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一、數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的挑戰(zhàn)與難點
數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)在低碳建設(shè)方面面臨著諸多挑戰(zhàn)。新能源的間歇性特征使其可控性差，易造成電網(wǎng)不穩(wěn)定，如何確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定以及實現(xiàn)新能源就地消納成為關(guān)鍵問題。例如，據(jù)相關(guān)研究顯示，在全部配電線路故障中，雷電擊中線路設(shè)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(fā)生的概率。
人員方面，隨著行業(yè)快速發(fā)展，數(shù)據(jù)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(zhì)量不高等問題。運維人員培訓(xùn)方式較為單一，得不到系統(tǒng)性的實戰(zhàn)操作演練。
設(shè)備運維管理也存在難點。數(shù)據(jù)中心投運后很少大規(guī)模停電，無法按照電力預(yù)防性試驗規(guī)定的間隔周期進行預(yù)防性維護。對于復(fù)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(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)中，一些稍微復(fù)雜的問題可能需要專業(yè)的檢測設(shè)備和技術(shù)人員才能發(fā)現(xiàn)和解決。
二、數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)規(guī)劃
數(shù)據(jù)中心一般是對外開放的商業(yè)性計算資源，規(guī)劃時應(yīng)保證其高可靠性和高安全性。對于 A 級數(shù)據(jù)中心，必須做到 7×24 有人值守，不允許發(fā)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(guī)劃應(yīng)考慮經(jīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心的分期建設(shè)和分期投運提供保障。大型數(shù)據(jù)中心不允許出現(xiàn)設(shè)備斷電事故，因此應(yīng)急電源配置要合理，通常采用雙路市電 + UPS + 柴油發(fā)電機的多層次應(yīng)急供電方案。例如，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，在我國目前的數(shù)據(jù)中心建設(shè)情況中，供電等級以 35kV/10kV/6kV/3kV 幾種類型為主，其中 10kV 的應(yīng)用較為廣泛。高壓配電系統(tǒng)必須具備高可靠性，采用雙路電源并聯(lián)進線，同時接入 UPS 和柴油發(fā)電機等多種應(yīng)急供電系統(tǒng)。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(shè)計。
三、數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)監(jiān)控方案
（一）列頭柜及監(jiān)測產(chǎn)品介紹
列頭柜是數(shù)據(jù)中心機房中為成行排列或按功能區(qū)劃分的機柜提供網(wǎng)絡(luò)布線傳輸服務(wù)或配電管理的設(shè)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(jiān)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(diào)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(jīng)列頭柜后接入各機柜 PDU 再到負載。
（二）小母線配電系統(tǒng)及監(jiān)控案例
智能小母線系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱。相對于傳統(tǒng)的列頭柜配電模式，智能小母線系統(tǒng)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(yōu)勢。
小母線部署簡易快捷，僅需將母線槽安裝到所有的預(yù)期機柜上方，即可完成部署，可以依據(jù)用戶的進駐實現(xiàn)即需即安裝的安裝安排。部署母線系統(tǒng)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(jié)省 1/2 - 2/3 的時間。小母線主要結(jié)構(gòu)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(wěn)定性更強，整條母線系統(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)解決方案
4.1 方案組成
安科瑞電氣緊跟數(shù)據(jù)中心發(fā)展形式，推出數(shù)據(jù)中心AcrelEMS-IDC綜合能效解決方案，集成了變配電監(jiān)測、電源備自投、電氣接點測溫、智能照明控制、電能質(zhì)量監(jiān)測及治理、蓄電池在線監(jiān)測、列頭柜監(jiān)控、智能母線監(jiān)控以及消防監(jiān)控等多種子系統(tǒng)功能，能夠幫助用戶實時掌握數(shù)據(jù)中心的運行情況，保障數(shù)據(jù)中心安全可靠的運行，輔助運維團隊提升數(shù)據(jù)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(tǒng)主頁
展示當(dāng)前數(shù)據(jù)中心總能耗，動力能耗，空調(diào)能耗，及其他能耗并且計算出當(dāng)前數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心變電站實時監(jiān)控，并在一次圖顯示配電系統(tǒng)當(dāng)前遙測、遙信數(shù)據(jù)和狀態(tài)。
在變配電過程中的各場景，安科瑞可以提供各類硬件產(chǎn)品。如AM系列微機保護裝置、APView電能質(zhì)量在線監(jiān)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(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、ASL系列智能照明控制等產(chǎn)品。
3）電力監(jiān)控
電力監(jiān)控云平臺針對供配電系統(tǒng)的特點，對35KV及以下供配電實施一體化的實時監(jiān)控，對電網(wǎng)的安全運行提供現(xiàn)代化手段，可實現(xiàn)無人值守。
4）電能質(zhì)量監(jiān)測
電能質(zhì)量在線監(jiān)測，可以監(jiān)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容忍曲線等。
5）分布式光伏
對逆變器運行和電站進行監(jiān)測，對電站發(fā)電進行統(tǒng)計和分析。
6）UPS監(jiān)測
系統(tǒng)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(shù)頻率，同時監(jiān)測UPS溫度、蓄電池電壓、當(dāng)前負載下的剩余時間等數(shù)據(jù)。
7）蓄電池監(jiān)測
展示單體電池電壓、內(nèi)阻和溫度，預(yù)測電池帶載時剩余時間，每節(jié)電池數(shù)據(jù)均可以設(shè)置異常報警，及時發(fā)現(xiàn)蓄電池異常。
8）列頭柜監(jiān)測
系統(tǒng)可以展示精密配電柜內(nèi)進線和饋線回路電氣參數(shù)，包括電流電壓功率電能以及開關(guān)狀態(tài)，并可以對數(shù)據(jù)進行報警設(shè)置和分級，數(shù)據(jù)取自精密配電柜測量模塊。
9）母線槽監(jiān)測
系統(tǒng)可以展示智能小母線的始端箱和插接箱電氣參數(shù)，包括電流電壓、開關(guān)狀態(tài)、插接點溫度，并對數(shù)據(jù)進行報警設(shè)置和分級。
10）能源分布
通過平面圖顯示數(shù)據(jù)中心能源分布，設(shè)備分布情況，并顯示設(shè)備能耗數(shù)據(jù)，點擊平面圖上設(shè)備可以進入具體設(shè)備監(jiān)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(shù)據(jù)中心用電數(shù)據(jù)進行同比、環(huán)比分析比較，查看用電趨勢。
12）環(huán)境監(jiān)測
監(jiān)測數(shù)據(jù)中心溫濕度、開關(guān)門、水浸、煙霧、噪聲、氣體濃度狀態(tài)等參數(shù)。曲線圖直觀明了，同時支持歷史數(shù)據(jù)查詢。
13）空調(diào)監(jiān)測
系統(tǒng)可監(jiān)測精密空調(diào)的回風(fēng)溫濕度，出回水溫度，并可以設(shè)定精密空調(diào)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(yīng)、照度感應(yīng)、微波感應(yīng)、上位機系統(tǒng)、觸摸屏、手機、平板端等多種控制終端實現(xiàn)靈活多樣的智能化控制。
15）電氣安全
電氣接點溫度實時監(jiān)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(jiān)測接點溫度，便于提前發(fā)現(xiàn)溫度異常導(dǎo)致的事故。
16）消防監(jiān)控
智慧消防管理云平臺是在智慧安全用的基礎(chǔ)上，增加了火報系統(tǒng)，智慧煙感和智慧消防用水等設(shè)備和系統(tǒng)。實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)防、火情報警和聯(lián)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(shù)量，通過柱狀圖顯示逐日報警數(shù)量，提供報警總數(shù)以及增長趨勢。
4.3典型硬件
下圖為安科瑞AcrelEMS-IDC數(shù)據(jù)中心綜合能效管理系統(tǒng)的系統(tǒng)拓撲圖，按照能源的流向、電壓等級的變化，數(shù)據(jù)中心的供配電從市電引入后，需要經(jīng)過用戶變電站、中高壓配電室、柴發(fā)室、低壓配電室、電池室等場景、最后能源流向數(shù)據(jù)機房給IT設(shè)備進行供電。
整個供配電場景中可以用到安科瑞的相關(guān)產(chǎn)品如下：
裝置圖片 | 裝置名稱 | 裝置型號 | 裝置功能 |
| 數(shù)據(jù)終端融合 | ABOX | 壁掛式，數(shù)據(jù)采集箱 |
| 邊緣計算網(wǎng)關(guān) | ANet系列 | 電力抄表，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，斷點續(xù)傳，邊緣計算和命令透傳，下行2路RS485通訊，上行網(wǎng)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(huán)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(tài)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(yù)分預(yù)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(yīng)、柜內(nèi)照明控制、1路以太網(wǎng)、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內(nèi)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(jiān)測(4組)、非電量保護、裝置故障告警。 |
| 電能質(zhì)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(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)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(fù)費率電能，儀表內(nèi)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(shù)、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(shù)，電話波形因子，電流K系數(shù)，矢量圖，電壓、電流波形，基波電壓、電流等。 |
| 無線測溫 | ARTM-Pn | 可監(jiān)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(xié)議。 |
| 電能質(zhì)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(cè)設(shè)備進行諧波治理，避免負荷側(cè)諧波與并網(wǎng)諧波之間產(chǎn)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(zāi)監(jiān)控主機 | Acrel-6000/B | 接收電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器信號，實現(xiàn)對保護電氣線路的報警監(jiān)視控制與管理，監(jiān)控容量≤256點； 通訊方式；RS485接口；2G；4G；網(wǎng)口。 |
| 消防設(shè)備電源監(jiān)控主機 | AFPM100/B1 | 接收消防電源監(jiān)控模塊采集的電壓、電流信號，判斷電源設(shè)備的故障信息。實現(xiàn)對被保護消防設(shè)備電源的監(jiān)視的報警監(jiān)視控制與管理 通訊方式；RS485接口；2G；4G；網(wǎng)口。 |
| 防火門監(jiān)控主機 | AFRD100/B | 實時接收監(jiān)測并顯示各路防火門裝置的工作狀態(tài)信息； 通訊方式；RS485接口；2G；4G；網(wǎng)口。 |
| 應(yīng)急照明和疏散指示主機 | A-C-A100 | 控制器通過總線網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控各個終端，在險情發(fā)生時，自動將信息指令發(fā)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(wǎng)口。 |
| 網(wǎng)絡(luò)電力儀表 | ACR系列 | 三相所有電力參數(shù)、最大需量記錄(ACR320EFL) 分時電能統(tǒng)計及12月電能統(tǒng)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(wǎng)。 |
| 多功能電能表 | AEM96 AEM72 | 三相電力參數(shù)測量、電壓和電流的相角、四象限電能計量、復(fù)費率、最大需量、歷史電能統(tǒng)計、開關(guān)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(guān)量、報警輸出。 通訊方式:RS485接口，支持Modbus-RTU協(xié)議。 |
| 蓄電池監(jiān)測模塊 | ABAT-S系列 | 監(jiān)測電池電壓、內(nèi)阻與負極溫度。 |
| 精密配電監(jiān)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(shù)、有功電能、無功電能、諧波。 |
| 精密配電監(jiān)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(shù)、有功電能、無功電能、諧波。 |
| 智能母線監(jiān)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(guān)量輸入、開關(guān)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。 |
數(shù)據(jù)中心建設(shè)正朝著規(guī)模化、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AcrelEMS-IDC綜合能效管理系統(tǒng)幫助數(shù)據(jù)中心建設(shè)者管理者保障數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定、安全、持續(xù)運行。
作者介紹：
安躍強，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為為智能電網(wǎng)供配電。
