绿色数据中心架构各子系统.doc

绿色数据中心架构概述 绿色数据中心(Green Data Center)是指数据机房中的IT系统、机械、照明和电气等能取得最大化的能源效率和最小化的环境影响。 绿色数据中心是数据中心发展的必然。总的来说，我们可以从建筑节能、运营管理、能源效率等方面来衡量一个数据中心是否为“绿色”。绿色数据中心的“绿色”具体体现在整体的设计规划以及机房空调、UPS、服务器等IT设备、管理软件应用上，要具备节能环保、高可靠可用性和合理性。 机房建设是一个系统工程，计算机技术的迅猛发展，促进了机房工程建设，对机房的安全性、可用性、灵活性、机架化、节能性等方面提出了更高的要求，绿色数据中心的架设，综合体现在节能环保、高可靠可用性和合理性三个方面。 节能环保体现在环保材料的选择、节能设备的应用、IT运维系统的优化以及避免数据中心过度的规划。如UPS效率的提高能有效降低对电力的需求，达到节能的目的。机房的密封、绝热、配风、气流组织这些方面如果设计合理将会降低空调的使用成本。进一步考虑系统的可用性、可扩展性，各系统的均衡性，结构体系的标准化，以及智能人性化管理，能降低整个数据中心的成本（TCO）。 在计算机机房工程中，包含的工程可以归纳为：土建工程、电气工程、空调工程、消防工程和弱电工程，示意图如下： 数据中心规划设计节能措施 要做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量，选择合适的地点进行机房建设是机房基础建设的基本条件。作为未来机房的地点，须符合以下几项条件：机房最好建在大楼的二、三层。机房尽量避免设在建筑物用水楼层的下方机房选在建筑物的背阴面，以减少太阳光的辐射所产生的热量排烟口设在机房的上方，排废气口设在机房的下方主机房区域的主体结构应采用大开间大跨度的拄网 包括电力系统节能分析、动力环境系统节能控制、IT设备的智能控制、IT设备新型的节能技术的应用、智能管理软件的应用等。 1、增加虚拟服务器的使用，便硬件在不增加能耗的情况下处理更多的工作量。 2、在服务器不使用时将其自动转换为节能状态。 3、只在设备需要时才开启制冷。 4、利用液体冷却装置吸收的热量发电并储存起来以备后用。 5、利用热工学和3D建模来优化数据中心制冷气流。 6、电力系统的合理分配。 7、高可靠性新型技术的利用。 6种节能方案及效果服务器节能 目前，服务器厂商面临的问题是如何不断的提高服务器计算能力而减少服务器的能耗。服务器厂商和芯片巨头们也开始进行大量的研究并开始执行一些新的技术以降低服务器的能耗，主要有3个万向:冷却技术、芯片节能技术、软件调度和管理技术。CPU节能技术 CPU由大量的晶体管组成，晶体管的工作需要消耗功率;同一个芯片上，对于同样的操作，有功耗和发热是正常的。例如，i386DX-20M的最大功耗在1.3W左右，奔腾-133是1lW左右，奔腾III-1.33G就需要33.9W左右，而奔腾4-1.3G则需要68.8W，更高频率的处理器最大功率甚至超过百瓦。功耗和发热影响到CPU性能的进一步提升，更多的创新型节能技术也由此应运而生。 综上所诉节能的理念和方法很多，只要我们在设计时考虑合理化，追求科学节能理念，建立和谐的数据机房，相信会给你带来不少的绿色惊喜！ 基础设施 机房环境的要求 机房工程是智能建筑的一部分，也是建筑安装工程的一个分支。因此既有建筑安装工程的一般性，也有其特性；即执行建筑行业相关标准、规范，也有本行业独有的标准、规范。机房工程是一门综合性很强的科学技术和系统工程，涵盖了电气系统、空调及送排风系统、安防系统、机房综合监控系统、综合布线系统、KVM切换系统、消防系统等。它是一个复杂的电子环境空间，需要有专业技术资质、专业设计、专业施工、专业检测的机房工程公司完成。 现代IT设备中的元器件及集成电路极易受到温湿度、尘埃、有害气体、电磁、雷电等的干扰，为使其可靠运行，机房必须具备一定的环境条件，根据电子信息系统机房设计规范（GB 50174-2008）的规定，机房环境应达到以下要求： 环境要求技术要求备注A级B级C级主机房温度（开机时）2311828C不得结露主机房相对湿度（开机时）40% 55%3575%主机房温度要求（停机时）535主机房相对湿度要求（停机时）40% 70%20% 80%主机房和辅助区温度变化率（开、停机时）5/h10/h辅助区温度、相对湿度（开机时）18 28、35 75辅助区温度、相对湿度（停机时）5 35、20 80不间断电源系统电池室温度15 25机房基础装修内容 吊顶吊顶是装饰工程的重要组成部分，吊顶材料应该不起尘、不吸尘，具有一定的吸音、防火、防水、防腐等性能，方便拆装、自重轻，有一定的强度，并具良好的装饰效果。 抗静电地板的铺设抗静电地面是机房重要的防护措施，在一些设备配置少的辅助机房或上走线的电信机房，可采用抗静电塑料地面导静电，而对于功能齐全的电子机房来说，选择铺设抗静电地板无疑是一种防护手段。 墙面及隔断装修机房区隔墙耐火极限应满足防火规范的要求，除钢瓶间外，隔墙一般宜自重轻，有一定的可变性。墙、柱面应不起尘、防火、防水、易清洁、防静电、美观。技术处理上，机房应该作好保温隔热、防尘、防潮、防静电、防水、防鼠虫措施，封堵机房与其他区域、其他楼层相通的孔洞，在使用或施工过程中新开的孔洞及时进行封堵，所有进机房的管、槽之间的空隙均采取密封措施。机房承重加固与布局 机房内设备密度较大，对建筑楼板承重有特殊要求，在机房选址和设计时应该核实机房位置的建筑承重；对于个别机房需考虑做楼板的承重加固，特别是UPS及电池、精密空调等大型设备，重量较大，应安装设备承重散力支架；机房布局时要重点考虑大型设备的承重，尽量把重型设备放置在机房的承重梁上。 根据机房建设相关标准电子信息系统机房设计规范（GB 50174-2008）机房建筑与结构应达到以下要求： 环境要求技术要求备注A级B级C级主机房活荷载标准值（kN/m2）810组合值系数c=0.9频遇值系数f=0.9准永久值系数q=0.8 根据机柜的摆放密度确定荷载值主机房吊挂荷载（kN/m2）1.2UPS系统室活荷载标准值（kN/m2）810电池室活荷载标准值（kN/m2）16蓄电池组双列4层摆放监控中心活荷载标准值（kN/m2）6钢瓶间活荷载标准值（kN/m2）8电磁屏蔽室活荷载标准值（kN/m2）810基础设施节能措施材料的选择绝热性好灯管选择节能灯管。最好是在无人工作的情况下为关闭状态为好。地板采用下送风的机房，如采用地板下布线模式的，其地板下高度应在50-80cm，地板下低于40cm的。最好将电源及综合布线布在机柜上方，实行上走线模式。其他保持机房的密闭性，窗户要考虑做遮阳防护。 机房空调与机房空调节能措施机房对机房空调的要求 机房是数据处理中心，安装有大量的计算机、磁带机、磁介质、交换机、路由器等对环境温湿度、洁净度要求较高的精密设备，对机房环境有严格的要求，其中最重要的是机房温度、湿度和洁净度三个指标。 机房专用空调(精密空调)是为计算机机房(包括程控交换机房)专门设计的特殊空调机，精密空调系统的设计是为了进行精确的温度和湿度控制，精密空调系统具有高可靠性，保证系统终年连续运行，并且具有可维修性、组装灵活性和冗余性，可以保证数据机房四季空调正常运行。 计算机机房专用空调在设计上与传统的舒适性空调有着很大区别，二者为不同的目的而设计，无法互换使用。计算机机房内必须使用机房专用空调。 机房专用空调设备类型 机房专用空调设备制冷系统形式很多，可以根据工程项目的特点，选用不同的制冷系统。机房专用空调机组制冷系统主要冷却形式有风冷式、水冷或乙二醇水冷式、冷冻水式、双冷源系统等。 能效评估PUE值可以从1.0到无限大，国际较先进的机房通常在1.5-2.0。 机房空调节能措施1.机房专用空调设备选型在对自控新风冷气机设备进行选型过程中，机房的热负荷和换气次数是最为重要的参数依据，因为这两项参数决定了机房的温湿度能否得到恒定以及机房的洁净度能否得到满足。所以我们在机房专用空调设备选型时先选定这两项数据，然后再对选定的新风设备型号进行其它次要数据项的验证。根据机房热负荷及换气次数的计算，可以对机房专用空调设备的设备型号进行选定。 2.空调系统设计一般空调系统设计时，系依“最大负荷再加上20-50%预留负载量”而设计；实际运行时，空调系统均并未达满负载状态，系统存有甚大的冗余；因此空调系统需要：将不必要的冗余空调负载减供；将无效使用的进行无效能减供；有效使用大自然新风供冷的制冷能力。 3.机房空调的和谐制冷设置(13种手段) （1）提高制冷系统温度设置值。 为了最大限度的提高容量和优化效率，设置点不应低于维持设备进气温度所需的数值。 （程控机房的温度要求保持在15-25以内，程控交换机房的温度设定为20，精度为1。在设备对环境的要求范围相对宽松的情况下，没有根据环境温度及设备特点作出相应的调整，室内温度一年四季保持恒温恒湿状态。这不仅是对电量的浪费，也是对技术优势的浪费。） （2）适当设定回风温度值。 节能理论依据是，当程控机房需要降温时，空调工作在制冷状态，此时若将回风温度值设高些（在满足机房温度要求的条件下），会使压缩机运行时间缩短起到节能作用。同理，当程控机房需要升温时，空调工作在加热状态，此时若将回风温度值设低些，会使加热器运行时间缩短起到节能作用。 （3）改变空调724小时不间断运行方式为间断性的运行方式； （4）通过现有机房新风换气系统充分利用室外温度来调节室内温度(冬季)； （5）加强机房密封性能，夏季合理利用机房窗帘调温（经验数据显示通常窗帘可以有10左右的调温能力）； （6）在加/除湿耗能较大的机房可以考虑增加专用加/除湿设备； 根据设备规格：一般每80平方米空间配置一台加湿机和除湿机，技术规格为加湿机5-9公斤/小时、除湿机3-5公斤/小时。在机房相对湿度低于20%时开启加湿机，相对湿度高于80%时开启除湿机。 如果机房使用单独加湿器，切勿使机房湿度值高于需求，这会导致多个制冷设备相抵触运行:如果两个制冷系统回流气体温度不一致，或两个设备的湿度传感器校准不一致，或两个设备设定的湿度值不同。制冷系统抵触运行将导致一台制冷设备会降低空气湿度，另外一个则会增加空气湿度。这一运行模式极其浪费资源，而且机房管理员也不容易发现。 制冷系统湿度抵触运行问题可通过以下方式解决: a)使用中央湿度控制；b)协调制冷设备之间的湿度值；c)关闭制冷系统中一个或多个加湿器；d)使用浮动数值设定。 确认系统设定值是否相同，校准是否相同，并且扩大浮动数值设定范围。一般情况下，将浮动数值范围设定为士5%，便可以纠正这一问题。 （7）机房空调联机控制； a.采取空调联机控制运行的理论依据 对于某机房区域配置两台或多台空调设备并且各自独立运行时，由于多台空调系统之间存在个体差异会带来巨大的内部损耗，现象是部分空调处于加热状态，而部分空调则处于降温状态；或者是部分空调处于加湿状态，而部分空调则处于除湿状态，其主要原因如下： 空调内部温湿度传感器一致性差异或部分传感器损害； 空调设备温湿度设置的差异或异常； 空调回风路由的不同或整个机房温湿度部分差异； 往往上述原因所带来的空调内部损耗不易察觉或无法察觉，这样所带来的电能损失是相当巨大的。以某机房所作的统计分析，从11月至2月的机房电费支出中每月近三分之一的电费是由于多台空调处于独立工作而内耗掉了。 b.空调内部损耗分析 假设空调对室内温度检测正常，而空调检测有1的偏差，两台空调设置温度为20，稳定状态范围在18-22，当温湿度传感器探头检测到室温高于22时，压缩机将起动降温，低于18时，加热机构则起动升温。 a) 0-t1段：空调和空调处于稳定状态，空调检测的室温为20，空调由于偏差1检测值在21，此时两空调既不加湿，也不降温。 b) t1-t2段：由于机房温度的升高（或是外界环境变化，或是通信设备运行造成的升温）。空调和空调检测温度均在升高。 c) t2-t3段：由于空调的传感器检测的温度已超过22（其实有1的偏差）。故空调压缩机起动，开始降温。空调也随之温度下降。 d)t3-t4段：随着空调的不断降温（此时已经存在传感器偏差引起的不必要的降温了），在空调达到20时并没有停止降温，因为空调内部设置有延时功能，仍要持续一段时间来降温，在t3时刻，空调的检测温度已低于18的临界值，故空调开始升温，此时间段是空调升温，空调降温，处于相互作用冲抵阶段，此时便产生严重且不必要的内部损耗。 c.联机控制方案 a)选取机房中某一台空调作为主控空调（空调1），其他空调依次与其控制器连接； b)通过主控空调来设置联机信息，包括联机数量、各台空调设置温湿度以及可设置空调轮流启停时间； c)通过主控空调的传感器信息来控制机房所有空调，实现一致性的升降温和加除湿状态； d)通过主控空调控制多个空调轮流工作保障了各台空调定期运行，同时避免了由于自身传感器误差带来的部分空调持续工作，部分空调从不工作的弊端。（8）采用计算机自动控制技术，随时根据外界因素的变化，通过对空调运行状态的判断，自动调节室内温/湿度值，使压缩机或加热工作时间减少，达到节能目的。 （9）采用水冷作为冷媒的空调或采用制冷背板； 液冷系统的制冷原理是，把冷水送达到液体冷却柜。先用柜内风机将热风从服务器后部抽到液体冷却柜中，用内部水管制冷热风，然后将冷风吹到服务器前部，而热水再回流到室外的循环制冷设备，通过这一过程不断循环达到制冷效果。 形象地理解，液冷设备与精密空调的区别，就像冰箱制冷与冷库制冷的区别。对机房来说，液冷系统将每个机柜包装成为一个“冰箱”，而精密空调则把整个机房制冷为一个“冷库”，其能耗的差别不言而喻。使用液冷系统节能的效果不仅仅在于制冷方面。“液冷系统有一个与众不同的系统，叫Freecooling(自然冷却系统)。液冷系统的进水口温度需要低于15摄氏度，而当环境温度低于15摄氏度，就可以不需要通过循环制冷设备来制冷液体，仅仅用自然冷量制冷即可。 以上海为例，每年至少有三个月的环境温度低于15摄氏度，也就是说每年有约四分之一的时间可以“天然制冷”，总体而言，相对于传统制冷设备节能30%。 （10）针对设备比较少的机房，通过人为的控制，增加巡视次数，根据现场实际情况，灵活掌握开机数量以及开机时间； （11）对机房加以改造，增加机房通风换气能力； （12）适当增加机房内设备隔断，提高机房空调利用率； （13）整改机房空调送风风道，使温度条件要求高的设备充分得到空调送风，以此提高空调使用效率；机房运行环境温湿度要求参考表：从上表中可以得知： 机房专用空调和办公室空调用电量占机房总用电量的70%左右，有效的降低空调的耗电量是降低运维成本的关键；除去设备用电（18%）外，机房照明在总的用电比例（10%）也是相当可观的，所以又必要再强调空调节电的同时注重机房照明的合理使用。 机房运行环境温湿度要求参考表：下表列举了全国各城区季度平均温度情况，通过了解这些信息帮助我们实时的对机房所需温度进行调整；各专业主要设备温度条件要求（) 上表中所列举温度是该设备正常工作所需要的环境温度条件；从表中可以得知，除蓄电池需要严格的温度范围（20-25）外，其他设备工作温度可以在15-30之间； 从地区温度与设备工作温度范围比较可以得知： a) 除去设备本身发热，外界环境一年中大多数时间基本可以满足设备工作环境要求（15-30）； b)由于设备本身发热和设备工作设计温度在常温（25），通讯机房均装备专用空调设备来保障机房温度稳定在常温下； c)在春季和秋季室外温度接近设备工作设计温度，此时可以考虑加强机房通风来保障机房稳定的工作环境要求； d)夏季和冬季是室外温度和设备常温差距最大的时期，空调耗能最大，有效的控制这两个季节空调的使用效率将是降低机房电费成本的关键。各地季节性湿度变化情况下表列举了全国各区域季度平均湿度情况，通过了解这些信息帮助我们实时的对机房所需湿度进行调整； 各专业主要设备湿度条件要求（%）表中所列举湿度是该设备正常工作所需要的环境湿度条件： 从表中可以得知，除了交换机（40-65%）和蓄电池设备（40-60%）需要较高湿度要求外，其他主要设备工作湿度满足的要求可以在20-80%之间。 从图中可以得知： a) 外界环境一年中绝大多数时间可以满足主要通信设备工作环境湿度要求（20-80）； b) 夏季和冬季中可能出现需要空调处于加湿和除湿的情形，如果通过空调自身的加除湿功能来调节机房湿度可能会增加很大的功率损耗，并且部分机房精密空调不具备太大的调节湿度范围，此时可以考虑解除机房专用空调的加除湿功能，替代为机房增加专用加除湿设备来保障机房适当的湿度需要； 冷气流组织 气流组织就是将空调机送出的冷风通过预定的风道、风口，按预定的风量与风速送往需要制冷的地点，在把设备产生的热空气回收到空调制冷的过程。气流组织分为三个部分，即：冷气产生、冷气配送、气流返回。机房内计算机设备及机架应采用“冷热通道”的安装方式。“冷热通道”的设备布置方式，打破常规，将机柜采用“背靠背、面对面”摆放，这样在两排机柜的正面面对通道中间布置冷风出口，形成一个冷空气区-“冷通道”，冷空气流经设备后形成的热空气，排放到两排机柜背面中的“热通道”中，通过热通道上方不知的回风口回到空调系统，是整个机房气流、能量流流动通畅，提高了机房精密空调的利用率，进一步提高制冷效果。如下图所示：气流组织形式 通常机房制冷的气流组织形式有混合制冷方式、垂直送风制冷方式和水平送风制冷方式三种。 混合制冷方式 混合制冷方式是传统机房常用的方式(俗称冰柜式制冷方式)，传统的机房空调很少考虑机柜内部的温度，它仅仅能保证机房内温度符合要求。传统混合制冷方式布局以整个房间作为冷却对象，造成冷、热气流混流运行，即前面的机柜排出的热风很容易进入后排机柜的进风口，由于冷、热风气流混合，从而造成精密空调制冷及机柜热交换效率降低。垂直送风制冷方式垂直送风方式一般指下送（上送）风上回（侧回）风方式，一般是通过送风管道或地板静压箱开口方式送风，垂直送风方式空调的可减少冷热气流混流，大大提高空调效率，降低工程造价，这种方式是机房经济实用的送风方式。 水平送风制冷方式水平送风方式一般指靠近机柜，沿机柜面均匀水平送出冷风，把冷气均匀地送入机柜内，采用这种送风形式可大大缩短热交换距离，提高空调效率，这是机柜较理想的送风方式。气流组织节能措施1.空调气流循环问题：机房空调本身的设计是送风量大，机房换气次数高（通常在3060次小时），整个机房内能形成整体的气流循环，使机房内的所有设备均能得到冷却。但是某些机房的设计抹杀了这项功能，比如：机房的空调被搁置在另外一个房间，靠隔断上方的回风口，来回风或者靠天花板的微孔来回风致使空调的气流组织受阻，而制冷效果很差，并且报警次数很多，还有静电地板的高度很低，有些地方甚至低于25CM厘米并且下方有很多的线槽和线缆，空调的冷风无法送达到相应的位置；有些地方的静电地板的开口数量及开口的位置不对，造成空调的气流组织不合理。上送风系统，风管的设计一定要合理，风口的数量及大小要合理，否则会影响制冷效果。 节能措施： a.如果空调是下送风上回风、下走线：地板的高度应在50-80cm。 b. 如果空调是下送风上回风，地板下低于40cm的，将电源及综合布线系统的放在机柜上层，实行上走线模式。 c. 如果地板无法达到标准的高度应采用强制向上排风的装置，以达到气流的正常流通和循环。 d.采用监控系统控制气流的循环，通过机柜内的温湿度的监控来控制风阀送风口的大小开合。 2.机柜的气流组织机柜即机房，这是未来机房的发展趋势，IT微环境的变化直接关系到整个机房的安全。机柜的摆放的合理性和机柜本身的微循环的问题是目前存在的两大问题。 机柜空间的合理布局对于确保机柜拥有适当温度和足够的冷空气同样非常重要。合理的机柜布局目标是控制空气循环，即避免冷空气在到达设备进气口前与热空气混合。通过将机柜按行排列，冷热通道的技术，可以大幅降低短路循环现象，同时按照背靠背的方式布局。根据有关调查显示，大约25%的机房将每排机柜面向统一的方向。将机柜置于统一方向可能导致严重的短路循环问题，一般会出现“热点”，同时系统运行成本也将大幅提高。对于机柜朝向统一方向、且没有采用冷热通道技术的环境。调查显示大多数用户均是按照管理层指示放置的，目的是保持机房的美观。如果没有能够使用冷热通道技术，那么解决这一环境中热点问题的一个有效方法是为受影响的机柜提供一个额外的制冷设备才可以解决。 节能措施（1）机柜布局： 机柜按行排列，采用冷热通道的技术，背靠背布局 （2）安装盲板： 尽管机柜通常被认为只是一种机械支架，但它对于防止设备排除的热空气重新进入设备进气口至关重要。 如图显示了机柜在安装盲板前热空气在出风口受到轻微增压后，再加上设备进气口的吸力，导致了热空气重新吸入设备进气口的情况，即短路循环。在安装盲饭后，热空气从设备排出，机柜及其盲板提供了屏障功能，截断了热空气短路循环的路径，进而降低了热空气进入进气口的可能。 尽管主要的IT设备制造商均强烈建议使用盲板，但实际上90%或更高比例的机房都忽略了这一点。热空气再循环问题可能导致IT设备的温度上升8。安装盲板是一个极其简单的过程，可以用非常低的成本应用于几乎所有的数据中心。 （3）使用标准宽度机柜（使用超宽机柜将可能使得热空气通过设备侧面进行短路循环） （4）使用深度扩展的机柜。 （5）使用螺丝固定IT设备（使用托盘安装IT设备会造成相关位置盲板的无法安装，从而为热空气的短路循环提供了完全开放的条件，应尽量的避免。） （6）使用带有风扇系统的机柜，可将底层空气输向机柜前端或从机柜后端主动排除热空气。 （7）合理的负载分布 不合理的设备安装位置，特别是高功率高密度设备的安装位置，可能明显的增加机房的工作压力。当高负载密度、高功率服务器被组合成一个或多个机柜时，便会出现高负载密度设备群。这种情况可能导致数据机房出现热点，并要求操作员采取相应措施，如降低空气温度设置点等。 供配电系统概 述 智能建筑中的机房用电，如计算机机房、数据中心、网络机房、消防和安防控制室、电梯机房等用电，都属于一级符合，要有确切的保障措施。有些数据传输系统是不允许断电的，需UPS电源支持，否则，若发生断电事故，会造成中达经济损失或数据丢失。因此，电源保障和供电可靠性在智能建筑的机房建设中显得格外重要。 机房常用的供电方式 直接供电隔离供电交流稳压器供电发电机组供电不间断电源（UPS）供电电源布置和系统设置 设计和施工必须充分了解并掌握供电对象。充分搜集机房设备和系统的资料才能做好电源布置和系统设计，从而合理地满足机房用电需要。总进线柜系统框架图如下：机房配电还应考虑系统的扩展、升级等可能性，并应预留备用容量。单相负荷应均匀地分配在三相线路上，并使三相负荷不平衡度小于20%。 动力供配电系统(总进线柜系统图)由总配电柜馈出的动力供配电系统采用50Hz交流电，380/220V三相五线电源，TN-S接地方式，零线和地线分开设置且零地线之间电压小于1V。动力配电柜、照明配电箱采用放射式配电直接配至各用电设备，如下图所示： 机房内所有线缆需设计钢制桥架、线槽或钢管敷设。由于精密空调的供电电流大、负载动态范围款，为防止被干扰，应考虑另选路径单独敷设电缆。有条件时，大型机房最好采用专用电力变压器供电。 电力系统节能分析 1、精确计算供电功率：使用用电管理软件精确计算用电功率和智能化控制系统用电，提高电源利用率。为机房建设规划提供更精确的数据，智能控制整体用电量。 2、供配电系统节约电能的技术方法,主要是配电电压深入负荷中心、配电变压器的正确选择和经济运行、配电线路的合理选择和经济运行、电压调节和无功补偿等技术和方法的采用，具体可参看论供配电系统节能技术方法与措施。 我国现有电力系统中，35kV以上电压等级输变电系统主要担负着远距离传输电能的作用，l0kV及380/220V电压等级则是配电系统的主体，与用户关系最为密切。电能通过导线、开关、变压器等设备进行传输的过程中，会产生功率损失(有功、无功功率)，并在相应的时间内产生能量损失(有功、无功电量)。配电系统的线损率就是指在一段时间内，配电过程中损失的有功电量和该系统所获得的总电量之比。 线损电量通常包括两部分：技术线损电量和管理线损电量。技术线损电量是在传输过程中直接损失在传输设备上的电量，主要有：正比于电流平方的配电线路导线和变压器绕组中的电能损失，也称负载损失；与运行电压有关的变压器损失和电容、电缆的绝缘介质损失，电能表电压线圈损耗，互感器铁心损耗等，也称空载损失。技术线损电量可以通过采取相应的技术措施予以降低。管理线损电量则是在计量的统计管理环节上造成的，包括：各类电表的综合误差；错抄、漏抄及计算错误；设备漏电；无表用电、窃电等造成的电量损失，需要采取必要的组织措施与管理措施来避免和减少。 （1）配电系统的降损节能技术措施 a. 合理使用变压器 根据用电特点选择较为灵活的结线方式，并能随各变压器的负载率及时进行负荷调整，以确保变压器运行在最佳负载状态。变压器的三相负载力求平衡，不平衡运行不仅降低出力，而且增加损耗。要采用节能型变压器，如非晶合金变压器的空载损耗仅为S9系列的25%30%，很适合变压器年利用小时数较低的场所。 b. 重视和合理进行无功补偿 合理地选择无功补偿方式、补偿点及补偿容量，能有效地稳定系统的电压水平，避免大量的无功通过线路远距离传输而造成有功网损。对配电网的电容器无功补偿，通常采取集中、分散、就地相结合的方式；电容器自动投切的方式可按母线电压的高低、无功功率的方向、功率因数大小、负载电流的大小、昼夜时间划分进行，具体选择要根据负荷用电特征来确定并需注意下列几个问题： 高层建筑或住宅聚集区单相负载所占比例较大，应考虑分层单相无功补偿或自动分相无功补偿，以避免由一相采样信号作无功补偿时可能造成其它两相过补偿或欠补偿，这样都会增加配网损耗，达不到补偿的目的。 装设并联电容器后，系统的谐波阻抗发生了变化，对特定频率的谐波会起到放大作用，不仅对电容器寿命产生影响，而且会使系统谐波干扰更加严重。因此有较大谐波干扰而又需补偿无功的地点应考虑增加滤波装置。 c. 对低压配电线路改造，扩大导线的载流水平 按导线截面的选择原则，可以确定满足要求的最小截面导线；但从长远来看，选用最小截面导线并不经济。如果把理论最小截面导线加大一到二级，线损下降所节省的费用，足可以在较短时间内把增加的投资收回。 d. 减少接点数量，降低接触电阻 在配电系统中，导体之间的连接普遍存在，连接点数量众多，不仅成为系统中的安全薄弱环节，而且还是造成线损增加的重要因素。必须重视搭接处的施工工艺，保证导体接触紧密，并可采用降阻剂，进一小降低接触电阻。不同材料间的搭接尤其要注意。 e. 采用节能型照明电器 根据建筑布局和照明场所合理布置光源、选择照明方式、光源类型是降损节能的有效方法。如1只20W电子节能灯的光通量相当于1只100W白炽灯的光通量。推广高效节能电光源，以电子镇流器取代电感镇流器；应用电子调光器、延时开关、光控开关、声控开关、感应式开关取代跷板式开关，将大幅降低照明能耗和线损。 f. 调整用电负荷，保持均衡用电 （2）配电系统降损节能的管理措施 a. 指示管理 b. 无功管理 c. 谐波管理 d. 计量管理 e. 统计分析 配电网的降损节能工作不但可以减少用户电费支出，提高企业经济效益，挖掘配电设备供电能力，而且对国家能源利用、环境保护、资源优化配置极为有利。应当引起供、用电部门的高度重视。在采用传统降损节能措施的同时，应加大科技投入，提高用电管理的技术水平和管理水平。 具体可参看配电系统的降损节能技术措施。 UPS不间断电源概 述 UPS是不间断电源（Uninterruptible Power Supply）的英文缩写，它的功能主要有两个：一是在市电正常时改善对负载的供电质量，同时对后备电池进行充电；二是在市电异常时，通过后备电池保证向负载供电的不间断性。 UPS主要由整流器、逆变器、静态开关组成。有四种电路结构：后备式、在线式、在线互动式、在线补偿式。 UPS的使用形式 选购UPS一定要选最适合自己实际使用情况的。首先是容量的选择，UPS容量应该根据目前的负载量，再加上近期准备增加的负载量来计算。其次要选择节能的UPS。目前UPS的发展趋势是高频化和模块化，因为高频化可以提高UPS的轻载效率和半载效率，模块化可以使用户边成长边投资，节约能源同时方便扩容。 UPS电源的技术性能 UPS电源的技术性能随使用要求的不同而不同，主要技术性能包括以下几个方面。 在线式 高效数字功率器件PIGBT技术DSP技术和SMD电气集成模块 电池保护功能 灵活可靠的并联技术 通信及监控功能 高可靠性散热系统控制和诊断监控系统UPS系统配置方案 很多设计工程师都试图设计出完美无暇的UPS解决方案为关键负载提供支持，不过他们的设计方案往往不一定涉及到设计方案的可用性范围。例如，并联冗余、串联冗余、分布式冗余、热连接、热同步、多路并联总线、双系统以及故障预警系统等，这些都是设计工程师或制造商赋予不同配置方案的名称。这些名称的问题对于不同的用户，它们可能具有不同的含义，可以存在很多种解释方式。虽然目前市场上的UPS配置名目繁多且差别甚大，但最常用的不外乎5种。这5种方案包括:容量；串联冗余；并联冗余；分布式冗余；双系统。选择系统配置方案时，应当根据负载的关键程度而定。此外，还要考虑停机所带来的影响以及公司的风险承受能力，这样才能更好地找到合适的系统配置方案。 UPS供配电系统 （双总线冗余UPS供配电系统图） UPS供配电系统的供电范围是计算机设备（主机和附属设备）、通信设备、网络设备、服务器、监控设备、保安监控系统小型机/服务器、网络主交换机等重要设备。UP是输出配电回路（每个配电控制开关为一个回路）需按机房内设备要求设置，小型机/服务器、网络核心交换机及重要路由器要由独立双回路供电，其他计算机设备可用一个回路带3-4个插座，固定于地板下。UPS供配电系统的可靠性，最主要体现在采用了双电源末端互投上，如下图所示：UPS节能措施 目前UPS的节能必需从方案、UPS、电池、配电等方面全方位进行。 1、按需扩容的柔性规划一般数据中心的建设都不是一步到位,会考虑今后未来几年的扩容,在设计时UPS容量一般都考虑容量比较大些,一次就安装了几套大功率的UPS并机，初期负载量只有规划容量的10%20%，使UPS的利用率很低，造成电能的浪费。如何避免这种情况的发生，从UPS供电系统角度考虑,应该包括: （1）供电方案设计 目前UPS供电方案主要有分散供电、集中供电两种。分散供电是一台UPS为一台或多台设备供电。分散供电的好处是分散风险,不会因为一台UPS异常造成大部分设备停电;缺点是UPS分散布置,不便管理,而且布线不容易规划。另一种是采用集中供电,由一套大功率的UPS直接对数据中心的所有负载供电。集中供电的好处是便于规划、管理方便、维护方便;缺点是如果UPS系统异常,容易引起数据中心大面积停电事故,此缺点可以通过采用并联构架来避免。因此,以上两种方案各有优缺点,目前的数据中心一般都采用集中供电方案。由于UPS并机数量有限制,而且当UPS系统并机数量超过4台时,其可靠性并不比单机供电系统高多少。当机房UPS装机总容量超过一定限度时,建议将机房按几期规划分成几个区域进行供电。规划时可以参考:单机容量不宜超过400kVA,并机数量不宜超过3台。 （2）UPS在线并机扩容功能 数据中心的UPS容量的规划，可以根据不同时期的负载容量要求,采用逐步扩容的方案,使投资方案更经济，同时也能使UPS工作处于较佳的效率点。目前中、大功率段的UPS均已经具备冗余并机功能，不仅提高了系统的可靠性，同时也为机房扩容提供了条件。只要规划时在UPS前后配电箱预留足量的空气开关，并在机房规划相应空间，即可实现UPS并机扩容功能。关键是并机的过程处理，多种品牌UPS并机时需要对UPS的设置进行修正，此时要求UPS必须工作在维修旁路状态，UPS由市电直接带载，如果此时市电波动较大甚至停电，将造成系统的大面积瘫痪。所以并机扩容必须具备在线并机功能，即UPS并机扩容时，只需将新增UPS软件修改至与原UPS系统一致后，在不关闭原有UPS系统的情况下，直接将新增UPS并入原有系统即可，扩容前后，UPS均工作于在线模式下，避免切换至旁路供电的高风险操作。 （3）采用模块化UPS，实现逐步扩容 目前,模块化UPS已经开始在国内应用,模块化UPS特点主要包括:可扩容、平均故障修复时间(MTTR)短、可经济实现“N+X”冗余并机。 2、提高UPS自身能效,优化负载效率曲线目前UPS均为在线式双变换构架，在其工作时整流器、逆变器均存在功率损耗。以一个容量为400kVA的UPS为例，每度电按0.95元计算，UPS效率每提高1%，一年节省的电费为4000.80.01243650.95=26630.4元。可见提高UPS的工作效率，可以为数据中心节省一大笔电费，可见提高UPS效率是降低整个机房能耗的最直接方法。因此采购UPS，尽量采购效率更高的UPS。 当然UPS效率高不仅仅是满载时效率高,同时也必须具备一个较高的效率曲线,特别是在“1+1”并机系统时,根据系统规划,每台UPS容量不得大于50%,如果此次效率仅为90%以下,就算满载效率达到95%以上,也是没有意义的,所以要求UPS必须采取措施优化效率曲线,使UPS效率在较低负载时也能达到较高的效率。 UPS效率与输出功率关系曲线图除了提高UPS自身的效率之外，UPS上面的一些功能也可加以利用。比如像ECO经济运行模式。其原理是在较好 的市电环境时，激活此功能，使UPS由静态旁路直接供电，此时逆变器处于待机状态，正常工作，但不输出能 ，一旦市电异常，UPS立即切换到逆变器供电状态，切换时间一般在1ms以内，具体见图2所示，蓝色为输入电 波形，黄色为输出电压波形。由于此时的逆变器处于待机状态，所以自身损耗很小，此时UPS的整机效率可以达 到97%以上，比正常模式节省3%以上的功率。 ECO模式转正常供电模式波形图使用ECO模式必须具备以下条件: (1)静态旁路必须采用两组高可靠晶闸管，不得采用接触器加晶闸管的组合，因为接触器吸合时，接触点会打火，一般工作数百次之后就不能正常工作了。而晶闸管则不存在此问题，同时可以缩短切换时间。 (2)建议使用在较好的电力环境下，比如一级供电单位等。 3、降低输入电流谐波，提高功率因数谐波产生的根本原因是由于电力线路呈现一定阻抗，等效为电阻、电感和电容构成的无源网络，由于非线性负载产生的非正弦电流，造成电路中电流和电压畸变，称为谐波。谐波的危害包括:引起电气组件附加损耗和发热(如电容、变压器、电机等);电气组件温升高、效率低、加速绝缘老化、降低使用寿命;干扰设备正常工作;无功功率增加，电力设备有功容量降低(如变压器、电缆、配电设备);供电效率低;出现谐振，特别是柴油发电机发电时更严重;空开跳闸、熔丝熔断、设备无故损坏。UPS对于电网而言是一个非线性负载，在工作的时候会产生大量的谐波。以配置6脉冲整流器的UPS为例，其输入功率因数一般为0.75左右，谐波大于30%。降低UPS工作谐波的主要方法有: (1)采用12脉冲整流器。其原理是在原有6脉冲整流器基础上，在输入侧增加一个移相变压器和6脉冲整流器。采用该技术方案后，可以将谐波降低至10%左右。优点是较为简单，谐波改善明显;缺点是对功率因数改善有限，价格略高。 (2)采用无源滤波器。依据LC滤波电路原理，对UPS产生的谐波进行滤除，并对功率因数进行补偿。优点是技术简单，成本较低;缺点是只能补偿特点阶次的谐波，同时受负载阻抗影响较大，无法适用于全功率段。 (3)采用有源滤波器。原理是利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。优点是可以补偿多个阶次的谐波，且不受负载阻抗大小的影响;缺点是购置成本较高。 (4)采用高频IGBT整流及PFC功率因数校正电路设计整流器。原理是采用高频率PWM控制IGBT导通，对输入电压波形进行分割，使输入电流波形尽量接近正弦波，并对输入电压和电流相位差进行补偿。优点是体积轻，价格便宜，效果好;缺点是技术结构复杂，不易维护，受功率器件影响，目前容量大小受到限制。 4、电池管理及配电管理技术UPS都配备了电池组，用户在电池组上的投资往往占整个UPS供电系统投资的很大一部分，甚至超过UPS本身的投资，而电池的使用年限明显低于UPS设备。由于电池主要材料是重金属铅、硫酸和不易分解的塑料，都会对环境造成严重的污染。因此减少电池使用数量，延长电池循环使用寿命，不仅节省直接和间接的电池投资，而且还减少整个对环境的污染。所以UPS可以通过以下几个技术实现电池的节能。 (1)并机共用电池组功能。共用电池组原理是通过特殊的整流器控制及故障隔离技术，使并机系统中的两台或多台UPS的整流同步、母线均流，使系统中的各台UPS母线直接并联，然后将满足系统后备时间要求的电池并联后接入并联母线系统中，实现电池的共享，减少电池投资。以“1+1”为例，传统的UPS方案，系统后备一小时，考虑其中一台UPS故障时，UPS2的电池不能为UPS1使用，所以UPS1和UPS2必须各配置一套一小时的电池组，才能保障系统在断电后还能备用一小时。采用共用电池组方案后，因为UPS1故障后，系统中的电池仍能为UPS2提供能量，所以整个系统仅需配置1套1小时电池即可。不仅节省了电池直接投资，同时也节约机房在空间、承重及空调等方面的投资，也降低了对环境的污染。或配置少许电池，增配发电机组。 (2)智能电池管理技术。影响电池寿命的因素有很多，主要包括温度、充电、放电、循环次数等。如果能够对上述几个因素进行综合处理，可以大大延长电池的使用寿命，延长电池更换周期，节约电池投资。UPS的智能电池管理技术主要包括:电池均浮充管理(均浮充控制)、充电温度补偿、智能放电终止电压控制，除此之外还应具备电池定期自动检测和电池漏液检测功能。另外还可以选择输入电压范围较宽的UPS，减少电池放电次数。通过上述几种技术，可大幅度延长电池寿命23年。 (3)智能UPS配电管理技术。原理是通过侦测UPS电池电压或者管理设备供电时间，实现对机房中不同等级负载的多次下电保护功能，减少电池投资、提高电池使用率。智能UPS配电管理技术主要有两种方案:包括软件实现方式及硬件实现方式。 5、采用新型的节能的UPS电源：使用燃料电池的UPS。可参考燃料电池在UPS供电系统中的应用。 机房动力环境监控与节能措施机房动力设备监控 机房动力设备监控包括电力监控、发电机监控、UPS监控、空调、新风监控。电力监控电源系统的电压、电流、频率、视在功率、有效功率等参数；发电机监控转速、输出电压、电流、频率、油温等参数；UPS监控UPS状态、输入输出电压、电流、频率、电池电压、电池后备时间等参数；空调监控送回风温湿度、风量、压缩机状态、过滤器状态参数。 机房动力环境监控 机房环境监控包括机房各区域温湿度、漏水情况、消防监控等。 安防监控 安防监控主要是视频监控、红外防盗监控、门禁监控。 监控系统功能 动力环境集中监控系统主要实现以下三种功能：数据采集和控制；设备运行和维护；维护管理。管理功能实现以下四组管理功能：配置管理；故障管理；性能管理；安全管理。环境动力监控系统的结构组成 机房环境动力监控系统由现场传感器和检测设备、通信设备、上位机和软件组成。其中上位机和软件处于核心地位。整个系统主体上是基于PC的(PG-Based)控制结构。机房环境动力监控的特点以监视为主，采集的数据需要进行处理如报表、各种报警、打印、数据记录等。因此监控软件的核心功能之一就是采集数据。通信方式主要可归纳为三种。标准通信协议。 常用的标准协议有:ARCNET，CANBus，DevjceNet，LonWorks，Modbus，Profibus。 标准的资料交换接口。 常用的有:DDE(dynamicdataexchange)、OPC(OLEforProcesscontrol)。使用标准的资料交换接口。 绑定驱动(nativedriver)。 绑定驱动程序是针对特定硬件和目标设计的驱动。 设计需求规划 不同的机房用户，对机房内的设备数量、型号规格要求不一样，甚至使用习惯都不同，这就造成需求的千差万别，因此很难用固定不变的软件满足所有需求，二次开发是不可避免的。为成功地进行二次开发，在机房环境动力监控项目的实施过程中，特别需要和用户有良好的技术沟通。一般按照如下几个步骤进行环境动力监控的规划和实施。确定需要监控的对象 首先应该明确系统中需要监控的设备和项目。 确定监控对象的信号类型 监控对象虽然多，但信号类型只分为三类:开关量信号、模拟量信号、智能设备信号 确定监控对象的信号采集方法 信号的采集过程分为几个环节:实际信号一电信号的转换;电信号一数字信号的转换 确定智能设备的控制参数 智能设备是监控系统数据采集的难点。应保证设备有通信接口并重点了解协议中提供的参数，规划出需要的信息确定系统所要实现的功能 在每个具体项目中，需要与用户进行良好的沟通，确认最终要实现的系统功能 确定采用的通信解决方案 采用常用的现场采集模块配合RS485通信模式。模拟量和开关量用一条总线,其余的智能设备每台占用一条总线 确定软件的集成开发平台 考虑到灵活性和开放性，可以采用组态软件 节能措施 1、风阀控制 在新型的绿色数据中心，动力环境监控系统可以通过采集机柜的温湿度，自动通过风阀控制送风量的大小和调控空调的协同工作，避免空调之间的抵触工作（一个在制冷，一个在制热的状态或一个在加湿状态、一个在除湿状态），能准确的匹配电能系统，使用电效率应用到最佳状态。 2、电池容量管理 蓄电池作为系统的后备电源，其性能好坏直接影响停电支撑时间。对重要机房来说，蓄电池更是救命稻草，一旦开关电源(整流模块)、UPS电源，输出出现故障或市电停电后UPS无法正常供电，此时蓄电池性能的性能就直接关系机房的安全。 运维人员要做到心中有谱就必须了解蓄电池的后备支撑时间。一般来说了解蓄电池的后备支撑时间的测试方法有多种多样，可以是理论测算，也可以是实测数据。由于理论测算受到各方面的影响因素较大，与实际容量偏离较大故只能作为判断理论容量的一个参考值。最原始实测数据方式就是运维人员带着放电设备及容量测试设备到机房放电。 动力监控系统实现可以实现远程的对蓄电池的测试和放电。远程电池的电池容量的大小随时可以做到动态更新。利用监控系统对电池的远程放电来管理蓄电池放电支撑时间，可为动力调度提供重要的调度依据。同时，利用监控系统报表功能对各项指标进行分析，可作为蓄电池每年例行的放电测试原始记录，不仅节约了人力成本，还在很大程度上节省了物力、财力成本。别一方面通过对电池的容量测试过程，运维人员还可通过监控系统提供的报表及曲线功能来分析电池的健康状况，及时剔除落后电池，保证系统稳定可靠运行，并且放电过程中出现的落后电池也能及时被运维人员发现，做到早更换、早处理，达到提升蓄电池性能的目的。 3、空调控制智能化 对于某机房区域配置两台或多台空调设备并且各自独立运行时，由于多台空调系统之间存在个体差异会带来巨大的内部损耗，现象是部分空调处于加热状态，而部分空调则处于降温状态；或者是部分空调处于加湿状态，而部分空调则处于除湿状态，其主要原因如下： 空调内部温湿度传感器一致性差异或部分传感器损害； 空调设备温湿度设置的差异或异常； 空调回风路由的不同或整个机房温湿度部分差异； 往往上述原因所带来的空调内部损耗不易察觉或无法察觉，这样所带来的电能损失是相当巨大的。 所以用集中监控的方法选取机房中某一台空调作为主控空调（空调1），其他空调依次与其控制器连接；通过主控空调来设置联机信息，包括联机数量、各台空调设置温湿度以及可设置空调轮流启停时间； 通过主控空调的传感器信息来控制机房所有空调，实现一致性的升降温和加除湿状态； 通过主控空调控制多个空调轮流工作保障了各台空调定期运行，同时避免了由于自身传感器误差带来的部分空调持续工作，部分空调从不工作的弊端。 4、通风系统改造 虽然监控系统有着各种各样的组网方式及形形色色数据采集方案，但无论怎么改变，其最基本处理量都包含模拟量采集、开关量采集、遥控输出等最基本数据的处理。 通过实践，发现利用监控设备的智能控制功能加上普通换风机，可以实现智能风机的功能。利用监控设备的遥控通道控制风机运行，通过控制表达式的修改就可以达到风机的自定义开关机及空调的协调控制，能实现使用风机降温的情况下尽量不使用空调的目的。系统连接如下图所示。 通过改造后的风机系统结构图5、告警管理 监控系统告警并非都是故障报警，更多的是系统对运维人员的一个警示。 运维人员应通对重要参数的变化设定对重要故障设定为重要告警，并配以声光告警用以警示(如市电停电)，对一般性的参数变化则将其设定为一般告警，不配以声光告警（如交流电压过压10%以内）。系统告警有时更多是对故障前夕的一个警示，如不处理得当将使告警继续发展成为故障。 在没有动力环境集中监控系统发挥作用的情况下，运维人员对系统故障的处理往往采用的都是事后补救的形式。往往在故障发生时机房中断后运维人员到现场查看才可以发现故障情况，故障处理时限较长。相应的处理人员则通过分析监控提供的数据对故障情况作一个准确的判断，然后决定让相关人员依什么样的方式处理，大大提高了故障处理的效率。 除了上述的动力环境集中监控系统在节能降耗上体现出的功能，很多新功能、新用法还需运维人员去发现和探索研究。 通过对动力监控系统的合理利用，以及数