数据中心供配电系统节能技术研究

萨其日拉图

（中铁十二局集团电气化工程有限公司，天津 300308）

0 引 言

供配电系统是轨道交通系统的重要组成部分，为轨道交通系统提供稳定可靠的电能供应，保证列车牵引、信号处理、通信以及空调等各类设备的正常运行[1]。供配电系统也是轨道交通系统中能耗最大的部分，其能耗占整个轨道交通系统能耗的60%以上[2]。因此，如何提高供配电系统的节能效率，降低供配电系统的运行成本和环境影响，是轨道交通领域的一个重要课题。文章以上海地铁数据中心供配电系统为研究对象，分析数据中心供配电系统的现状和存在的问题，探讨数据中心供配电系统节能技术。

1 数据中心供配电系统现状

上海地铁数据中心供配电系统为数据中心的各类设备提供电能供应。供配电系统采用双路市电输入，通过2台35 kV/0.4 kV变压器降压后接入0.4 kV总配电柜。供配电系统将负荷分为3类，即A类负荷、B类负荷以及C类负荷。A类负荷是最重要的负荷，包括机房内的服务器和网络设备等；B类负荷为次重要的负荷，包括控制室内的显示屏和控制台等；C类负荷为一般的负荷，包括办公室内的灯具和插座等。供配电系统能够为A类负荷和B类负荷提供双路电源，采用模块化不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS），总容量为1 200 kVA，还配备了柴油发电机组，作为UPS的后备电源和整个数据中心的最后防线。供配电系统为C类负荷提供单路市电供电。当市电线路出现故障时，C类负荷停止供电。此外，供配电系统包括监测、控制、保护以及接地等设备和系统，与数据中心控制系统相连，实现远程监控。

2 数据中心供配电系统架构

数据中心的供配电系统由外部的市电、后备电源、中压配电、变压器、UPS以及低压配电组成。对于一个高等级的数据中心，供电系统标准的设计采用2N容错架构，具有2路市电+自备发电机、2路独立的中低压配电和2路独立的UPS[3]。在2路独立的配电系统中，还增加了中压和低压的母联装置，提高了配电系统的可靠性和容错能力，使其在电力中断、配电故障或检修时仍然能够保障信息技术（Information Technology，IT）设备的正常运行。典型的数据中心配电系统架构如图1所示。供配电系统主要的损耗来自变压器、UPS以及各链路的开关和线路。变压器损耗包括空载时铁芯中的磁滞、涡流产生的损耗和带负载时绕组中的电阻、铜损产生的损耗。变压器的能效等级越高，损耗越低。线路损耗是指电缆在输送电能或信号过程中，由于导体电阻、绝缘介质、接头等因素产生的损耗。一般情况下，电缆截面越大，传输距离越短，传输损耗越小[4]。此外，UPS的能量转换效率是影响供配电系统能耗的关键因素。

图1 数据中心供配电系统架构

3 数据中心供配电节能关键技术

3.1 变压器节能

数据中心供配电系统中，变压器的作用是把高压电源转换成适合数据中心设备使用的低压电源。变压器在工作过程中会产生一定的能耗损失。为降低变压器的能耗，提高数据中心供配电系统的节能效率，可从以下几个方面进行节能优化。

第一，选择高能效变压器。所选变压器要符合国家标准《电力变压器能效限定值及能效等级》（GB 20052—2020）的要求，优先选用1级或2级能效的变压器。根据《变压器能效提升计划（2021—2023年）》（工信厅联节〔2020〕69号），到2023年，新建大型和超大型数据中心的电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值必须达到1.4以下，当年新增高效节能变压器占比达75%以上[5]。

第二，选择合适容量和绝缘等级的变压器。过大或过小的容量会造成变压器空载或过载运行而增加损耗。一般情况下，可以选择绝缘等级为F级（120 ℃）的变压器[6]。

第三，选择非晶合金材料的变压器。非晶合金材料具有高饱和磁感应强度、低磁滞系数、低涡流系数等特点。空载损耗只有普通硅钢片的30%～40%，节能效果显著。

第四，选择箔绕式绕组结构的变压器。箔绕式绕组结构具有低电阻、低温升、低局部放电以及低噪声等特点，负载损耗比线绕式绕组结构低10%～20%，同时有利于提高变压器的可靠性[7]。

第五，合理布置变压器位置。变压器尽量布置得靠近负荷区域，缩短低压线缆长度，降低线路传输损耗。同时，考虑变压器的散热和噪声对数据中心环境的影响，需要采取相应的隔热和隔声措施。

3.2 中压直流供电

数据中心作为信息技术的基础设施，对供电质量和可靠性有着极高的要求。传统的数据中心供配电系统架构采用中压交流工频同步发电机组，通过变压器降压至低压交流，再通过UPS转换为低压直流给数据中心设备供电[8]。该方式包括多次交直流变换环节，存在能量损耗和设备占地面积大等问题。

为降低数据中心供配电系统的能耗，提高数据中心供配电系统的节能效率，可采用基于中压直流供电的数据中心供配电系统架构。与传统的数据中心供配电系统架构相比，基于中压直流供电的数据中心供配电系统架构可以减少交直流变换环节，从而提高能量传输效率。由于发电机组输出的交流电可以直接整流为中压直流电，通过变换器向数据中心设备输入低压直流电，避免经过多次交直流变换造成能量损耗。同时，变换设备的体积和质量更小，能够节省空间。由于取消了大容量的推进变压器和配电变压器，功率变换设备能在更高的频率下运行，减小了变换设备的变压器体积和质量。同时，由于没有电流的集肤效应，也不用传输无功功率，大大减轻了电缆的质量。此外，采用较高的输配电网络电压，可以降低线路传输损耗。以上海地铁数据中心为例，传统数据中心供配电系统架构需要2台35 kV/0.4 kV变压器，每台变压器的额定容量为800 kVA，空载损耗为1.5 kW，负载损耗为6.5 kW。假设变压器运行时的负载率为80%，则每台变压器的总损耗为7.7 kW，2台变压器的总损耗为15.4 kW。如果采用基于中压直流供电的方式，则可以取消变压器，节省15.4 kW的能耗。

3.3 模块化UPS

模块化UPS按照UPS部件的主要功能，将整个UPS分成功率变换、电池系统、智能管理以及通信等几个部分，再按照基本功能和功率容量，把每部分在结构上做成独立的可热插拔模块[9]。模块化UPS具有可扩展的功率解决方案，通过为每个模块提供独立控制实现冗余。各模块并行同步，未使用的模块（无负载）变为N+1、N+2、…、N+N。传统的数据中心供配电系统架构采用塔式UPS，缺点是占地面积大、扩展能力差、维护困难等。为提高数据中心供配电系统的节能效率，可以采用模块化UPS方式。采用模块化UPS方式，具有诸多优势。一是可以减少设备占地面积，节省空间。模块化UPS采用高功率密度设计，与塔式UPS相比，可以节省约50%的空间。二是可以提高系统可靠性。模块化UPS采用N+X冗余设计，可以避免因单点故障导致的系统停机或切换旁路，从而减少因供电中断或波动而造成的设备损坏或数据丢失，降低设备的维修或更换成本，延长设备的使用寿命，节约能源。三是可以降低系统运行成本，节约能源。模块化UPS采用智能ECO运行模式，在负载较低时，可以关闭多余的模块或将其切换到待机状态，降低系统的损耗。四是可以简化系统维护，提高能耗管理效率。此外，模块化UPS具有智能能量管理系统，可以实现远程监测、控制和管理，及时发现并解决系统存在的问题，优化系统的运行参数，提高系统的转换效率，节约能源。

以上海地铁数据中心为例，将原有的塔式UPS改为模块化UPS，可以节省约10%的能耗。第一，变压器节能。模块化UPS采用高功率密度设计，每个模块的功率容量高达100 kVA/3U，可以实现“一柜一兆瓦”的超高密度。因此，可以将2台35 kV/0.4 kV变压器的额定容量从800 kVA降低到600 kVA，从而降低变压器的空载损耗和负载损耗。第二，UPS节能。模块化UPS采用智能ECO运行模式，可以根据负载需求自动调整输出功率和输入功率之间的匹配度。当负载较低时，可以关闭多余的模块或将其切换到待机状态，降低系统损耗。第三，线路节能。模块化UPS采用可热插拔设计，可以实现在线维护。当某个模块需要维修或更换时，无须停机或切换旁路，只需将其从机柜中拔出并插入新的模块，可以减少线路的长度和截面积，从而降低线路传输损耗。

3.4 智能ECO运行模式

负载较低时，系统会关闭多余的模块或将其切换到待机状态，使得系统的输出功率和输入功率之间的匹配度达到最优；负载增加时，系统会自动启动或唤醒相应的模块，在几毫秒内完成切换，保证供电不间断[10]。通过该方式，系统可以实现在不影响供电质量和可靠性的前提下，最大限度地降低系统的损耗和耗电量。

一方面，智能ECO运行模式降低了系统运行成本，节约了能源。智能ECO运行模式可以根据负载需求自动调整输出功率和输入功率之间的匹配度，使得系统在不同负载下都能保持最高的转换效率。另一方面，智能ECO运行模式可以实现自动故障检测和隔离。当某个模块发生故障时，系统会自动将其从并联中剔除并通知维护人员，能够简化系统维护和管理流程，提高效率。智能ECO运行模式可以实现远程监测、控制和管理，通过智能能量管理系统，实时获取系统的运行状态、参数、报警等信息，并进行远程控制和调节。

若将上海地铁数据中心的模块化UPS切换到智能ECO运行模式，则可以节省5%～10%的能耗。

4 结 论

文章以上海地铁数据中心为例，分析数据中心供配电系统的现状、架构以及节能关键技术。数据中心供配电系统采用2N容错架构，具有2路市电+自备发电机、2路独立的中低压配电和2路独立的UPS，增加了中压和低压母联装置，具有良好的系统可靠性和容错能力。文章重点介绍变压器节能、中压直流供电、模块化UPS以及智能ECO运行模式这4种关键节能技术。可见，采用节能技术可显著降低数据中心供配电系统的能耗，具有较好的节能效果。