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工業(yè)4.0時(shí)代——數據中心供配電系統

 更新日期:2022-07-22 點(diǎn)擊量:1091

王蘭

安科瑞電氣股份有限公司 
摘  要:數據中心供配電系統是為機房?jì)人行枰獎?dòng)力電源的設備提供穩定、可靠的動(dòng)力電源支持的系統;是數據中心日常運維的重大支出之一,在數據中心,供配電系統相當于一個(gè)人的“心臟和血管",負責把能量輸送到系統的每一臺設備。一旦供配電系統出現故障,會(huì )導致IT設備斷電宕機,產(chǎn)生經(jīng)濟損失和社會(huì )影響。故數據中心運維人員和管理者對數據中心的供配電系統是否正常運行尤為關(guān)注。
關(guān)鍵詞:數據中心;供配電系統;配電監控;能效管理;
1數據中心供配電系統架構
       說(shuō)到數據中心供配電系統,就不得不談系統架構,關(guān)于數據中心供配電系統架構,GB50174 - 2017《數據中心設計規范》在附錄“電氣"中規定:數據中心應滿(mǎn)足容錯要求,可采用2N系統,也可采用其他避免單點(diǎn)故障的系統配置。 
       數據中心供配電系統主要有3種架構:2N、DR、RR。
1.1 2N系統
      由兩個(gè)供配電單元組成,每個(gè)單元均能滿(mǎn)足全部負載的用電需要,兩個(gè)單元同時(shí)工作,互為備用。
      正常運行時(shí),每個(gè)單元向負載提供50 % 的電能,當一個(gè)單元故障停止運行時(shí),另一個(gè)單元向負載提供100 % 的電能。
      這種多電源系統冗余的供電方式,克服單電源系統存在的單點(diǎn)故障瓶頸,增加了供電系統可靠性。但是由于設備配置多、成本高,通常情況下效率比N+X系統低。
1.1 DR系統
       DR是Distribution Redundancy的簡(jiǎn)稱(chēng),意思是分布冗余。
       由N(N≥3)個(gè)配置相同的供配電單元組成,N個(gè)單元同時(shí)工作。將負載均分為N組,每個(gè)供配電單元為本組負載和相鄰負載供電,形成“手拉手"供電方式。
       正常運行情況下,每個(gè)供配電單元的負荷率為66%。當一個(gè)供配電系統發(fā)生故障,其對應負載由相鄰供配電單元繼續供電。
1.3 RR系統
       RR是Reserve Redundancy的簡(jiǎn)稱(chēng),意思是后備冗余。
       由多個(gè)供配電單元組成,其中一個(gè)單元作為其它運行單元的備用。當一個(gè)運行單元發(fā)生故障,通過(guò)電源切換裝置,備用單元繼續為負載供電。
2數據中心供配電系統組成
       這里我們說(shuō)的“數據中心供配電系統"是從電源線(xiàn)路進(jìn)用戶(hù)起經(jīng)過(guò)高/低壓供配電設備到負載止的整個(gè)電路系統,將主要包括市電引入、變電站、高壓配電設備——高壓變配電系統、柴油發(fā)電機系統、自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)系統、輸入低壓配電系統、不間斷電源系統、列頭柜/母線(xiàn)槽配電系統和機架配電系統。
2.1高壓變配電系統
       主要是將市電通過(guò)該變壓器轉換成380V,供后級低壓設備用電。常規情況下,數據中心主要采用市電配電,一般可靠性要求數據中心引入兩路市電電源,每一路市電電源的供電容量,都需要*數據中心的全部電力需求,兩路電源負荷設備輸入端自動(dòng)切換,正常時(shí)同時(shí)供電運行。
2.2柴油發(fā)電機系統
       主要用作后備電源,一旦市電失電,迅速啟動(dòng)為后級低壓設備提供備用電源。
2.3自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)系統
       主要是自動(dòng)完成市電與市電或市電與柴油發(fā)電機之間的備用切換。
2.4輸入低壓配電系統
       主要作用是電能分配,將前級的電能按照要求、標準與規范分配給各種類(lèi)型的用電設備,如UPS、空調、照明設備等。
2.5不間斷電源系統
       不間斷電源UPS,是一種將蓄電池與主機相連接,通過(guò)主機逆變器等模塊電路將直流電轉換成市電(交流電)的系統設備。主要作用是電能凈化、電能后備,為IT負載提供純凈、可靠的用電保護。在數據中心,UPS一般采用一用一備容錯配置,且任何一路都可以帶起整個(gè)核心負載。
2.6列頭柜/小母線(xiàn)系統
       主要作用是將UPS輸出電能的進(jìn)行分配,將電能按照要求與標準分配給各種類(lèi)型的IT設備。
2.7機架配電系統
       主要作用是機架內的電能分配,通常是采用PDU來(lái)實(shí)現機架內服務(wù)器等IT設備的電能分配。
3安科瑞為數據中心供配電提供整體解決方案
3.1方案組成
       安科瑞電氣緊跟數據中心發(fā)展形式,推出數據中心AcrelEMS-IDC綜合能效解決方案,集成了變配電監測、電源備自投、電氣接點(diǎn)測溫、智能照明控制、電能質(zhì)量監測及治理、蓄電池在線(xiàn)監測、列頭柜監控、智能母線(xiàn)監控以及消防監控等多種子系統功能,能夠幫助用戶(hù)實(shí)時(shí)掌握數據中心的運行情況,保障數據中心安全可靠的運行,輔助運維團隊提升數據中心能效、資源利用率和可用性,提高運維效率并降低。
3.2功能介紹
       1)系統主頁(yè) 
       展示當前數據中心總能耗,動(dòng)力能耗,空調能耗,及其他能耗并且計算出當前數據中心實(shí)時(shí)PUE值,通過(guò)儀表盤(pán)形式直觀(guān)展示。
       2)變電站綜自
       對數據中心變電站實(shí)時(shí)監控,并在一次圖顯示配電系統當前遙測、遙信數據和狀態(tài)。
       在變配電過(guò)程中的各場(chǎng)景,安科瑞可以提供各類(lèi)硬件產(chǎn)品。如AM系列微機保護裝置、APView電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置、APF&SVG電能質(zhì)量治理裝置、ANDPF精密配電列頭柜、ARCM電氣火災監控系統、ASL系列智能照明控制等產(chǎn)品。
       3)電力監控
       電力監控云平臺針對供配電系統的特點(diǎn),對35KV及以下供配電實(shí)施一體化的實(shí)時(shí)監控,對電網(wǎng)的安全運行提供現代化手段,可實(shí)現無(wú)人值守。
       4)電能質(zhì)量監測
       電能質(zhì)量在線(xiàn)監測,可以監測電流和電壓諧波畸變率、電壓暫升暫降暫中斷等暫態(tài)事件記錄、ITIC容忍曲線(xiàn)等。
       5)分布式光伏
       對逆變器運行和電站進(jìn)行監測,對電站發(fā)電進(jìn)行統計和分析。
       6)UPS監測
       系統采集UPS輸入、輸出端和旁路三相電壓、電流、有功功率、功率因數頻率,同時(shí)監測UPS溫度、蓄電池電壓、當前負載下的剩余時(shí)間等數據。
        7)蓄電池監測
        展示單體電池電壓、內阻和溫度,預測電池帶載時(shí)剩余時(shí)間,每節電池數據均可以設置異常報警,及時(shí)發(fā)現蓄電池異常。
       8)列頭柜監測
       系統可以展示精密配電柜內進(jìn)線(xiàn)和饋線(xiàn)回路電氣參數,包括電流電壓功率電能以及開(kāi)關(guān)狀態(tài),并可以對數據進(jìn)行報警設置和分級,數據取自精密配電柜測量模塊。
       9)母線(xiàn)槽監測
       系統可以展示智能小母線(xiàn)的始端箱和插接箱電氣參數,包括電流電壓、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、插接點(diǎn)溫度,并對數據進(jìn)行報警設置和分級。
       10)能源分布
       通過(guò)平面圖顯示數據中心能源分布,設備分布情況,并顯示設備能耗數據,點(diǎn)擊平面圖上設備可以進(jìn)入具體設備監控界面。
       11)能耗分析
       顯示電能消耗日/月/年報表,并可對具體回路選擇曲線(xiàn)圖、餅圖進(jìn)行展示。對數據中心用電數據進(jìn)行同比、環(huán)比分析比較,查看用電趨勢。
       12)環(huán)境監測
       監測數據中心溫濕度、開(kāi)關(guān)門(mén)、水浸、煙霧、噪聲、氣體濃度狀態(tài)等參數。曲線(xiàn)圖直觀(guān)明了,同時(shí)支持歷史數據查詢(xún)。
       13)空調監測
       系統可監測精密空調的回風(fēng)溫濕度,出回水溫度,并可以設定精密空調的溫濕度,達到更好的控制效果。
       14) 智能照明
       用戶(hù)可通過(guò)控制面板、人體感應、照度感應、微波感應、上位機系統、觸摸屏、手機、平板端等多種控制終端實(shí)現靈活多樣的智能化控制。
       15)電氣安全
       電氣接點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)監測,斷路器觸頭、觸臂、母排和線(xiàn)纜連接等位置安裝無(wú)線(xiàn)測溫傳感器監測接點(diǎn)溫度,便于提前發(fā)現溫度異常導致的事故。
       16)消防監控
       智慧消防管理云平臺是在智慧安全用的基礎上,增加了火報系統,智慧煙感和智慧消防用水等設備和系統。實(shí)現火災預防、火情報警和聯(lián)動(dòng)控制等功能。
       17)故障報警
       報警事件分為四級,通過(guò)列表顯示各類(lèi)報警事件數量,通過(guò)柱狀圖顯示逐日報警數量,提供報警總數以及增長(cháng)趨勢。
       18)運維管理
       運維管理功能,可針對數據中心各主要設備進(jìn)行巡檢派工,消缺,搶修等維護工作。
3.3典型硬件
       下圖為安科瑞AcrelEMS-IDC數據中心綜合能效管理系統的系統拓撲圖,按照能源的流向、電壓等級的變化,數據中心的供配電從市電引入后,需要經(jīng)過(guò)用戶(hù)變電站、中高壓配電室、柴發(fā)室、低壓配電室、電池室等場(chǎng)景、后能源流向數據機房給IT設備進(jìn)行供電。
整個(gè)供配電場(chǎng)景中可以用到安科瑞的相關(guān)產(chǎn)品如下:
 
 
5結語(yǔ)
       數據中心建設正朝著(zhù)規?;?、科學(xué)化、集中化、綠色化方向發(fā)展,在此背景下安科瑞希望能夠如何通過(guò)AcrelEMS-IDC綜合能效管理系統幫助數據中心建設者管理者保障數據中心的穩定、安全、持續運行。
【參考文獻】
[1]李慶杰,許志紅.封閉式母線(xiàn)槽溫濕度智能檢測系統[J]低壓電器,2012,12. 
[2] 方黎明.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新一代智能母線(xiàn)系統[J].電氣智能化,2019(05):89-91.
[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版.