數據中心UPS系統運行能耗優化探討與應用 安科瑞邵怡倩
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關鍵詞：UPS；能效指標；設備選型；電源質量；能耗優化
一、前言
中國信息通信研究院院長劉多在接受人民網財經連線采訪時表示，“新基建”是構筑數字經濟**發展之基，培育新動能，推動發展方式轉變的關鍵力量，“新基建”將為經濟發展注入新動能。從新基建的系統圖我們能看到數據中心的建設占用顯著的位置；隨著我國經濟的迅猛發展，數據中心的建設也呈現爆發式增長的勢頭，其能耗的增長也引起了越來越多的關注，據相關專業機構統計，目前我國數據中心的年耗電量已超過社會總耗電量的1.5%；作為專業的數據中心技術人員需要高度重視數據中心能耗的增加，需要**認識數據中心能效指標，為不同類型的數據中心提供優化合理的節能減排方案；UPS系統作為數據中心關鍵設備電源系統的供應和保障系統，其系統的構建和運行方式對數據中心能耗有至關重要的作用。
圖1新基建系統圖
二、數據中心能效指標概述
降本增效是經濟發展的一個重要課題，數據中心能耗的不斷增加對新基建而言也是一個重要的課題，數據中心中UPS系統的構建和運行方式對其降低能耗有十分重要的意義。在對UPS系統的構建和運行方式的探討前，對數據中心能效指標的評價體系的了解有助于我們構建更優良的運行體系；對于不同類型的數據中心而言，不同的是用途，相同的是都有基本一致的能效指標，目前數據中心常用的有以下四種能效指標：
- PUE：是目前國內外數據中心較流行的衡量數據中心基礎設施能效的綜合指標，計算方法為：PUE=PTotal/PIT。其中，PTotal為數據中心各類設備的能耗總和，PIT為IT設備能耗總和。UPS系統的能耗在基礎設施中占有相當大的比重，顯然，對UPS系統運行的優化能提升數據中心PUE。
- pPUE：pPUE其實是PUE概念的進一步細分討論，是對數據中心局部區域或設備的能效進行評估和分析。采用pPUE指標進行數據中心能效評測時，關鍵的一步是對數據中心的合理分區。
- CLF/PLF：CLF/PLF分別是制冷/供電負載與IT設備能耗比值。從管理的角度來說這兩個比值比PUE更能準確體現數據中心的能效。在該評價體系中PLF的大小如UPS系統息息相關。
- RER：再生能源的利用是數據中心今后一個重要的課題，RER就是用于衡量數據中心利用可再生能源的一個指標，RER指標的提升，可以減少數據中心的碳排放。目前主要的再生能源有太陽能、風能、水能、生物質能、地熱能和海洋能等。
三、數據中心UPS系統構建及系統運行能耗優化
數據中心作為新基建的重點方向之一，機遇往往伴隨挑戰，新基建也對數據中心的發展提出來更高的要求，比如能耗方面，UPS系統的節能優化運行就是我們需要重點關注的一個方面；數據中心UPS系統的構建和系統優化運行，需要從UPS系統選型、IT設備供電需求、UPS運行方式、如何保證電源質量等方面進行充分的考慮；下面進行簡單分析：
- 合理的UPS系統構建
UPS系統的合理構建對于數據中心來說有至關重要的意義，目前市場上的UPS機組既有傳統的高頻、工頻機組，也有模塊化UPS的機組，高壓直流供配電系統代替常規的UPS供配電系統的供配電技術也逐步被一些數據中心所接受，但高頻或工頻UPS供配電系統仍然是主流；合理的系統構建對數據中心的能耗體系有重大的影響，下面進行簡單的分析：
- 工頻機UPS供電解決方案
目前50%以上的數據中心采用工頻機UPS供電，主要原因是其采用技術較為成熟和可靠可控硅相控整流技術，同時在供配電中采用“1+1”雙總線供電方案,其優點有：解決單點故障、容錯能力好，可靠性高、控制簡單；對各種成本越來越高的數據中心而言，工頻機UPS安裝占地面積大、安裝場地承重要求高、功率因數低、使用成本高也制約其進一步的發展
- 高頻機UPS供電解決方案
以前對高頻UPS顧慮就是大功率IGBT模塊的技術瓶頸，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也逐漸被較多數據中心的技術人員所接受，高頻機對數據中心技術人員認可的技術變化是不需要輸出隔離變壓器，其供配電系統和工頻UPS一樣采用“1+1”雙總線供電方案；與工頻UPS對比其占地面積小、場地承重要求低、解決單點故障瓶頸、容錯能力好、功率因數高、使用成本低等優勢就顯得意義重大了；當然高頻機UPS供電解決方案仍然有較多的缺點，比如：高頻諧波多、負載端“零地”電壓較高等；由于一些進口品牌服務器廠家對“零地”電壓小于1V的“過份”要求，因此對于計算節點使用較多的數據中心在構建UPS系統時，對UPS選型不是特別專業的技術人員往往容易受這點影響而堅持選用工頻機；但從80%以上新建數據中心的構建選擇來看，高頻機系統的構建是數據中心未來供電系統的必然趨勢。
- 構建UPS系統的合理容量選擇
構建一個合理容量的UPS系統對數據中心來說意義重大，UPS系統的構建需要考慮較多的因數，其效率和成本是比較重要的兩個因數。從技術的角度出發，我們只對效率進行探討，對于UPS系統的構建把握兩個關鍵數字，50%和±15%，理解50%的關鍵就在于UPS系統負載在50%以上時其有比較高的效率，當低于50%負載時，其效率就急劇下降。±15%是指用戶選型時選取效率與輸出功率的關系曲線和直流電壓變化±15%時的效率。充分理解50%和±15%專業的技術人員就能構建合理容量的UPS系統；從成本角度講，機器的效率高，可以節省成本，選用容量時，也可以更加優化。
（二）UPS系統運行方式選擇
對于一個數據中心而言，UPS系統的運行方式是由數據中心內計算、存儲、交換等IT設備的需求決定的。IT設備的總功率決定了UPS系統容量，IT設備電源輸入回路需求決定了UPS系統組成方式。下面從多種因素結合討論數據中心UPS系統運行能耗優化問題。
1.UPS單機運行
對于規模很小的數據中心，或者說有投資限制的數據中心，很多采用單機運行；對于該類型的數據中心UPS系統的節能優化很簡單，設備選型很重要，選擇系統效率高的高頻機或模塊化UPS能從根本上提升該數據中心的PUE值；如果設備選型已經為工頻機的就根據市電的電源質量和設備的重要程度合理選擇單機的運行模式。如果市電電源質量可靠是可以選擇大多數UPS具有的經濟運行模式。
圖2UPS系統單機節能運行模式
2.UPS單系統并機運行
圖3UPS互動熱備份（ATS）運行
隨著數據中心規模的擴大或IT設備重要性的增加，數據中心UPS系統的設備選型和運行方式必須轉為并機運行，當然并機方式有多種，比如主從熱備份、互動熱備份、互動熱備份（ATS）、冗余（N+X）并機；大多數數據中心會選擇互動熱備份（ATS）或冗余（N+X）并機；對于選擇互動熱備份（ATS）系統來說，優化系統能耗效率當然直接的辦法是選用系統效率高的高頻機組，既可以保障系統的可靠性，又可以在單機輪換運行時提升和降低機組本身的能耗。
3.UPS多系統并機運行
圖4UPS冗余（N+X）運行
隨著數據中心規模的進一步擴大或IT設備對電源冗余度提升，數據中心中UPS系統的構建規模是越來越大，需要解決的問題和考慮的制約因素有越多，比如說現在很多重要程度很高的數據中心中IT設備對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，針對這類型的IT設備供電，單系統并機的UPS機組已經不能滿足其需求，我們就需求為其設計多組如圖三的N+X冗余系統來滿足其需求；針對數據中心多電源設備的大量采用，其實大多數數據中心均采用AB路供電模式，即用兩套或多套N+X冗余系統來保障IT設備的供電，這也為數據中心降低能耗提供了機會，在市電質量可靠的地區我們可以輪流把AB路UPS系統采用節能模式或公共旁路模式甚至直接采用可靠性較高的市電，即能保障數據中心的可靠性又能降低數據中心能耗。
四、安科瑞能耗統計分析（能源管理）解決方案
1.能效管理解決方案介紹
建立高效的能耗監測管理系統，對建筑各類耗能設備能耗數據進行實時測量，對采集數據進行統計和分析。能夠合理的確定各區域建筑能耗經濟指標及績效考核指標，發現能源使用規律和能源浪費情況，提高人員主動節能的意識。
① 搭建數據中心智慧能源管理系統的基本框架，對各個用能環節進行實時監測；
② 排碳數據化：通過系統可實現建筑單位內人均能耗分析（包括水、電、能量），實現低碳辦公數據化；
③ 區域能效比：實現建筑單位內區域能耗對比，方便能耗考核；
④ 同期能效比：實現同年、同期、同一區域能耗對比，方便節能數據分析；
⑤ 能耗評估管理：按照能源消耗定額標準約束值、標準值、引導值進行分析單位面積能耗和人均能耗指標；
⑥ 能耗競爭排名：各個功能區能耗對比，實現能耗排名，增強工作人員的節能意識；
⑦ 對能耗的使用數據進行綜合的分析、統計、打印和查詢等功能，并根據能耗監測管理系統的需要可選擇不同樣式報表的打印。為能耗運營管理部門提供可靠的依據；
⑧ 能耗數據采集，隨時查詢，并根據采集數據進行統計分析，監測異常能源用量，對能源智能儀表故障進行報警，提高系統信息化、自動化水平。
2.能源管理系統硬件配置
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應用場景 |
型號 |
圖 片 |
保護功能 |
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能耗管理云平臺 |
AcrelCloud-5000 |
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采用泛在物聯、云計算、大數據、移動通訊、智能傳感等技術手段可為用戶提供能源數據采集、統計分析、能效分析、用能預警、設備管理等服務，平臺可以廣泛應用于多種領域。 |
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智能網關 |
Anet系列網管 |
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采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網絡接口，作為信息采集系統中采集終端與平臺系統間的橋梁，能夠根據不同的采集規約進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數據采集匯總，并使用相應的規約轉發現場設備的數據給平臺系統。 |
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高壓重要回路或低壓進線柜 |
APM810 |
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具有全電量測量，電能統計，電能質量分析及網絡通訊等功能，主要用于對電網供電質量的綜合監控診斷及電能管理。該系列儀表采用了模塊化設計，當客戶需要增加開關量輸入輸出，模擬量輸入輸出，SD卡記錄，以太網通訊時，只需在背部插入對應模塊即可。 |
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APM520 |
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三相全電量測量，2-63次諧波，不平衡度，功率需量，支持付費率，越限報警，SOE,4-20mA輸出。 |
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低壓聯絡柜、 |
AEM96 |
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三相多功能電能表，均集成三相電力參數測量及電能計量及考核管理，提供上24時、上31日以及上12月的電能數據統計。具有63次分次諧波與總諧波含量檢測，帶有開關量輸入和繼電器輸出可實現“遙信”和“遙控”功能，并具備報警輸出，可廣泛應用于多種控制系統，SCADA系統和能源管理系統中。 |
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動力柜 |
ACR120EL |
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測量所有的常用電力參數，如三相電流、電壓，有功、無功功率，電度，諧波等，并具備完善的通信聯網功能，非常適合于實時電力監控系統。 |
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DTSD1352 |
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DIN35mm導軌式安裝結構，體積小巧，能測量電能及其他電參量，可進行時鐘、費率時段等參數設置，精度高、可靠性好、性能指標符合國標GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業標準DL/T614-2007對電能表的各項技術要求，并且具有電能脈沖輸出功能；可用RS485通訊接口與上位機實現數據交換。 |
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AEW100 |
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三相全電量測量，剩余電流、2-63次諧波，支持付費率，量值、電纜溫度，可選2G/4G通訊。 |
五、結語
數據中心的**、高效、可靠運行是我們所有從業人員的首要目標，在**、高效、可靠運行的基礎上保證數據中心的綠色、低碳運行也是所有從業人員的義務。UPS系統的合理選型和系統合理構建，比如UPS系統合理容量選擇、選擇單機運行效率高的高頻機、市電與UPS系統的混合供電、電源質量越來越高的市電直接為IT設備供電，也需要數據中心設計人員及運維工作者去推廣和積累更多的經驗。
【參考文獻】
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[4]李長春.張謙.喬蔚林，數據中心UPS系統運行能耗優化探討
[5]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2023.7