徐 華（河南省信息咨詢設(shè)計研究有限公司，河南鄭州450000）

0 前言

中原數(shù)據(jù)基地是河南聯(lián)通在中部地區(qū)唯一按照T3/T4標準建設(shè)的五星級核心數(shù)據(jù)基地。目前基地擁有獨立變電站以及110 kV專項用電容量和雙路電保障；能提供2N冗余UPS系統(tǒng)，同時采用高頻UPS供電和高壓直流供電；而且每個單體樓獨立配置一個動力中心，配置多套高壓油機?；氐目照{(diào)管理系統(tǒng)則是采用行業(yè)成熟的水冷系統(tǒng)，配備10 kV高效冷水機組，并采用了自然冷卻技術(shù)、冷通道封閉和連續(xù)制冷技術(shù)。

1 存在問題

1.1 電費居高不下

據(jù)統(tǒng)計，自基地投入生產(chǎn)開始，其電費持續(xù)居高不下，特別是從2015年到2016年3月，每月平均電費近430萬元，電費單價高達1.56元/kWh。其中，37%左右為實際使用的正常電量支出，30%左右為功率因數(shù)不達標造成的力率罰款，33%左右為大工業(yè)用電基本費，電費結(jié)構(gòu)極不合理。

1.2 PUE值高

根據(jù)中原數(shù)據(jù)基地用電量監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析核算，作為數(shù)據(jù)中心能源使用效率的衡量指標PUE值，在2016年3月前已啟用的6號樓和10號樓的PUE值為2.2，為較高的PUE值，電能利用率低，綠色化程度低，不符合低碳、節(jié)能的標準。

1.3 變壓器負載率低，功率因數(shù)低

中原數(shù)據(jù)基地在2臺110 kV/63 000 kVA主變壓器同時運行的情況下，主變負載率為9%，屬于較低負載，功率因數(shù)0.57，系統(tǒng)呈容性特征，因達不到供電部門要求的0.9而承受著每月百萬元以上的巨額罰款。

2 主要措施

以數(shù)據(jù)基地各類用電數(shù)據(jù)和報表為基礎(chǔ)，摸清用電能耗高、結(jié)構(gòu)不合理的原因，研究制定減少電費支出，降低PUE值、冶理功率因數(shù)等管理方案，即通過采用無功反向補償管理手段，將用電功率因數(shù)穩(wěn)定到感性0.9至0.95，從而取消巨額力率罰款并獲得供電部門的用電獎勵，使供電系統(tǒng)利用率提高，大幅度減少電費支出；同時，在運行效率上，采取各種手段，對交流不間斷供電UPS系統(tǒng)和高壓直流電源系統(tǒng)效率進行全面提升；并從整體布局出發(fā)，科學優(yōu)化，合理調(diào)控各區(qū)域機房裝機位置和數(shù)量；在以上管控基礎(chǔ)上，根據(jù)不同季節(jié)，對機房空調(diào)系統(tǒng)的各項參數(shù)重新設(shè)置。通過以上精細化管理，最終形成PUE值最佳、變電站運行容量最經(jīng)濟、電費支出最低的管理模式。

2.1 運用無功反向補償控制手段，消除電費罰款

中原數(shù)據(jù)基地已建成一座110 kV中國聯(lián)通專用變電站，該變電站為2路進線，從慶豐變電站引入1路110 kV市電，從慶豐變—昭成變線路“T”接1路110 kV市電。現(xiàn)有的6號和10號IDC機房樓已由110 kV變電站各引入4路10 kV市電（2主2備）。

其中，6號樓和10號樓各配置了17套10 kV變配電系統(tǒng)，將從變電站引入的10 kV電源變壓到380 V低壓供給樓內(nèi)負荷使用。其中每個樓內(nèi)的變壓器功能分配為：1樓5臺變壓器，主要供空調(diào)系統(tǒng)和建筑照明等負荷使用，以及一部分UPS負荷提供給機房；2、3、4樓均配置4臺變壓器，2N配置，為機房UPS系統(tǒng)和空調(diào)末端機提供配電。表1示出的是6號樓2層變壓器運行數(shù)據(jù)。

表1 6號樓2層變壓器運行數(shù)據(jù)

將6號樓和10號樓的34個低壓供電段運行參數(shù)調(diào)整到最佳值，提高基地用電功率因數(shù)，把容性補償調(diào)整為感性補償，減少力率罰款。

通過對變電站數(shù)據(jù)監(jiān)測，慶通線線路上存在很大的對地電容，通過數(shù)據(jù)分析，基地原來是容性的0.99加上聯(lián)通變到慶豐變的對地電容后，收費側(cè)的功率因數(shù)降為0.57。針對以上情況，將6號樓二配的全部負荷由原來的慶昭通支線切換到慶通線，配合更改6號樓二配的一號市電進線和二號市電進線的備自投裝置接線，由原來一號市電優(yōu)先改為二號市電優(yōu)先。6號樓一期擴容的14套低壓段SVG設(shè)備和一期20個低壓段的APF設(shè)備采用與傳統(tǒng)功率因數(shù)補償方法完全不同的無功反向補償方法，通過變壓器穿透對上一級供電段功率因數(shù)進行反向補償。具體為將6號樓負載率偏低的41、42、43、44號變壓器的功率因數(shù)由原來的感性0.99過補償至感性0.12，其他變壓器根據(jù)負荷情況，都適當過補償，通過以上補償，聯(lián)通變慶通線由原來的容性0.99變?yōu)楦行?.85，對線路容性折合后，達到了0.97。同時，將6號樓二配的全部負荷由原來的慶昭通支線切換到慶通線，配合更改6號樓二配的一號市電進線和二號市電進線的備自投裝置接線，由原來一號市電優(yōu)先改為二號市電優(yōu)先。6號樓一期擴容的SVG設(shè)備可以全部投入補償。每天和變電站進行溝通，并根據(jù)負荷變化動態(tài)修正并調(diào)整SVG的參數(shù)，確?；氐墓β室驍?shù)在最佳狀態(tài)。

補償?shù)耐瑫r，將未用電池充電周期由以前的1個月延長到2個月，變電站的電容加壓由原來的1個月改為2個月，進一步提高了功率因數(shù)。

通過采用以上與傳統(tǒng)功率因數(shù)補償方法（低壓個別補償、低壓集中補償、高壓集中補償）完全不同的無功反向補償控制策略，根據(jù)供電系統(tǒng)功率因數(shù)和34臺10 kV/2 500 kVA變壓器負荷變化情況，動態(tài)修正并調(diào)整380 V低壓側(cè)SVG及APF的無功參數(shù)，通過節(jié)能型變壓器穿透對上一級供電段功率因數(shù)進行反向感性補償，明顯改善了中原數(shù)據(jù)基地供電系統(tǒng)中壓和高壓側(cè)的容性特征，確保了供用電系統(tǒng)功率因數(shù)在最佳狀態(tài)，提高了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，消除了每月高達127.95萬元的力調(diào)電費罰款。

2.2 提升UPS和高壓直流電源系統(tǒng)運行效率

在確保UPS系統(tǒng)和高壓直流電源系統(tǒng)安全運行的前提下，適度動態(tài)關(guān)閉并機冗余運行的UPS臺數(shù)和開關(guān)電源模塊數(shù)量，提高設(shè)備負荷率，降低電源系統(tǒng)能耗，從而提高UPS和開關(guān)電源利用率和效能。

2.2.1 開關(guān)電源模塊關(guān)斷

對開關(guān)電源系統(tǒng)負荷率小于或等于40%的系統(tǒng)，實施開關(guān)電源模塊關(guān)斷。應保留模塊數(shù)按以下原則確定：開關(guān)電源應保留整流模塊數(shù)按n+1冗余方式確定，即其中n只為主用。n≤10時，1只為備用；n＞10時，每10只備用1只。其n個主用整流模塊的總?cè)萘繎唇谪摵呻娏鳎▽嶋H顯示負荷×1.1）和均充電流（一般按10 h率充電電流）之和確定。

電源系統(tǒng)主用整流模塊數(shù)量n由下式計算：

式中：

I1——近期負荷電流（實際顯示負荷電流×1.1）

IBAT——蓄電池組充電電流（電池組總?cè)萘俊?.1）

IREC——單個整流模塊的容量

應關(guān)斷模塊數(shù)=現(xiàn)有模塊總數(shù)-應保留模塊數(shù)

2.2.2 UPS設(shè)備“退出”或關(guān)斷

退出方案：在網(wǎng)運行的3臺及以上的多機并聯(lián)或備份運行的UPS系統(tǒng)，當負載率較低時，關(guān)閉1臺或多臺UPS的逆變輸出，但是UPS的整流輸出還保持對蓄電池充電進行管理，使還在逆變輸出的UPS的負載率提高，從而提高系統(tǒng)的效率，達到節(jié)電的目的。

關(guān)斷方案：在網(wǎng)運行的3臺及以上的多機并聯(lián)或備份運行的UPS系統(tǒng)，當負載率較低時，關(guān)閉1臺或多臺UPS設(shè)備，使還在運行的UPS的負載率提高，從而提高系統(tǒng)的效率，達到節(jié)電的目的。

操作方法：對于3臺及以上并機工作的UPS系統(tǒng)，應保證退出或關(guān)斷后UPS系統(tǒng)仍至少有1臺備機。且關(guān)斷后剩余主機運行方式為1+1（單母線）和雙母線運行的系統(tǒng)，每臺主機的負荷率應不大于40%；關(guān)斷后剩余主機運行方式為2+1（單母線）和1+1+1（三母線）的系統(tǒng)，每臺主機的負荷率應不大于60%。

2.3 改變既定規(guī)劃模式，優(yōu)化整合區(qū)域機房裝機率

根據(jù)客戶等級和業(yè)務發(fā)展及預測，適時調(diào)整機房使用規(guī)劃方案，合理規(guī)劃機房使用，嚴格管控用戶預占機架，整合用戶服務器裝機位置。同時加強IDC業(yè)務營銷力度，并統(tǒng)籌各地（市）分公司特別是鄭州分公司的業(yè)務需求，盡快增加中原數(shù)據(jù)基地的裝機量，并盡量按機架設(shè)計負荷出租機柜。

2.4 科學合理優(yōu)化空調(diào)運行模式

中原基地的機房內(nèi)采用冷凍水中央空調(diào)制冷、制熱及除濕，高低壓變配電室及電池室采用多聯(lián)機空調(diào)，走廊和部分辦公值班區(qū)域使用雙向普通風冷空調(diào)。冬季停用中央空調(diào)的冷凍水主機組，僅運行泵、板式換熱器和末端機負荷。

2.4.1 調(diào)整循環(huán)冷凍水出水溫度

根據(jù)中原數(shù)據(jù)基地機房實際需要，在保證IDC機房環(huán)境安全的前提下，適當調(diào)高空調(diào)循環(huán)冷凍水出水溫度，并根據(jù)實際效果、裝機進度、季節(jié)變化研究最佳溫度值。即：將空調(diào)主機出水溫度逐步由原來的7℃提升至9℃，對IDC機房進行溫度檢測，發(fā)現(xiàn)在空調(diào)主機制冷負荷減小的情況下，機房溫度沒有顯著提升，末端回風溫度由原來的24℃升至25℃，待運行穩(wěn)定后，空調(diào)末端制冷量維持在40%，有足夠的安全空間，同時機房溫度維持在25℃，滿足了機房溫度要求。有效減少了冷凍站主機的工作時長，實現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。

2.4.2 合理設(shè)置空調(diào)末端機電加熱和加濕功能參數(shù)

按照季節(jié)不同設(shè)置機房濕度，夏季需要除濕，提高機房的濕度設(shè)置，冬季需要加濕就降低機房的濕度設(shè)置，適時關(guān)閉空調(diào)末端機的電加熱，空調(diào)加濕參數(shù)在潮濕季節(jié)設(shè)置到接近機房允許的上限值，干燥季節(jié)設(shè)置到接近機房允許的下限值，空調(diào)溫度參數(shù)在高溫季節(jié)設(shè)置到接近機房允許的上限值，寒冷季節(jié)設(shè)置到接近機房允許的下限值，通過以上調(diào)整，在夏季減少了冷凍水使用量（除濕需要用冷凍水來冷凝），部分空調(diào)末端制冷量由原來的100%降低至50%，風扇轉(zhuǎn)速由原來的100%降低至40%，從而使空調(diào)末端更加節(jié)能。冬季降低濕度設(shè)置可減少加濕器的投用，降低電能損耗。并在此基礎(chǔ)上根據(jù)需要和實際運行情況將空調(diào)冷凍水機組3+1設(shè)置為2+1或1+1，今后按照裝機進度、負荷變化適時調(diào)整。

2.4.3 空調(diào)末端機群控自適應

經(jīng)過機房溫濕度精確采樣，將187臺空調(diào)末端機通過聯(lián)動合理開閉最合適的需求量，從而實現(xiàn)空調(diào)節(jié)能。對機房專用空調(diào)進行“自適應控制”，是將以往的空調(diào)“手動設(shè)定”改變?yōu)橛嬎銠C“自動控制”。對機房內(nèi)的“智能空調(diào)群”實行優(yōu)化組合、精確管理、節(jié)約能源。自適應控制恒溫、恒濕節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)能自動跟蹤機房溫濕度的變化而自動控制空調(diào)合理的工作狀態(tài)，使空調(diào)做到按需工作。

2.5 實施IDC機房地板下冷通道分隔改造

由于裝機周期較長，部分機房使用面積很小，而機房整個活動地板下又是相通的，造成部分冷量送至其他沒有發(fā)熱的區(qū)域，冷量不能進行精確輸送，造成了嚴重能源浪費。為了有效地將空調(diào)冷量輸送到機柜設(shè)備區(qū)，在機房活動地板下增加了隔斷，減少非設(shè)備區(qū)漏風實現(xiàn)精確送風，避免冷量過度流失。

目前下送風機房的活動地板高度均為900 mm，地板下安裝的送風隔板通過采用模塊化設(shè)計，既方便擋風隔板拆卸移動，同時又可重復使用。對于密閉冷通道中未裝機柜及機柜內(nèi)部空檔的地方增加了擋風板，根據(jù)標準機柜內(nèi)部空檔的尺寸情況，匹配定制擋風隔板，減少了空調(diào)系統(tǒng)冷量的損失。

2.6 科學合理地核算、降低PUE值

以6號樓為優(yōu)化模版：運營中心提供的6號樓現(xiàn)有機柜功率情況如表2所示。

表2 6號樓現(xiàn)有機柜功率情況

2.6.1 電源系統(tǒng)能耗因子

a）UPS系統(tǒng)能效因子：IT設(shè)備總功耗為1 774 kW，單臺UPS負荷率約為8%。根據(jù)效率曲線，此時高頻UPS設(shè)備轉(zhuǎn)換效率約為85%，則根據(jù)設(shè)備總功耗1 774 kW，單棟IDC機房樓UPS總損耗=1 774×15/85=313 kW，UPS系統(tǒng)能效因子=313/1 774=0.18。

b）變壓器能效因子：IT設(shè)備總功耗為1 774 kW，由于變壓器為2N方式運行，不考慮電池充電情況，變壓器正常運行時的負荷率為5%。經(jīng)過調(diào)查SCB10型2 500 kVA變壓器空載損耗P0約為4 kW，額定電流下負載損耗Pk約為20 kW。變壓器能效因子=17×（4+1.05×0.052×20）/1 774=0.04。

c）線路損耗因子：根據(jù)核算，線路損耗大約為設(shè)備功耗的2%，線路損耗能效因子=0.02。

電源系統(tǒng)PUE能效因子=0.18+0.04+0.02=0.24。

2.6.2 空調(diào)系統(tǒng)能效因子

根據(jù)現(xiàn)有的負荷估算空調(diào)系統(tǒng)能效因子。

不用自由冷卻系統(tǒng)時，設(shè)備總負荷為1 774+313+20=2 107 kW（顯冷），單臺主機可提供冷量為3 867 kW（全冷），設(shè)備總負荷約占單臺主機可提供冷量的0.65（2 102×1.2/3 867=0.65）。故一套主機系統(tǒng)就可以滿足，對應1臺冷凍水泵，1臺冷卻水泵，1臺冷卻塔。

冷水主機能效比按6.0計算，此時主機耗電為455 kW。冷卻塔耗電為60 kW，冷卻水泵耗電為90 kW，冷凍水泵耗電為110 kW。

空調(diào)末端按單臺顯冷量130 kW，共計20臺，單臺耗電按9.3 kW考慮（去除加熱加濕），共計：9.3×20=186 kW。

冷凍水空調(diào)系統(tǒng)耗電為：455+60+90+110+186=901 kW。

空調(diào)能效因子為：901/1 774=0.508。

用自由冷卻系統(tǒng)時，去掉1臺主機，冷凍水系統(tǒng)耗電為：60+90+110+186=446 kW。

空調(diào)能效因子為：446/1 774=0.25。

全年按自由冷卻開啟2個月計，則空調(diào)能效因子為：（901×10+446×2）/12/1 774=0.465。

2.6.3 建筑能效因子

由于建筑占比較小，并且變化不大，建筑能效因子按照0.01計算。

2.6.4 PUE值

綜上，6號樓綜合PUE設(shè)計計算值為：

1+0.24+0.465+0.01=1.715

2.7 加強對非生產(chǎn)用電負荷管理及遺留問題整治

加強建筑用電負荷管理，如采用節(jié)能燈具，適時關(guān)閉辦公區(qū)空調(diào)、照明和配套附屬房的非生產(chǎn)用電等。

3 結(jié)束語

2017年，中原數(shù)據(jù)基地實施既定的能耗精細化管理與PUE優(yōu)化實踐工作方案，節(jié)能成效顯著，與綜合治理前相比每月節(jié)省電費穩(wěn)定在210萬元左右，每月繼續(xù)獲得供電部門用電力率獎勵2.5萬元左右，至2017年3月底，一季度已累計節(jié)省電費630余萬元。