数据中心用电管理解决方案

 

　　引言

　　数据中心是一个聚集了大量服务器、存储设备、网络设备及配套UPS、精密空调等设备的IT设备场所，是实现数据信息的集中处理、存储、传输、交换和集中管理等业务的服务平台。从物理层次看，数据中心主要由IT设备、配电系统和空调系统三部分组成。IT设备用于数据处理(服务器)、数据存储(存储设备)以及通讯(网络设备)，是实现数据中心功能的核心部分;配电系统和空调系统是实现IT设备系统的正常运行的保障。配电系统用于提供稳定的供电电源，实现直流一交流转换，并确保为IT设备提供可靠、高质量的电源;供电电源质量的好坏直接会影响到IT设备的安全运行，空调系统确保IT设备在正常的温度和湿度下工作。

　　1 数据中心用电规模及特点

　　近年来，国内各行业业务处理对信息技术的依赖不断增加，国内数据中心市场逐渐扩大，投资规模快速增长，对用电的需求也逐年增加，通过对数据中心用电情况的分析，我们发现数据中心用电主要呈现以下几个特点：

　　1.1 数据中心用电可靠性是数据中心核心要求，需要完备的故障处理机制保证其可靠稳定的运行。所以在数据中心配电系统中，除了正常的配电系统中采取的双回路独立电源供电之外，还在数据中心配备事故备用柴油机发电机、大容量UPS等，同时在数据中心配电系统故障处理机制方面，会考虑到供电电源失电、母线故障、开关跳闸和开关柜动等一系列非正常情况下如何最大限度地满足设备用电可靠性的要求。

　　1.2 数据中心配电系统较一般建筑配电系统更加复杂，正是由于以上用电可靠性的特点，所以在与一般建筑配电系统相比，数据中心配电系统增加了柴油发电机、大容量UPS等，使得其结构上也更加复杂。

　　1.3 数据中心用电呈现大规模、高密度的趋势，数据中心已经成为新的“电老虎”，根据美国环保署报告，2011年美国的数据中心全年累计耗电1000亿kwh，占全美当年总耗电量的1.5%，电费约74亿美元，全球数据中心耗电量同样惊人，据IDC报告，2005年全球数据中心的耗电量是全球用电量的0.8%，同时单个已经上升到万千瓦级别，数据中心的大规模发展、高密度的发展，这样就会增加数据中心配电柜要求。

　　2 数据中心用电管理解决方案

　　根据以上数据中心的用电规模及特点，数据中心用电管理显的尤为重要，一套合理的解决方案不仅可以保障数据中心用电安全，还可以大大提高数据中心用电能效，下图为常见数据中心配电系统图，大致可分为电源自动控制系统、精密配电监测系统和精密配电柜监测系统，每个系统都会呈现不同的用电特点。针对不同控制系统，我们将采取不同解决方案。

　　

 

　　图1数据中心配电系统图

　　2.1 电源自动控制系统

　　本系统主要实现按照不同设计要求，在不同场景下实现电源之间的切换控制功能，为数据中心系统提供稳定可靠的供电电源，我们采用电力监控系统Acrel-2000，该系统可实现对中低压柜上的保护测控装置、多功能电力仪表、温控仪、直流屏以及其他各种能通过通讯接口或者脉冲、模拟量等方式接入监控系统的设备进行数据监控，本系统中，主要采用的是电能质量分析仪表APMD系列和AM5微机保护装置作为测控装置，APMD系列集成了全部电力参数的测量，同时它具有多种外围接口功能可供用户选择，带有RS485通讯接口，采用MODBUS-RTU协议可满足通讯联网管理的需要，带开关量输入和继电器输出可实现断路器开关的“遥信”和“遥控”的功能，非常适合于实时电力监控系统，还可选配大容量的SD卡用于保存各种故障信息和多达200条的SOT事件记录。AM5系列微机保护装置对供配电系统提供不间断保护，一旦有故障发生、装置能在40ms内断开故障回路，保护一次设备和非故障回路正常运行，避免事故扩大。针对除逻辑满足设计需求之外，系统的稳定可靠是该级系统的核心要求，为满足系统控制高稳定可靠性，我们还可通过控制实现的硬件和软件方面通过一系列措施提高系统的稳定可靠性，主要包括：

　　硬件措施：

　　1.改进安装环境;

　　2.提升电源质量，系统可靠接地;

　　3.通过硬件电路对输入/输出信号进行防错处理;

　　4.通过硬件电路对输入/输出回路进行保护。

　　软件措施：

　　1.增加互锁逻辑，防止误操作;

　　2.利用计时器，过滤伪输入信号和干扰信号;

　　3.跟踪现场设备的动作时间，保护设备安全;

　　4.增加锁定逻辑，提高系统对设备故障的判断能力;

　　5.设置停电记忆功能，保护数据安全。

　　2.2 精密配电监测系统

　　精密配电监测系统包含低压配电柜和UPS，根据低压配电柜特点，我们公司推出了以AMC16Z为主体模块的数据中心电源管理系统软件，该模块可监测测量三相总进线的母线电压+1路三相进线的电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能+21路单相出线(7路三相)的电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能+1路开关量输出+1路RS485通讯+21路有源开关量输入(AC220V)+1路无源开关量输入。通过安装于前面板上的显示终端可查看进出线的测量数据和开关状态，并可设定设备的参数及整定值等，所有的数据可通过RS485口连接到后台配电管理系统，从而实现了对精密配电的集中监测。再配合能效管理软件，可对配电进行优化调节，达到节能降耗的目的。

　　2.3 精密配电柜监测系统

　　考虑到精密配电柜中其进线回路电流一般都比较大，能够达到几百安培，出线回路电流都比较小，一般都在63安培以下，且负载路数比较多等用电特点，我们公司推出了数据中心电源管理系统软件，本系统软件通过安装于列头柜中的AMC16M系列产品实现对服务器末端的IT设备精细化管理，该管理系统包括了对数据中心服务器电源的全方面的管理，可实现对两路进线、多路出线的电参量测量监控、进出线电压电流谐波测量、开关状态指示、对进线过电流、欠电流2段阀值越限告警、过压、欠压、缺相、过频、低频率越限告警功能，可对故障起到预防作用，便于预先采取措施等实现全面的监测，精密配电柜监控系统主要实现以下功能：

　　1.高集成监测设备，单套仪表可完成数十台传统仪表完成的功能;

　　2.可扩展性强，可监测2路进线和36路电参数状态;

　　3.监测配电开关的开闭状态;

　　4.通过人机接口实现界面化操作，方便用户使用;

　　

 

　　图2 数据中心用电管理解决方案系统图

　　数据中心用电管理解决方案设备清单

　　序号名称型号计量单位

　　1微机保护装置安科瑞 AM5-T四段相间定时限过流保护、IO1过流、IO2过流、控制回路断线告警、低电压保护、PT断线告警、三相一次重合闸、相/零序反时限过流保护、过电压报警、过电压跳闸、零序过压、非电量保护、过负荷启动冷风/闭锁输出

　　2微机保护装置安科瑞 AM5-F差动速断保护、比率差动保护、四段相间定时限过流保护、IO1过流、IO2过流、控制回路断线告警、低电压保护、PT断线告警、三相一次重合闸、相/零序反时限过流保护、低周减载、合闸后加速、频率保护

　　3电能质量分析仪表安科瑞 APMD700测量三相电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、视在功率、有功电能、无功电能、电网频率、1路有功电能脉冲、RS485、4DI/2DO、总谐波含量、LCD大屏幕彩屏显示

　　4多功能电表安科瑞AMC16-E4A测量三相电压、电流、平均电流、平均电压、有功功率、无功功率、总无功功率、视在功率、功率因数、计量四象限电能、2DI/1DO、RS485、专设防雷电路、防雷能力5KA

　　5数据监测装置安科瑞 AMC16Z测量三相总进线的母线电压+1路三相进线的电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能+21路单相出线(7路三相出线)的电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能、1DO、RS485、21DI(有源)、IDI(无源)

　　6数据监测装置安科瑞 AMC16MA测量三相总进线的母线电压+2路三相进线的电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能+36路单相出线(12路三相)的电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能+1路开关量输出+1路RS485通讯

　　7开关量模块安科瑞 ARTU-K3232路开关量采集、RS485/Modbus协议，SOE事件记录

　　8触摸屏安科瑞TPC7062KX数据采集、显示、储存、查询、转发

　　9电力监控系统Acrel-2000分层分布式设计，可分为站控管理层、网络通讯层和现场设备层三层，根据用户用电规模、可根据用电设备分布和占地面积等多方面的信息采用最合适的组网方式，可实现对中低压柜上的保护测控装置、多功能电力仪表、温控仪、直流屏以及其他各种能通过通讯接口或者脉冲、模拟量等方式接入监控系统的设备的数据监控。

　　10数据中心电源管理系统软件数据中心电源管理系统软件进线、出线回路电参数检测、开关状态监测、负荷百分比检测;三相电压、三相电流不平衡度检测;越限告警、事件记录、数据上传

　　11电流互感器安科瑞 AKH-0.66-50II150/5与AM5配套使用的保护型电流互感器，最大可测量150A，变比为150A/5A

　　安科瑞 AKH-0.66I与AMC16-E4A配套使用，最大变比3000A/5A

　　安科瑞 AKH-0.66 30I 200/5与AMC16MA配套使用的保护型电流互感器，最大可测量200A，变比为200A/5A

　　安科瑞 AKH-0.66W与AMC16M监测产品配套使用的保护型电流互感器。最大可测电流为100A，变比为100A/20mA

　　3 总结

　　数据中心用电管理解决方案更注重在使用过程中安全稳定地满足用户要求，验证了数据中心的设计理念在数据中心实际运行过程中的效果，为更多的数据中心设计理念在中国广大数据中心的落实提供实际运行数据和依据。希望通过数据中心用电管理解决方案的采用，让国内数据中心更加稳定可靠地运行。

　　参考文献

　　[1]数据中心用电管理解决方案.：徐斌/古雄文/刘岩

　　[2]安科瑞电气股份有限公司产品选型手册2013.08版

　　[3]20kV及以下变电所微机保护装置二次电路图册 2013.09