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數據中心配電系統：監控與管理的關鍵

　更新時間：2024-11-11　點擊量：680

一、數據中心配電系統的挑戰與難點

數據中心供配電系統在低碳建設方面面臨著諸多挑戰。新能源的間歇性特征使其可控性差，易造成電網不穩定，如何確保電網安全穩定以及實現新能源就地消納成為關鍵問題。例如，據相關研究顯示，在全部配電線路故障中，雷電擊中線路設備引起的故障占 1/3，而新能源的接入可能會增加這種故障發生的概率。

人員方面，隨著行業快速發展，數據中心需要大量運維人員，但人力市場供給不足，人員技能水平參差不齊。目前的人工巡檢方式存在人力成本高、運維效率低、質量不高等問題。運維人員培訓方式較為單一，得不到系統性的實戰操作演練。

設備運維管理也存在難點。數據中心投運后很少大規模停電，無法按照電力預防性試驗規定的間隔周期進行預防性維護。對于復雜問題和隱患，僅憑運維人員肉眼或簡單檢測工具很難直接判斷。例如，在數據中心供配電系統中，一些稍微復雜的問題可能需要專業的檢測設備和技術人員才能發現和解決。

二、數據中心配電系統規劃

數據中心一般是對外開放的商業性計算資源，規劃時應保證其高可靠性和高安全性。對于 A 級數據中心，必須做到 7×24 有人值守，不允許發生單點故障，要求很高的容錯能力。為了減少成本、提高收益，機房規劃應考慮經濟性和可維護性原則，盡量減少初始投資和后期運維費用。大型數據機房由于工程浩大，因此需要滿足一定的靈活性和可擴展性，為數據中心的分期建設和分期投運提供保障。大型數據中心不允許出現設備斷電事故，因此應急電源配置要合理，通常采用雙路市電 + UPS + 柴油發電機的多層次應急供電方案。例如，根據相關數據，在我國目前的數據中心建設情況中，供電等級以 35kV/10kV/6kV/3kV 幾種類型為主，其中 10kV 的應用較為廣泛。高壓配電系統必須具備高可靠性，采用雙路電源并聯進線，同時接入 UPS 和柴油發電機等多種應急供電系統。變壓器必須采用容錯配置，采用雙路市電進線，必要時采用雙備份設計。

三、數據中心配電系統監控方案

（一）列頭柜及監測產品介紹

列頭柜是數據中心機房中為成行排列或按功能區劃分的機柜提供網絡布線傳輸服務或配電管理的設備，一般位于一列機柜的端頭。通常在最前端的叫列頭柜，最末端的叫列尾柜，主要功能是對這一列機柜的交流或者直流負載提供電源，起到配電，監控，測量、保護、告警等功能。列頭柜類似于柜式的配電箱，里邊集中了很多斷路器。機房配電回路一般是雙路市電接入，首先進市電配電箱，一部分給 UPS，一部分給空調和照明、普通插座，UPS 下端再進 UPS 配電柜，分配到各個列頭柜，經列頭柜后接入各機柜 PDU 再到負載。

（二）小母線配電系統及監控案例

智能小母線系統是數據中心末端母線供配電系統的俗稱。相對于傳統的列頭柜配電模式，智能小母線系統具有高度的靈活性、投入快施工周期短、安全性高使用壽命長、增加機房的利用率和收益等優勢。

小母線部署簡易快捷，僅需將母線槽安裝到所有的預期機柜上方，即可完成部署，可以依據用戶的進駐實現即需即安裝的安裝安排。部署母線系統只需 10 - 15 天就可以完成一個機房的交付，相比列頭柜加線纜模式可以節省 1/2 - 2/3 的時間。小母線主要結構為 “鋁合金外殼 + B 級及以上絕緣護套 + 銅母排"，使得整個輸電干線的電氣穩定性更強，整條母線系統的散熱性良好，有效防止因熱量堆積造成的短路隱患，較大程度提高了使用壽命。母線使用壽命在 30 年左右，而電纜使用壽命一般在 10 - 15 年。采用母線方式后原列頭柜的位置可增加配置 1 個 IT 機柜。可增加 5% - 10% 左右的 IT 機柜數量。按一個機房 1000 個機柜為例，如需要 50 個列頭柜，采用母線后機房 IT 機柜可達 1050 個，每個機柜租賃利潤 2 萬 / 年計算，可增加年利潤 100 萬。

四、數據中心配電系統解決方案

4.1 方案組成

安科瑞電氣緊跟數據中心發展形式，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、電氣接點測溫、智能照明控制、電能質量監測及治理、蓄電池在線監測、列頭柜監控、智能母線監控以及消防監控等多種子系統功能，能夠幫助用戶實時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。

4.2 功能介紹

1）系統主頁

展示當前數據中心總能耗，動力能耗，空調能耗，及其他能耗并且計算出當前數據中心實時PUE值，通過儀表盤形式直觀展示。

2）變電站綜自

對數據中心變電站實時監控，并在一次圖顯示配電系統當前遙測、遙信數據和狀態。

在變配電過程中的各場景，安科瑞可以提供各類硬件產品。如AM系列微機保護裝置、APView電能質量在線監測裝置、APF&SVG電能質量治理裝置、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品。

3）電力監控

電力監控云平臺針對供配電系統的特點，對35KV及以下供配電實施一體化的實時監控，對電網的安全運行提供現代化手段，可實現無人值守。

4）電能質量監測

電能質量在線監測，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事件記錄、ITIC容忍曲線等。

5）分布式光伏

對逆變器運行和電站進行監測，對電站發電進行統計和分析。

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，同時監測UPS溫度、蓄電池電壓、當前負載下的剩余時間等數據。

7）蓄電池監測

展示單體電池電壓、內阻和溫度，預測電池帶載時剩余時間，每節電池數據均可以設置異常報警，及時發現蓄電池異常。

8）列頭柜監測

系統可以展示精密配電柜內進線和饋線回路電氣參數，包括電流電壓功率電能以及開關狀態，并可以對數據進行報警設置和分級，數據取自精密配電柜測量模塊。

9）母線槽監測

系統可以展示智能小母線的始端箱和插接箱電氣參數，包括電流電壓、開關狀態、插接點溫度，并對數據進行報警設置和分級。

10）能源分布

通過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，點擊平面圖上設備可以進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圖、餅圖進行展示。對數據中心用電數據進行同比、環比分析比較，查看用電趨勢。

12）環境監測

監測數據中心溫濕度、開關門、水浸、煙霧、噪聲、氣體濃度狀態等參數。曲線圖直觀明了，同時支持歷史數據查詢。

13）空調監測

系統可監測精密空調的回風溫濕度，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

用戶可通過控制面板、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現靈活多樣的智能化控制。

15）電氣安全

電氣接點溫度實時監測，斷路器觸頭、觸臂、母排和線纜連接等位置安裝無線測溫傳感器監測接點溫度，便于提前發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。實現火災預防、火情報警和聯動控制等功能。

17）故障報警

報警事件分為四級，通過列表顯示各類報警事件數量，通過柱狀圖顯示逐日報警數量，提供報警總數以及增長趨勢。

4.3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，需要經過用戶變電站、中高壓配電室、柴發室、低壓配電室、電池室等場景、最后能源流向數據機房給IT設備進行供電。

數據中心系統組網圖

整個供配電場景中可以用到安科瑞的相關產品如下：

裝置圖片	裝置名稱	裝置型號	裝置功能
	數據終端融合	ABOX	壁掛式，數據采集箱
	邊緣計算網關	ANet系列	電力抄表，數據轉發，斷點續傳，邊緣計算和命令透傳，下行2路RS485通訊，上行網口/4G。
	綜合保護裝置	AM系列	三段式過流保護(帶方向、低壓閉鎖)、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環保護、斷路器失靈保護。
	智能操控裝置	ASD系列	液晶屏顯示一次回路動態模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫濕度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕、預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4~20mA輸出。
	弧光保護裝置	ARB5-M	主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，弧光保護(8組)失靈保護(4組)、TA斷線監測(4組)、非電量保護、裝置故障告警。
	電能質量分析裝置	APView500	相電壓電流+零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及申能、事件告警及故院錄波，諧波(電樂/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子)、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看等
	多功能儀表	APM系列	全電量測量，四象限電能，復費率電能，儀表內部溫度測量，總有功、總無功、總視在電能脈沖輸出、秒脈沖等可選。三相電流、有功功率、無功功率、視在功率實時需量及最大需量(包含時間戳)。電流、線電壓、相電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率、電流總諧波、電壓總諧波的本月極值和上月極值(包含時間戳)。電流、線電壓、相電壓不平衡度，電壓相間角度、電流相間角度，電壓電流總(奇、偶)諧波含量，電壓電流分次諧波(2-63次)含量電壓波峰系數，電話波形因子，電流K系數，矢量圖，電壓、電流波形，基波電壓、電流等。
	無線測溫	ARTM-Pn	可監測電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、電能，可接收60個 ATE100/ATE100M/ATE200/ATE400無線溫度傳感器溫度。通訊方式:RS485接口，Modbus協議。
	電能質量治理	APF&SVG	通過有源無功補償（SVG）緩解電壓波動和閃變；通過儲能裝置緩解頻率；通過有源濾波APF對負荷側設備進行諧波治理，避免負荷側諧波與并網諧波之間產生疊加或某頻段的震蕩。
	智能照明控制	ASL系列	控制火線，每回路額定電流16A，磁保持，延時控制，電流檢測，定時控制。
	電氣火災監控主機	Acrel-6000/B	接收電氣火災監控探測器信號，實現對保護電氣線路的報警監視控制與管理，監控容量≤256點；通訊方式；RS485接口；2G；4G；網口。
	消防設備電源監控主機	AFPM100/B1	接收消防電源監控模塊采集的電壓、電流信號，判斷電源設備的故障信息。實現對被保護消防設備電源的監視的報警監視控制與管理通訊方式；RS485接口；2G；4G；網口。
	防火門監控主機	AFRD100/B	實時接收監測并顯示各路防火門裝置的工作狀態信息；通訊方式；RS485接口；2G；4G；網口。
	應急照明和疏散指示主機	A-C-A100	控制器通過總線網絡實時監控各個終端，在險情發生時，自動將信息指令發布到每個終端，終端收到指令開始自動工作，實時指示最佳疏散線路；通訊方式；RS485接口；2G；4G；網口。
	網絡電力儀表	ACR系列	三相所有電力參數、最大需量記錄(ACR320EFL) 分時電能統計及12月電能統計、日期時間顯示、LCD顯示、RS485通訊，事件記錄。通訊方式:RS485，Prifibus-DP、以太網。
	多功能電能表	AEM96 AEM72	三相電力參數測量、電壓和電流的相角、四象限電能計量、復費率、最大需量、歷史電能統計、開關量事件記錄、歷史極值記錄、31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量(電壓、電流、功率)、開關量、報警輸出。通訊方式:RS485接口，支持Modbus-RTU協議。
	蓄電池監測模塊	ABAT-S系列	監測電池電壓、內阻與負極溫度。
	精密配電監控模塊	AMC16Z系列	檢測進出線的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、有功電能、無功電能、諧波。
	精密配電監控模塊	AMC100系列	檢測進出線的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、有功電能、無功電能、諧波。
	智能母線監控模塊	AMB100系列	始端箱和插接箱全電量測量、諧波測量、漏電流、溫度、濕度、最大需量、中性線電流、開關量輸入、開關量輸出，RS485通訊。
	母線槽測溫模塊	AMB300系列	紅外測溫，測量母線槽單個連接器處的整體母排溫度情況，NTC外殼測溫，連接器處的濕度，二總線通訊。