数据中心供电系统的能量损耗

中国电子工程设计院 钟景华
艾默生网络能源有限公司 朱利伟 曹播

 

    供电系统指的是从市电变压器、发电机组之后，包括ATS自动切换开关、配电系统、UPS、供电电缆等环节，如下图所示：

图1：数据中心常见供电系统图（示意图）

    上图为数据中心供电系统原理图。
    在计算机类负载为1Kw时，为计算机类负载提供供电的系统（包括ATS自动切换开关、低压配电开关、UPS供电系统、供电电缆等）在输出功率1Kw条件下，计算供电系统的损耗即为PUE供电因子，计算的数学模型为：
        供电因子Power Load Factor
        =ATS开关损耗+低压配电系统损耗+UPS系统损耗+供电电缆损耗
    其中ATS开关损耗、低压配电系统损耗、供电电缆损耗很小，基本上是铜损与接触电阻损耗，统计数据表明为1%～3%左右，取中间值2%即为0.02。
        供电因子Power Load Factor
        =0.02+UPS系统损耗
    而在数据中心设计与运营中，UPS系统的损耗随着UPS供电方案不同而变化。
    根据TIA942标准与新GB50174《电子信息机房设计规范》（报批中），数据中心UPS实际供电方案或为N+1供电系统、或为2N与2（N+1）供电系统。

图2：数据中心中N+1供电系统

图3：数据中心常见供电系统图（2N）或2（N+1）

    中大型数据中心中，最常见的供电系统为2N、2（N+1），在不同配置方式下负载比率不同，效率略有差异。本文以负载率较低的单机双母线组成2N供电系统为例，研究正常工作下UPS的效率与损耗。

图4：两台UPS单机组成双母线的2N供电系统

    假设某数据中心服务器等计算机类负载为100KW。
    如果配置2台UPS组成单机双母线解决方案，UPS容量可按两种方法选择：
    a，经济型，选用160KVa/144kw，输出功率因数为0.9；
    b，扩容型，选用200KVa/180kw，输出功率因数为0.9。

    1）经济型方案UPS效率与供电因子
    计算机类负载为100KW，正常工作时双母线上每台UPS平分负载，即每台UPS承担负载为50Kw，单台UPS的负载率为：
       K=50/144=34%
    查艾默生Hipulse U 160Kva/144Kw UPS效率表。（注，表中数据为电池浮充电状态）

    将负载率34%放入25%～50%区间，进行数学插值法计算，得出损耗率为：
        Η=8.77%，即0.0877
    则供电系统总损耗为：
        供电因子Power Load Factor
        =0.02+UPS系统损耗=0.02+0.0877=0.108

    2）扩容型方案UPS效率与供电因子
    扩容型方案中，UPS容量较大，为200KVa/180Kw。计算机类负载为100KW，两条母线上每台UPS平分负载，即每台UPS承担负载为50Kw，单台UPS的负载率为：
       K=50/180=27%
    查艾默生Hipulse U 200Kva/180Kw UPS效率表。（注，表中数据为电池浮充电状态）

    负载率27%，约等于25%，得出损耗率为：
        Η=9.37%，即0.0937
    则供电系统总损耗为：
        供电因子Power Load Factor
        =0.02+UPS系统损耗=0.02+0.0937=0.114

    上述两种UPS供电方案下，PUE指标中的供电因子Power Load Factor，从0.108变化到0.114，变动不大，说明UPS供电系统是对PUE影响较小的因素。有几点需要强调的是：
    （1） 采用两台UPS主机组成的单机双母线的2N供电系统，是负载率较小的配置，所以所得到PUE供电因子是较大的。
    （2） 如果采用2（N+1）方式，在配置合理情况下，PUE的供电因子将小于上述计算模型数值。
    （3） 当配置了带输出隔离变压器的配电柜或者分配柜时，供电回路上每增加一个变压器，供电因子将增加0.03～0.05；
    （4） 如果为每个UPS输出母线上安装大容量的STS，将导致供电因子增加0.01～0.02；
    （5） 此计算模型不含市电入户变换器的效率，即功率与损耗计量从低压侧计算，不含35Kv/0.4KV或10kv/0.4kv的转换损耗。