摘要：目前从一个单一的设备到专注于系统解决方案已成为共识，在原有产品的基础上的数据中心基础设施提供商纷纷推出迎合用户需求的整体解决方案，同时，巨大功耗的数据中心将“绿色能源”在整个产品设计与应用中作为系统主题。数据中心供电系统包括柴油发电机、变压器、UPS不间断电源设备，谐波滤波装置，开关设备（ATSE \ STS），PDU，低压配电终端和电池监控系统等，同时，数据中心的能源问题也在新设备的运作模式，新的制冷方式\房间的布局和新的系统节能方案中探讨。
关键词：大型数据；供配电；能效管理；电气
Abstract：at present from a single device to focus on system solution has become a consensus，on the basis of the original product data center infrastructure providers have launched overall solution to meet user requirements，at the same time，huge power consumption of data centres will be "green energy" as a system in the whole product design and application.Data center power supply system including diesel generator，transformer，UPS uninterruptible power supply equipment，harmonic filter，switching equipment（ATSE \ STS），PDU，low-voltage distribution terminal and battery monitoring system，etc.，at the same time，the data center's energy problems in operation mode of the new equipment，new refrigeration method \ the layout of the room and the new system energy saving scheme.
Key words：large data；power supply and distribution；energy efficiency management；electricity
一、数据中心市场背景
中国经过三十多年的改革开放，经济持续稳定发展，总体经济实力得到明显增强，2010年超过日本，成为位列美国之后的全球第二大经济体。在持续多年的高速增长之后，中国经济逐渐进入“新常态”。经济增长速度从“高速”转为“中高速”，经济增长驱动从“要素、投资”转为“创新”，在这一背景下，一方面，各个传统产业都需要不断优化升级，并积极寻找产业发展新空间；另一方面，以“互联网+”和“大数据”为代表的新经济产业正在经历蓬勃的发展，前景广阔。
2015年3月5日消息，李克强总理在第十二届全国人民代表大会第三次会议在政府工作报告中提出，“制定‘互联网+’行动计划，推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合，促进电子商务、工业互联网和互联网金融健康发展，引导互联网企业拓展国际市场。”2015年11月，党的十八届五中全会通过了《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》。其中，首次提出实施国家大数据战略和网络强国战略。同时提出，在国际发展竞争日趋激烈和我国发展动力转换的形势下，必须把发展基点放在创新上，形成促进创新的体制架构，塑造更多依靠创新驱动、更多发挥先发优势的引领型发展。
二、数据中心电气解决方案
2.1设计标准
《数据中心设计规范》GB50174-2017
《10 千伏及以下变电所设计规范》GB50053-94
《供配电系统设计规范》GB50052-2009
《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》GB50062-2008
《电力工程电缆设计规范》GB50217-2007
《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010
《建筑电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2011
《低压配电设计规范》GB50054-2011
《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008
《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008
《建筑设计防火规范》GB50016-2006
《智能建筑设计标准》GB/T50314-2006
《建筑照明设计标准》GB50034-2004
《电子工业职业安全卫生设计规范》SJ30002-2
TIA 942标准
数据中心解决方案目前主要以GB50174-2017《数据中心设计规范》及TIA 942为主。
GB50174-2017《数据中心设计规范》将数据中心建设等级分为A级、B级、C级。
TIA 942将数据中心建设等级分为T1级、T2级、T3级、T4级。
大型数据中心一般选用A级或T3级、T4级标准。
2.2.设计范围：
10kV变配电系统；后备柴油发电机系统；低压配电系统；UPS配电系统；电力配电系统；照明配电系统；防雷、接地系统及安全措施等。
2.3 设计要求：
配电系统设计依据Uptime Tier3/4标准，参照TIA942标准，UPS配电系统采用2N的冗余备份模式。
大型数据中心，特点是连续工作，自动化程度高，维持运转需要电力、空调、网络系统支持。一旦停电，网络服务中断，将造成大量数据丢失，需要较长时间才能恢复，因此对供电可靠性要求较高。机房设备连续运行，无频繁起停。冷冻机为长期运行，依次启动投运后，则常年运行。为工程配备的大量UPS设备，要求达到相应的规范、标准的要求。
机房供电系统要求可同时维护性，项目中除正常照明外所有负荷都属于一级特别重要负荷。市电停电后由柴油发电机供应全部的用电负荷。
2.4.电气系统设计
2.4.1数据中心供配电系统架构：
常用供配电系统的基本元素：市电、柴油发电机组、燃气发电机组、自然能源（太阳能发电、风力、水力等）。
常用供配电系统架构：2N，RR，DR（3 to make 2，4 to make 3，5 to make 4），2N+ATS，RR+ATS，DR+ATS等系统架构。
常用IT设备配电系统的基本元素：市电、UPS、飞轮UPS、高压直流（DC240，DC336V）、燃气发电机组。
常用IT设备配电系统架构：2N，2（N+1），RR，DR（3 to make 2，4 to make 3，5 to make 4），2N+STS，2（N+1）+STS，RR+STS，DR+STS等系统架构。
供配电系统的基本元素对应架构产生的排列与IT设备配电系统的基本元素对应架构产生的排列的组合，就可以形成几十种解决方案。
数据中心供配电系统架构发展趋势：
a.2N就一定比N+1可靠性更高吗?某个角度2N，DR，RR系统也是N+1的一种幻影，但他们的本质都是一样的，都能满足高安全性、高可靠性的需求，意味着一种数据中心架构的全新理念，个别超前的数据中心也已付诸实践，也将是一种行业发展趋势。
b.随着服务器技术的高速发展，处理能力的高效、耐温能力的增强，供电架构也将由新的供电架构所取代。
2.4.2电气系统方案设计：
供电电源：
三种供电电源：一般市电；自备应急自启动柴油发电机电源；不间断电源。
大型数据中心一般使用110kV、20kV电源（或10kV）。要求两个电源分别来源于不同区域的110KV的区域变电站，两路电源主用，且互为备用，每个电源是100%的容量，每个电源均能带起数据中心的全部负载，正常运行时每路电源容量约小于45%。
柴油发电机组：
根据项目规模，柴油发电机组有0.4KV级10KV解决方案。
配电变压器：
每一对变压器都是互为备用，每个变压器的容量均能带起数据中心的全部负载，正常运行时每路电源容量约小于45%。
低压配电系统设计：
大型数据中心IT设备采用2N容错设计，空调设备双路电源末端切换供电，对于持续制冷的空调设备采用UPS不间断电源供电，照明系统分为正常照明、备用照明、应急疏散照明、设备局部照明等。
继电保护及选择性保护：
采用三相三继综合继保方案并进行集中监控；10kV电源进线采用电流速断和定时限过电流保护；10kV电源出线采用电流速断、定时限过电流保护；10kV变压器切换开关柜采用速断保护、定时限过流保护、温度保护（高温报警，超高温跳闸）、接地故障告警、失电自动切换功能、逆向功率保护；10kV柴油发电机组出线采用过电流、电流速断、电流延时速断、过电压、低电压、零序、差动、水温过高、油压过低、过速保护；变压器10kV侧设单相接地保护及信号装置、温度保护及信号装置；另设变压器超温报警及跳闸保护；干式变压器设温度保护及自动风冷装置，以保证供配电系统的安全运行。
为了保证大数据中心的供电可靠性，各级开关之间设置选择性保护，限制小范围内故障的影响，在发生故障时，将故障限制在小范围之内。
变配电所监控系统结构和功能：
设置变配电监控系统。监控系统采用分散、分层、分布式结构设计，按间隔单元划分、模块化设计、分布式处理。系统从整个网络结构上，分为三层结构：即间隔层、通信管理层及所级监控管理层。
变配电监控系统具备如下功能：
a.遥测功能：各回路的运行参数：电流、电压、有功及无功功率、功率因数、有功及无功电度；普通支路如照明、风机等仅测量电流、电压。
b.遥信功能：各回路断路器的工作状态-合闸、分闸、事故跳闸；各回路小车的工作位置-工作、试验、分断；各回路事故告警、预告告警信号。
c.重要的控制功能及负荷分配功能。
防雷接地措施：
防直击雷、防雷电电磁脉冲（雷电波）、防地电位反击。
三、数据中心节能解决方案及能效管理
3.1、国家政策及部分地方相关政策：
1、工信部节【2017】77号，《关于加强“十三五”信息通信业节能减排工作的指导意见》2017.4.24：到2020年，信息通信网络全面应用节能减排技术，高能耗老旧通信设备基本淘汰；电信基础设施共建共享全面推进；通信业能耗基本可比国际先进水平，实现单位电信业务总量综合能耗较2015年底下降10%。北京地区新建大型、超大型数据中心的能耗效率（PUE）值达到1.4以下。
2、工信部联节函【2017】384号，“工业和信息化部办公厅 国家机关事务管理局办公室 国家能源局综合司关于开展国家绿色数据中心试点单位评价工作的通知”2017.6.29
（1）《国家绿色数据中心试点工作方案》（工信部联节【2015】82号）；
（2）《国家绿色数据中心试点评价指标体系（2017）》；
（3）《国家绿色数据中心试点监测手册》（工信厅节【2016】99号）；
（4）《数据中心 资源利用 第3部分：电能能效要求和测量方法》（GB/T32910.3-2016）
3、深发改【2017】420号，《深圳市发展和改革委员会关于协助做好固定资产投资项目节能管理的通知》2017.4.17印发即日并实施。对新增报装容量1.5万KVA及以上的项目，对建设内容涉及到数据中心的用电报装申请，均应提供市发展改革委出具的同意项目节能报告的复函或退文处理表，否则不得办理用电报装申请。
3.2、节能产品引领行业技术发展
1、非晶合金变压器：超低损耗特性，省能源、用电效率高，比传统硅钢变压器空载耗电节省80%；运转温度低，非晶质变压器铁芯温度约30℃，传统硅钢变压器铁芯温度约80℃；
抗谐波能力强，非晶质铁心极优异的导磁性能，在遭受谐波电压侵入时仍不至于影响铁心特性；寿命长，美国GE公司以30年周期作评估，传统硅钢变压器一般正常寿命以20年作评；具有优越的稳定性能，是目前最稳定，最节能，寿命最长，超负载能力最强的变压器。
2、LED照明技术，光导管技术：LED照明技术使照明用电大大减少；光导管技术新的照明技术革命。
3、间接绝热蒸发制冷技术：蒙特创新型专利Oasis?间接蒸发冷却系统、德高赫伯绝热蒸发自然冷却制冷机组等成为目前数据中心领先的节能产品。腾讯、京东等大型数据中心也相继应用类似解决方案。
4、水冷服务器：将带来一场新的数据中心节能革命。
等等，举不胜举。
数据中心节能产品层出不穷，大有长江后浪推前浪之势。
3.3、数据中心节能解决方案及能效管理
节能降耗是考核数据中心机房建设水平高低的重要指标之一。
近年来，随着能源消费的快速增长和数据中心机房电价的逐步提高，机房的管理者及其运行管理人员越来越重视能源的运行成本。事实上，你能提供一个足够大的电源容量（千瓦）的电源供应，有足够的UPS电源系统的可靠性和效率高，并且有足够大的数量的制冷（千瓦），能够影响比较足够高的空调系统已成为一个大型数据中心的房间可以顺利建立“瓶颈”制约因素。在不可再生能源日益稀缺的今天，能源成本的上升，要求我们尽可能多地采取必要的技术措施和管理方法，以建设更节能、环保的数据中心的绿色工作特性。因此，有必要对数据中心机房的能耗结构进行研究。数据中心机房的典型能耗分布图如图所示。
数据中心机房的典型能耗比分布图
由上图可见，为建设节能环保型的数据中心机房，应该高度重视以下节能“三定律”：
1、IT设备节能特性的优劣是决定机房能否节能的技术基础
利用IT设备，实现低能耗的虚拟化软件设计方案，根据数据处理过程中高、低CPU频率的工作频率，将动态休眠技术作为最重要的房间节能措施是优先考虑的问题。原因是传统的IDC机房使用PUE=2，其功耗和网络设备占总功耗的50%左右。对于PUE=1.5节能IDC机房，IT设备耗电量占总耗电量的66.7%。这意味着：PUE值越接近1越节能。
2、空调制冷系统节能特性的优劣是决定机房能否节能的关键所在
使用可以充分利用自然冷源空调机组，选择与EC风扇或数字变频压缩机涡旋式空调机组，通过优化气流组织提高热交换效率（一个典型的设计方案是：机柜使采用“面对面，背对背”类型冷热通道布局；封闭冷通道；封闭热通道；定向和定量CRV/XD型机架冷却等），以及大型数据中心优化冷冻水空调节能环保空调技术是房间获得高效节能功能的关键。原因是：传统的IDC机房PUE=2，空调系统的功耗约占总耗电量的37%。对于PUE=1.5的节能IDC机房，空调系统的功耗约占总耗电量的26.7%。它们消耗了相当多的能量。
3、UPS供电系统节能特性的优劣是决定机房能否节能的不可或缺的要素
输入电流谐波治疗+电容移相功率因数补偿调整技术，高效的设计+技术“动态休眠”UPS和UPS输出功率因数之间的匹配技术和设备的输入功率因数和其他节能UPS供电系统是一个重要因素来确定数据中心节能效果。在传统的IDC机房中，供配电的功耗是总功耗的10%左右，UPS电源的功耗是总功耗的8%左右。对于PUE=1.5节能IDC机房，UPS电源系统的功耗占总功耗的5.33%，其能耗比也不低。
4、降低PUE值对节省年电费的贡献。
IT总功率（KW）PUE值数据中心总功率（KW）折合电费单价（元）年总电费（万元）PUE值每降低0.1，年电费节省（万元）PUE值每降低0.1，年电费降低百分比
3.3.1数据中心节能降耗的相关措施：
1选择先天节能环境，利用自然能源节能
a、太阳能、涡轮风能发电（海风）、生物能、潮夕能、水能、瀑布发电、天然气发电机；
b、水侧自然冷、风侧自然冷、媒侧自然冷：根据机房所在地气象条件，采用自然冷源进行冷却；免费冷却（FreeColling）技术指全部或部分使用自然界的免费冷源进行制冷从而减少压缩机或冷冻机消耗的能量。
2采用节能的系统架构
a、UPS分布式冗余系统架构，提高UPS系统运行负载率；
b、等容量下，对于N+1系统，N取大值，减少备用机组容量以达到节能
c、空调主管路环路设计（较之双系统节省材料）；
d、对于冷水机组，采用适当的小容量机型，已达到低负荷运行时，冷水机组负荷也能平滑运行。
3选用高效节能设备（设备先天节能）
4选用节能部件使设备节能
5精确计算、合理选择设备：a、根据机房的实际情况灵活配置变压器及供配电系统。变压器采用2N配置时，每台变压器负荷率不大于50%；变压器采用N配置时，每台变压器负荷率不大于7 0 %。b、由于设备容量特别的大，同时考虑到降低N+1备机的成本，一般采用2+1、3+1系统。
6采用节能的平面布局
a、机柜面对面、背靠背平面布局；
b、精确送风等：通过采用下送、上回系统，将空调冷风直接送入机柜，避免先冷环境再冷设备的情况，可以显著提升空调的制冷效率。
c、变配电所应深入负荷中心，使配电线路最短，减少初期投资，降低运行损耗；高低压配电室、变压器室及电力电池室宜贴近距离最短，运行损耗最低，大量节省金属导体的用量，节资节能。
d、低压配电房与电力电池室宜临近布置，减少了低压配电系统的配电级数及缩短配电线路，配电系统简洁、安全可靠。
7优化冷热气流路径，减少冷热气流混合
采用遏制冷热通道分隔技术；CFD模拟技术验证。
8分步实施、按需部署、快速部署
9智慧控制系统
■智慧控制：
效率优先：a加机减机控制策略，达最佳负载率策略；b同类设备的输出管路必须成环，才能资源共享，才能协同各设备达最佳负载率，COP最高；c冷水机组变频控制或采用磁悬浮冷水机组），冷冻（却）泵变频控制，充分权衡流量L、压力H、功率P与转速N的关系特性，冷却塔变频控制）；精确制冷（按需变频控制）；自然曲线控制（像暗物质一样，看不见但存在，自然曲线就是隐含的一条曲线f（q）=f（x，y，z）。X，Y，Z代表冷水机组，冷冻（却）泵，冷却塔的函数，主动控制，系统能效最高。
■采用IBMS系统、DICM系统、动力环境监控系统
■使用先进的灯具控制方案，宜采用分区控制和集中控制相结合的方式，做到人走灯灭。
10降低空调设置标准、提高机房温度节约能源
11严格区分不同区域环境标准要求：应按使用时间及温湿度要求条件的差异，合理划分空调系统。
12有条件的数据中心采用冷热电三联供系统
13强化维护、科学运维节约能源等等。
3.4数据中心相关节能认证
绿色认证：数据中心绿色等级认证（工信部及TGG推出）、need认证等。
可靠性认证：uptime认证等。
参考文献
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[4]王颖，陈松，王莹莹等.配网自动化技术对配电网供电可靠性的影响分析[J].智能电网，2015，（3）：229-234.
论文作者:蒋柏春
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第36期
论文发表时间:2018/6/7
标签：数据中心论文; 系统论文; 节能论文; 机房论文; 变压器论文; 设备论文; 技术论文; 《建筑学研究前沿》2017年第36期论文;