数据中心配电系统：监控与管理的关键

安科瑞电气股份有限公司

2024/11/11 14:33:31>> 进入商铺

导读：

一、数据中心配电系统的挑战与难点

数据中心供配电系统在低碳建设方面面临着诸多挑战。新能源的间歇性特征使其可控性差，易造成电网不稳定，如何确保电网安全稳定以及实现新能源就地消纳成为关键问题。例如，据相关研究显示，在全部配电线路故障中，雷电击中线路设备引起的故障占 1/3，而新能源的接入可能会增加这种故障发生的概率。

人员方面，随着行业快速发展，数据中心需要大量运维人员，但人力市场供给不足，人员技能水平参差不齐。目前的人工巡检方式存在人力成本高、运维效率低、质量不高等问题。运维人员培训方式较为单一，得不到系统性的实战操作演练。

设备运维管理也存在难点。数据中心投运后很少大规模停电，无法按照电力预防性试验规定的间隔周期进行预防性维护。对于复杂问题和隐患，仅凭运维人员肉眼或简单检测工具很难直接判断。例如，在数据中心供配电系统中，一些稍微复杂的问题可能需要专业的检测设备和技术人员才能发现和解决。

二、数据中心配电系统规划

数据中心一般是对外开放的商业性计算资源，规划时应保证其高可靠性和高安全性。对于 A 级数据中心，必须做到 7×24 有人值守，不允许发生单点故障，要求很高的容错能力。为了减少成本、提高收益，机房规划应考虑经济性和可维护性原则，尽量减少初始投资和后期运维费用。大型数据机房由于工程浩大，因此需要满足一定的灵活性和可扩展性，为数据中心的分期建设和分期投运提供保障。大型数据中心不允许出现设备断电事故，因此应急电源配置要合理，通常采用双路市电 + UPS + 柴油发电机的多层次应急供电方案。例如，根据相关数据，在我国目前的数据中心建设情况中，供电等级以 35kV/10kV/6kV/3kV 几种类型为主，其中 10kV 的应用较为广泛。高压配电系统必须具备高可靠性，采用双路电源并联进线，同时接入 UPS 和柴油发电机等多种应急供电系统。变压器必须采用容错配置，采用双路市电进线，必要时采用双备份设计。

三、数据中心配电系统监控方案

（一）列头柜及监测产品介绍

列头柜是数据中心机房中为成行排列或按功能区划分的机柜提供网络布线传输服务或配电管理的设备，一般位于一列机柜的端头。通常在最前端的叫列头柜，最末端的叫列尾柜，主要功能是对这一列机柜的交流或者直流负载提供电源，起到配电，监控，测量、保护、告警等功能。列头柜类似于柜式的配电箱，里边集中了很多断路器。机房配电回路一般是双路市电接入，首先进市电配电箱，一部分给 UPS，一部分给空调和照明、普通插座，UPS 下端再进 UPS 配电柜，分配到各个列头柜，经列头柜后接入各机柜 PDU 再到负载。

（二）小母线配电系统及监控案例

智能小母线系统是数据中心末端母线供配电系统的俗称。相对于传统的列头柜配电模式，智能小母线系统具有高度的灵活性、投入快施工周期短、安全性高使用寿命长、增加机房的利用率和收益等优势。

小母线部署简易快捷，仅需将母线槽安装到所有的预期机柜上方，即可完成部署，可以依据用户的进驻实现即需即安装的安装安排。部署母线系统只需 10 - 15 天就可以完成一个机房的交付，相比列头柜加线缆模式可以节省 1/2 - 2/3 的时间。小母线主要结构为 “铝合金外壳 + B 级及以上绝缘护套 + 铜母排”，使得整个输电干线的电气稳定性更强，整条母线系统的散热性良好，有效防止因热量堆积造成的短路隐患，较大程度提高了使用寿命。母线使用寿命在 30 年左右，而电缆使用寿命一般在 10 - 15 年。采用母线方式后原列头柜的位置可增加配置 1 个 IT 机柜。可增加 5% - 10% 左右的 IT 机柜数量。按一个机房 1000 个机柜为例，如需要 50 个列头柜，采用母线后机房 IT 机柜可达 1050 个，每个机柜租赁利润 2 万 / 年计算，可增加年利润 100 万。

四、数据中心配电系统解决方案

4.1 方案组成

安科瑞电气紧跟数据中心发展形式，推出数据中心AcrelEMS-IDC综合能效解决方案，集成了变配电监测、电源备自投、电气接点测温、智能照明控制、电能质量监测及治理、蓄电池在线监测、列头柜监控、智能母线监控以及消防监控等多种子系统功能，能够帮助用户实时掌握数据中心的运行情况，保障数据中心安全可靠的运行，辅助运维团队提升数据中心能效、资源利用率和可用性，提高运维效率并降低。

4.2 功能介绍

1）系统主页

展示当前数据中心总能耗，动力能耗，空调能耗，及其他能耗并且计算出当前数据中心实时PUE值，通过仪表盘形式直观展示。

2）变电站综自

对数据中心变电站实时监控，并在一次图显示配电系统当前遥测、遥信数据和状态。

在变配电过程中的各场景，安科瑞可以提供各类硬件产品。如AM系列微机保护装置、APView电能质量在线监测装置、APF&SVG电能质量治理装置、ANDPF精密配电列头柜、ARCM电气火灾监控系统、ASL系列智能照明控制等产品。

3）电力监控

电力监控云平台针对供配电系统的特点，对35KV及以下供配电实施一体化的实时监控，对电网的安全运行提供现代化手段，可实现无人值守。

4）电能质量监测

电能质量在线监测，可以监测电流和电压谐波畸变率、电压暂升暂降暂中断等暂态事件记录、ITIC容忍曲线等。

5）分布式光伏

对逆变器运行和电站进行监测，对电站发电进行统计和分析。

6）UPS监测

系统采集UPS输入、输出端和旁路三相电压、电流、有功功率、功率因数频率，同时监测UPS温度、蓄电池电压、当前负载下的剩余时间等数据。

7）蓄电池监测

展示单体电池电压、内阻和温度，预测电池带载时剩余时间，每节电池数据均可以设置异常报警，及时发现蓄电池异常。

8）列头柜监测

系统可以展示精密配电柜内进线和馈线回路电气参数，包括电流电压功率电能以及开关状态，并可以对数据进行报警设置和分级，数据取自精密配电柜测量模块。

9）母线槽监测

系统可以展示智能小母线的始端箱和插接箱电气参数，包括电流电压、开关状态、插接点温度，并对数据进行报警设置和分级。

10）能源分布

通过平面图显示数据中心能源分布，设备分布情况，并显示设备能耗数据，点击平面图上设备可以进入具体设备监控界面。

11）能耗分析

显示电能消耗日/月/年报表，并可对具体回路选择曲线图、饼图进行展示。对数据中心用电数据进行同比、环比分析比较，查看用电趋势。

12）环境监测

监测数据中心温湿度、开关门、水浸、烟雾、噪声、气体浓度状态等参数。曲线图直观明了，同时支持历史数据查询。

13）空调监测

系统可监测精密空调的回风温湿度，出回水温度，并可以设定精密空调的温湿度，达到更好的控制效果。

14）智能照明

用户可通过控制面板、人体感应、照度感应、微波感应、上位机系统、触摸屏、手机、平板端等多种控制终端实现灵活多样的智能化控制。

15）电气安全

电气接点温度实时监测，断路器触头、触臂、母排和线缆连接等位置安装无线测温传感器监测接点温度，便于提前发现温度异常导致的事故。

16）消防监控

智慧消防管理云平台是在智慧安全用的基础上，增加了火报系统，智慧烟感和智慧消防用水等设备和系统。实现火灾预防、火情报警和联动控制等功能。

17）故障报警

报警事件分为四级，通过列表显示各类报警事件数量，通过柱状图显示逐日报警数量，提供报警总数以及增长趋势。

4.3典型硬件

下图为安科瑞AcrelEMS-IDC数据中心综合能效管理系统的系统拓扑图，按照能源的流向、电压等级的变化，数据中心的供配电从市电引入后，需要经过用户变电站、中高压配电室、柴发室、低压配电室、电池室等场景、最后能源流向数据机房给IT设备进行供电。

数据中心系统组网图

整个供配电场景中可以用到安科瑞的相关产品如下：

装置图片	装置名称	装置型号	装置功能
	数据终端融合	ABOX	壁挂式，数据采集箱
	边缘计算网关	ANet系列	电力抄表，数据转发，断点续传，边缘计算和命令透传，下行2路RS485通讯，上行网口/4G。
	综合保护装置	AM系列	三段式过流保护(带方向、低压闭锁)、过负荷保护、PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护。
	智能操控装置	ASD系列	液晶屏显示一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温湿度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮、预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压柜内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4~20mA输出。
	弧光保护装置	ARB5-M	主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，弧光保护(8组)失灵保护(4组)、TA断线监测(4组)、非电量保护、装置故障告警。
	电能质量分析装置	APView500	相电压电流+零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及申能、事件告警及故院录波，谐波(电乐/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子)、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看等
	多功能仪表	APM系列	全电量测量，四象限电能，复费率电能，仪表内部温度测量，总有功、总无功、总视在电能脉冲输出、秒脉冲等可选。三相电流、有功功率、无功功率、视在功率实时需量及最大需量(包含时间戳)。电流、线电压、相电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、电流总谐波、电压总谐波的本月极值和上月极值(包含时间戳)。电流、线电压、相电压不平衡度，电压相间角度、电流相间角度，电压电流总(奇、偶)谐波含量，电压电流分次谐波(2-63次)含量电压波峰系数，电话波形因子，电流K系数，矢量图，电压、电流波形，基波电压、电流等。
	无线测温	ARTM-Pn	可监测电压、电流、频率、有功功率、无功功率、电能，可接收60个 ATE100/ATE100M/ATE200/ATE400无线温度传感器温度。通讯方式:RS485接口，Modbus协议。
	电能质量治理	APF&SVG	通过有源无功补偿（SVG）缓解电压波动和闪变；通过储能装置缓解频率；通过有源滤波APF对负荷侧设备进行谐波治理，避免负荷侧谐波与并网谐波之间产生叠加或某频段的震荡。
	智能照明控制	ASL系列	控制火线，每回路额定电流16A，磁保持，延时控制，电流检测，定时控制。
	电气火灾监控主机	Acrel-6000/B	接收电气火灾监控探测器信号，实现对保护电气线路的报警监视控制与管理，监控容量≤256点；通讯方式；RS485接口；2G；4G；网口。
	消防设备电源监控主机	AFPM100/B1	接收消防电源监控模块采集的电压、电流信号，判断电源设备的故障信息。实现对被保护消防设备电源的监视的报警监视控制与管理通讯方式；RS485接口；2G；4G；网口。
	防火门监控主机	AFRD100/B	实时接收监测并显示各路防火门装置的工作状态信息；通讯方式；RS485接口；2G；4G；网口。
	应急照明和疏散指示主机	A-C-A100	控制器通过总线网络实时监控各个终端，在险情发生时，自动将信息指令发布到每个终端，终端收到指令开始自动工作，实时指示最佳疏散线路；通讯方式；RS485接口；2G；4G；网口。
	网络电力仪表	ACR系列	三相所有电力参数、最大需量记录(ACR320EFL) 分时电能统计及12月电能统计、日期时间显示、LCD显示、RS485通讯，事件记录。通讯方式:RS485，Prifibus-DP、以太网。
	多功能电能表	AEM96 AEM72	三相电力参数测量、电压和电流的相角、四象限电能计量、复费率、最大需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史极值记录、31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量(电压、电流、功率)、开关量、报警输出。通讯方式:RS485接口，支持Modbus-RTU协议。
	蓄电池监测模块	ABAT-S系列	监测电池电压、内阻与负极温度。
	精密配电监控模块	AMC16Z系列	检测进出线的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能、谐波。
	精密配电监控模块	AMC100系列	检测进出线的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能、谐波。
	智能母线监控模块	AMB100系列	始端箱和插接箱全电量测量、谐波测量、漏电流、温度、湿度、最大需量、中性线电流、开关量输入、开关量输出，RS485通讯。
	母线槽测温模块	AMB300系列	红外测温，测量母线槽单个连接器处的整体母排温度情况，NTC外壳测温，连接器处的湿度，二总线通讯。