數據中心的負載及其特點

發表時間:2022-01-18 17:59作者:中國工程建設標準化協會

數據中心的負載及其特點

單位:中國工程建設標準化協會

隨著信息技術的迅速發展和互聯網的普及,社會各界對信息系統應用越來越廣泛,信息和數據量呈幾何級增長。數據中心作為極其重要的數據運行的基礎設施,IT設備的運行場所,耗電巨大,并具有其自身特點。

一、負荷等級高

GB50174《數據中心設計規范》中將數據中心分為A、B、C三級。

數據中心的IT設備以及支持IT運行的空調動力系統是數據中心核心負荷,為一級負荷(或特別重要一級負荷),其余負荷主要為二、三級負荷。數據中心核心負荷占全部負荷的80%以上。因此整體負荷等級非常高。

數據中心的業務連續性要求非常高,中斷供電造成的損失非常大,核心負荷供電配置實際上與GB50052《供配電系統設計規范》中一級負荷中特別重要負荷一致,采用雙重電源供電的同時,采用柴油發電機組作為備用電源。為實現供電的不間斷,IT設備供電還配置容錯級的UPS,以保證在雙電源中切換。從供電配置的角度來看,數據中心的核心用電設備的負荷等級幾乎是最高的。

二、核心負荷占比大

在一般民用建筑中單位面積的設備安裝功率在50~150W/m2,達到200 W/m2的極少。數據中心的IT機房區設備安裝功率密度則是以kW/m2為單位,幾乎差了一個數量級,IT機房區以外的輔助功能區的功率密度與一般民用建筑基本相當。IT機房區如此高的功率密度,以及由此導致的空調動力系統的高負荷大增,進而導致空調設備用電負荷容量的大增,最終導致數據中心核心負荷(也就是IT設備和支持IT設備運行的空調動力設備)的用電容量占全部負荷的80%以上。

核心負荷以外的負荷主要有照明設備、消防設備、電梯、辦公、園區設施等,其中消防設備大部分平時并不開啟,照明功率密度根據GB50034《建筑照明設計標準》總體不超過15W/m2,辦公(含配套空調)功率密度不超過90 W/m2,其容量占全部負荷的20%以下。對于單體建筑類型的數據中心,由于缺少了園區設施這項用電負荷,非核心負荷的占比甚至要低于10%~15%。隨著數據中心IT區功率密度的提高,未來這一比例會進一步降低。

三、功率密度高

IT機房區設備供電功率密度以kW/m2為單位。IT設備功能越來越強,功率密度越來越高。數據中心設備機柜用電負荷由以前的2kW/臺,提高到3kW/臺、4kW/臺,甚至更高。機房單位面積的平均用電負荷也由1kW/m2,提高到1.5kW/m2、2kW/m2,甚至更高。以現在刀片服務器機柜滿配時,用電量可高達15kW,相當5kW/m2以上。

數據中心的極高的功率密度是其區別于一般工業和民用建筑的一個顯著特點,也是衡量一個數據中心性能的重要指標,因此,在論及數據中心的規模時,面積已不再是主要的指標,單位面積的供電和制冷能力成為一個標尺。運行面積×功率密度,也就是供電和制冷總量,才是未來衡量數據中心規模的指標。

四、諧波

諧波有多種危害:影響電動機效率和正常運行;使變壓器產生附加損耗,從而引起過熱,使絕緣介質老化加速,導致絕緣損壞;使電容器過載發熱,加速電容器老化甚至擊穿;使電力系統各種測量儀表產生誤差;造成電網諧振;使保護裝置誤動或拒動,導致區域性停電事故;對通訊、電子類設備產生干擾;引起控制系統故障或失靈;零序諧波電流導致中性線電流過大,造成中性線發熱甚至火災。

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數據中心供電系統的最大諧波源是換流設備(整流器、逆變器、變頻裝置)?,F階段數據中心供電的UPS主要采用12脈沖整流,最主要的特征諧波為11次諧波和13次諧波,含量很低又采取了濾波裝置,對供電系統影響很小。數據中心供電的UPS如果采用高頻機諧波含量更低,基本可以忽略。用于電動機調速的單臺變頻裝置,一般是6脈沖整流裝置,其最主要的特征諧波為5次和7次諧波,諧波電流含量較高,危害較大,而空調動力系統各類水泵普遍采用變頻調速以提高電機效率。因此對于數據中心供電系統中的電機調速變頻器產生的5次和7次諧波需要高度重視,并采取有效的抑制措施,以免影響電能質量和品質,或者直接對IT設備產生干擾。

數據中心供電系統的5、7次諧波應進行嚴格計算,估算出對電網或供電系統公共連接點的影響,采取有效措施,使諧波畸變不超過國家標準GB/T14549《電能質量 公用電網諧波》之規定。

諧波治理采取“就地產生,就地處理”的原則,如果有必要,盡量在諧波源設備附近設置諧波抑制裝置,減少線路中的諧波電流,降低線路損耗。

“就地處理”有困難時還可在低壓側電容補償回路串聯電抗器來抑制諧波,但應計算諧振頻率,采取措施避免發生諧振。

盡量采用無源濾波裝置才抑制諧波,有源濾波裝置雖然濾波能力強,但是要消耗電能,成本高。


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