署约3000套机柜，已部署1500套机柜。供电系统设置两个110kV主变，两个10kV开关，4个10/0.4kV低压变配电室，8个低压变压器，总供电容量2万KVA。低压配电室配备UPS设备，确保供电。终端有70个安科瑞ANDPF精密配电柜，为IT设备提供主要电源。

图2数据中心一层平面图

  Acrel-8000数据中心能效管理系统实现了从110kV变电站到终端精密配电柜的全覆盖能源管理、设备监控和能耗分析，如图3所示。主要功能包括：

  电力监控：监控110kV变电站、2个10kV开关、4个10/0.4kV低压变配电室配电系统的运行情况，实现遥控、遥信、越限报警、故障分析、电能质量分析、运行报表等功能；

  设备监控：柴油发电机、变压器、UPS、电池组、精密配电柜、精密空调状态及运行参数，并提供异常预警、运行报表等功能；

  能耗诊断：统计数据中心总能耗、IT设备能耗、制冷系统能耗、供电系统能耗、照明和办公能耗，计算CLF/PLF/PUE等能耗指标；

  环境监测：监测数据中心温湿度、水浸、电池室氢浓度等数据，并提供越限报警；

  运维管理：发布工单、巡检计划、工单跟踪管理等，协助维修人员高效运维。

图3Acrel-8000数据中心能效管理系统高压配电系统

1能效分析

  经过一年的系统调试，系统发现数据中心的能源利用效率相对较低。系统数据显示，全年IT设备能耗占51%，制冷系统(冷冻水机组、空调末端、新风等。)能耗占36%，供电系统(变压器、UPS、发电机、开关)10%，照明及办公占3%左右。

  PUE值约为1.96；

  CLF约为0.71；

  PLF约为0.2；

  由于数据中心机电设备陈旧，缺乏有效的节能管理控制措施，能效利用效率低，落后于新建数据中心。

2空调系统

  数据中心大楼采用集中空调系统供冷，主要设备有冷水机组、冷却塔、冷冻泵和冷却泵。通过系统可以发现，空调系统水冷式制冷主机全年连续运行。当定频制冷主机负荷率为80%-90%时，当变频制冷主机负荷率为60%-70%时，主机运行时综合能效较高。但在系统运行和控制过程中，两台主机大部分时间都没有在较高的效率范围内运行。夏、春、秋、冬季工况下，系统冷冻水出水温度保持恒定5℃，系统输出没有根据实际环境负荷的变化进行调整，冬季自然冷源也没有得到充分利用。

3变配电系统

  数据中心现有8台变压器，分别来自2个10kV开关站。变配电系统采用双通道互备模式接入。UPS系统为5个数据室服务器供电。通过系统发现变压器低压侧测量发现谐波严重，现场未安装谐波处理装置。UPS系统中大量电池组的单个电池性能不一致，内阻过大导致整组电池充放电加热，损耗增加，存在安全隐患。

4照明系统

  数据中心照明系统采用节能灯和筒灯，公共区域和数据中心区域采用手动控制。建筑照明光源主要采用普通荧光灯和筒灯。灯具规格多样，部分区域照度不符合规范规定的照度要求，控制方法相对落后。

三节能改造措施

1充分利用自然冷源

  当室外湿球（或干球温度）低于室内空调设计温度并达到一定值时，通过冷却塔的冷冻水或冷却水直接或间接为空调系统提供冷量，消除室内冷负荷，使用自然冷源。

2高效控制空调机组

  完善机房设备参数监测控制，监测主机负荷率、冷冻冷却出回水温度压力、室外湿球温度等参数，为中央空调系统提供全系统优化运行平台。自动调节制冷主机在高效范围内运行，根据负荷变化实时调节出水温度，预计冷水机组能效提高8%左右。

3电能质量管理

  由于数据中心的主要负荷是IT设备，UPS被广泛用于供电、制冷系统使用的变频设备较多，在工作过程中会对低压电网侧产生谐波反馈，严重影响配电系统的电能质量。变压器低压侧谐波畸变率达到50%，远远超过国家标准。这也会导致电缆发热，增加电能损耗，影响开关电源的使用寿命，降低设备的使用性能。

  在每个变压器下安装500A有源谐波处理系统装置进行集中处理，型号为Ansin-500-MⅠ类型，自动跟踪补偿负荷产生的谐波电流，大大降低谐波畸变和中性线电流，确保供电系统安全可靠运行，减少系统损耗，见图4。

图4ansin-500000-MⅠ集中治理装置

  对一些谐波较严重的电路进行当地补偿，如选择中心UPS出线端对前后波形数据进行比较，通过安装Ansin-300-BⅠ型有源滤波处理系统后，电压畸变率从6.32%降值2.05%，电流畸变率从28.94%降值5.67%，提高电网波形质量，见图5。

图5Ansin-30000-BⅠ壁挂式处理装置

4UPS电池监控系统

  UPS供电系统是满足数据中心供电可靠性的核心部分，电池是整个系统的重要组成部分之一，是整个供电系统的“后屏障"。当电池性能因过充、过放电等原因下降，电池内阻增大，导致电池加热、鼓包等现象，导致供电系统安全整体下降，增加电池充放电损耗。

系统在电池室增加氢浓度监测传感器，当氢浓度可启动排气系统时，增加电池监测系统，监测电池电压、内阻和内部温度功能，数据接入Acrel-8000数据中心能效管理系统，通过电池系统科学运行维护、监测维护，及时发现故障风险，客观延长电池使用寿命，确保供电安全，降低整体拥有成本，见图6。

  图6电池在线监控示意图

5智能照明控制系统

  数据中心机房采用高光效LED光源灯代替原节能灯和筒灯，增加智能照明控制系统。红外人体传感器安装在走廊、电梯前室、卫生间等公共照明区域，由智能照明控制器控制，使人灯亮，人灯熄灭。同时，整个数据中心照明的集中控制和状态监控也可以集成在值班室的Acrel-8000系统主机上，节省照明用电，见图7。

图7智能照明控制系统示意图

6光伏发电系统

  数据中心屋顶具有较大的光伏组件安装面积。通过增加光伏太阳能组件和逆变器，采用自用和剩余电源互联网模式并入低压电网，为数据中心提供清洁能源供电，减少数据中心的碳排放。光伏组件吸收太阳能转化电能，同时反射和反射太阳热量，在屋顶形成遮蔽结构，避免阳光直射引起的热量聚集，有效降低夏季建筑空调能耗，降低数据中心空调能耗，预计光伏系统年发电量40万kWh。

7其它应用

  除能效管理系统和上述电能质量控制装置、电池监控、智能照明控制和分布式光伏外，安科瑞还包括高低压配电综合保护监测产品、电能质量在线监测装置（A类）、智能小母线系统、精密配电柜、电气消防解决方案等。

四结束语

  随着越来越多的新数据中心，对数据中心的要求越来越高，无论是新的还是多年的数据中心都需要通过技术手段诊断数据中心的能源利用效率，找到节能空间，确定适合项目的节能改造方法，以提高数据中心的PUE值。Acrel-结合空调控制相关技术，8000数据中心能效管理系统、安科瑞电力监控、电能质量监控与治理、电池监控、智能照明控制、分布式光伏等硬件产品，帮助数据中心提高能效，减少碳排放，建设绿色环保数据中心。