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数据中心对于能源供应的技术要求

数据中心对于能源的供给，其最典型的特点是“可持续性”，今天数据中心的可用性或者uptime而言，其核心也是保证数据中心的持续性，尽量减少中断的次数和中断的时间，如果从市场上的主流商业IDC的合同中的服务级别协议（ServiceLevelAgreement）中，都有关于持续供应的可用性的描述，通常是用百分比和数字进行约定的。

3、数据中心能源消耗的分类

（1）对于数据中心能源消耗的分类，主要分为以下几种：

①电力能源的消耗：所有的IT设备，必要的辅助设备，诸如制冷系统的冷机，水泵，精密空调，已经对应的控制系统在绝大多数情况下，都需要电力供应，都在消耗电力能源。

②水的消耗：在数据中心中水的消耗经常被忽视，当分析被忽视的原因时候，发现主要是受到一些设计和技术上的限制所致，比如制冷系统采用DX系统，其对水的消耗主要体现在加湿方面，其耗水量很小。随着冷冻水系统的逐渐在数据中心被大量采用，其对于水的消耗也迅速增长，当然，数据中心的投资者和运营者每月的账单中会看到水费账单的变化。如果从资源供给的角度来看，对于整个地球而言，在目前，水的缺乏远远大于电力的缺乏，当然这里的水是指需要被净化处理后的水。除此之外，在数据中心中关于把水作能源的案例，最典型的应该是google利用河水，海水等来制冷，利用水的温差和循环来达到制冷的目的，理论上，水并没有发生相变（诸如水的蒸发），但是水的温度发生了变化，是否对环境产生影响，截至到目前，依然存在争议。

③油的消耗：通常情况下，为了保证数据中心的可用性，数据中心在初始设计的时候都配置了柴油发电机。如果纯粹从可用性的角度来看，电网供电并不在数据中心投资者和运营者的控制范围内，而柴油发电机是其资产，其可以产生源源不断的电力输出，其可控制性可能更好，之所有采用电网供电，主要还是从经济性的角度来考虑（这基本是国外数据中心投资者和运营者的逻辑）。因此，在电网供应相对稳定的地区，油的消耗并不是很高。

④气的消耗：这里的气指的是天然气，有些数据中心采用天然气发电，因此也存在着消耗，无论是作为数据中心的主用，还是备用，在技术实现的角度来看，都是非常成熟和可靠的。但是，从目前市场上的数据中心调查上来看，比例非常小，甚至是屈指可数。但并不表明这种技术不成熟，只是在目前的数据中心的应用比较少而已。

⑧其他：虽然市场上罕见，但的确看到一些可能性，诸如可以向当地相关公司直接购买冷量。在高寒地区的冬天，对于一些设备和辅助区域，也可以向当地供热公司直接购买热量。

（2）电力

虽然今天可以看到了一些数据中心新能源的案例，诸如苹果的利用太阳能能源的数据中心和GOOGLE用的风力能源作为数据中心的能源供给。但是，目前，无论在全球和国内的数据中心几乎都利用电力能源作为数据中心的主要能源供给来源。

截至2011年底，全国电力装机达到10.6亿千瓦，超过美国成为世界第一电力装机大国，火电在装机总量中所占比重长期保持在70%以上。

电网从历史发展来看，可以分为四个阶段：电厂直配城市网、省区电网、跨省大区电网和跨大区联合电网。

随着用电量不断增长，大型水电、火电和核电的建设，地区间电源与负荷的不平衡以及经济调度的需要，必然要求发展输电和联网，电压等级也随之逐步提高。从最初较低电压水平的6-10kV经历35kV、110kV和220kV，发展到超高压的330kV、500kV和750kV电网，并且还有继续上升的趋势。

如果从装机量和发电量来看，似乎中国并不缺电，但中国的发电厂主要在西北部，用电用户主要在东部，电网的调配能力还存在一定瓶颈，局部地区缺电、让电、限电现象依然存在。

（3）水

我国是一个干旱缺水严重的国家。我国的淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，名列世界第四位。但是，我国的人均水资源量只有2300立方米，仅为世界平均水平的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。然而，中国又是世界上用水量最多的国家。仅2002年，全国淡水取用量达到5497亿立方米，大约占世界年取用量的13%，是美国1995年淡水供应量4700亿立方米的约1.2倍。

“中国是一个重度缺水的国家”，水利部水资源司司长吴季松说，这是从水资源对社会经济发展的支撑能力上得出的判断。据统计，我国目前缺水总量估计为400亿立方米，每年受旱面积200万~260万平方千米，影响粮食产量150亿~200亿千克，影响工业产值2000多亿元，全国还有7000万人饮水困难。缺水对环境和人的身心健康都有着严重的影响。以上的这些数据充分表明了几个最需要关注的观点：

中国是一个严重缺水的国家，并且水的消耗逐年增长。

伴随着中国数据中心冷冻水系统的逐渐占据数据中心市场制冷的主流，数据中心对水的供给能力和消耗量都达到了一个高度，从绿色网格组织的WUE也让人们意识到数据中心对水资源的供给需求和消耗的重视。

数据中心对于水的供应目前在中国100%来自于市政供水，这也意味着数据中心的相关利益者需要充分意识到数据中心对于水的依赖性和需求量。

对于一个数据中心投资和运营来说，通常会关注以下问题：

水对于数据中心的重要性：用简单的一句话来问“没水不行吗？”，答案是肯定的，真的不行，没有水，很难保证数据中心的持续运行。

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数据中心内用水的分类：即数据中心消耗用水的分类，哪里需要耗水？通常情况下，主要分为以下几种类别：

A：数据中心制冷系统用水：如果从数据中心日常水的消耗量的各个分类用水的比例来看，这部分水的消耗占据了相当大的比例，甚至是绝对比例。这部分用水主要分两个子项，一个是加湿用水，即为了保持数据中心湿度的控制，需要水来来加湿；另外一个是数据中心冷冻水系统所需要的水消耗。尤其是采用水冷冷冻水系统的时候，冷却塔水的消耗量是很大的。

B：消防系统用水：可能有人要问：“我可以采用气体灭火，可以不用水系统！”在数据中心设计的时候，的确可以考虑采用气体消防来灭火，并且对于市场上大多数的数据中心而言，其主机房采用气体灭火系统的占据了绝大多数。但是，在数据中心各个功能分区中，如果把主机房建筑面积和其他辅助功能分区面积用数字做个比例对比的时候，基本的数字比例大概在1：1.5-2.5之间，换句话说，绝大多数的辅助功能分区的面积部分都必须采取水消防系统，或者说采取水消防系统是最合理的，性价比最好的。因此，结论是：数据中心有一定比例的消防系统是通过水消防系统完成的，也必然存在水的消耗。（虽然，对于数据中心用户而言，内心希望消防系统永远不要真正启动，永远不要发生火警，但既然水系统是必须的，其必然需要水的供应）

C：卫生用水：同样，这部分用水也是必不可少的。数据中心日常的运行，都需要这部分用水。

D：清洁和保洁：数据中心需要保持环境清洁，这部分用水也将存在。

E：其他用水：诸如室外绿地花园用水等。

在数据中心日常水的消耗中，制冷系统水的消耗占据了绝对比例，因此在这里对于该部分水的消耗做一个简单的推导。

在对国内某数据中心的研究中，发现其每天用于制冷系统用水消耗量很大，如果市政供水发生中断1个小时，其所做储备用水将耗尽，如果那样，其制冷系统也将发生问题，如果继续恶化，最终的结果和断电的结局是殊途同归。在意识到这个问题后，不难得出这样的结论：水作为数据中心必须的一种能源绝对值得足够的重视，甚至是要放在策略层面上。当然，如果制冷系统的技术发生重大变革，水的消耗极具减少，可能就只需要放在战术层面来考虑这个问题了。

（4）油

对于数据中心而言，所说的油特指的是柴油，即用于柴油发电机的柴油，考虑到数据中心柴油发电机的作用主要是用于当电力供应发生中断的时候，接管数据中心电力的继续供给，并不作为主要电力供应，属于备用，因此其消耗的柴油量相对比较少。

（5）天然气

本文所关注的是天然气的应用和关键特点。

天然气的采收率高于石油。原生天然气的采收率一般为40%-70%，而原油的采收率往往低于30%-35%.

天然气造成的污染要比石油或煤炭轻得多。

天然气的储量丰富。

天然气的使用受到的限制：

地缘政治和当前的经济状况。

管道的限制。

季节变化而带来的用气量不同，冬季居民用气量大，夏季民用气量小。

对于数据中心用户而言，随着西气东输管道的发展和液化天然气的进口，天然气的使用变得越来越宽广。以往天然气应用最多的是工业和汽车，但随着国家政策的放开和技术的发展和市场化，天然气在数据中心的应用有潜在的巨大机遇。

科士达蓄电池：直流电源应用范围
高频开关直流电源系统适用于大型发电厂、水电厂、超高压变电站、无人值守变电站作为控制、信号、保护、自动重合闸操作、事故照明、直流油泵，各种直流操作机构的分合闸，二次回路的仪表，自动化装置的控制交流不停电电源等用电装置的直流供电电源。
高频开关直流电源的单线原理：
高频开关直流电源由充电屏、馈线屏、科士达蓄电池及直流电压变换器四个单元组成。充电机屏由若干电源模块和微机监控系统组成，单柜（屏）最大配置160A，若需要更大的输出电流可实现多机柜（屏）并联。馈线屏配有微机绝缘在线监察装置，当某一馈出支路发生接地事故时可显示出某地支路编号及接地电阻。电池屏内可选配微机科士达蓄电池巡检装置，随时对蓄电池状态进行监控。直流电压变送器可采用高频直流变送器，当合闸母线在180-300V电压变动时控制线母线的输出电压都能牢牢地稳定在220V。

科士达UPS电源：UPS电源对医疗设备的重要性
科士达UPS官网称医疗设备作为医生诊断及救治病人的重要工具，它在医院的发展进程中占据着十分重要的地位，为了保证医疗设备的正常支行就必须要有稳定、可靠的电源。供电电源的质量直接影响到医疗设备的使用。

随着医疗科学技术的进步，各种精密的仪器和设备被广泛应用到医疗领域中，这些设备的引入对患者的诊断和治疗起着重要的作用。由于医疗设备对电源的质量及电压的要求较高，如果电源质量较差，就容易出现医疗设备在运行过程中出现死机、部件损坏及程序执行错误导致的数据丢失等现象，从而造成极大的医疗安全隐患，并对医院带来不小的经济损失。目前，医院一般会采用交流稳压器和UPS不间断电源来保证医疗设备的正常、安全地运行。

一.不间断电源的选择

据统计，一般乡镇的医疗设备每个月受到的电源影响超过了50次，这些影响主要包括电压变化、断电(包括毫秒短时断电)、缺相、相平衡度差等。在这些问题中，很大一部份情况由于无法感知和无法用肉眼分辨，因此很容易被忽视掉，但是通常会影响设备的正常安全使用。因此，通过在医疗设备安装UPS不间断电源可以有效的防止设备瞬间的电流冲击、突然断电而造成的数据丢失或者突然停止工作的现象对设备的影响。在进行UPS不间断电源的选择时，应该注意下面几点：

1.UPS的功率通常情况下、UPS的功率值用VA表示，在进行UPS电源的选择时，首先计算出医疗设备的VA值并留足一定的余量，以此来确定UPS电源的功率。

2.UPS的种类输出波形通常分为方波的后备式、正弦波的在线互动式及在线式。正弦波的特点是无谐波、零秒转换。医疗设备属于高精度仪器，对电源的质量要求非常高，在实际的使用过程中通常会选配在线式UPS电源，可以很好地避免电源中断现象。

3.电池容量的选择后备电池的容量可以分为标准机和延长机两种，标准机电池内置，一般在断电后能延长设备的使用时间10～15分钟，而延长机一般配备电池柜，通常可以延长更长的时间。在实际应用中，通常根据需要选择。

二.保证医疗设备稳定运行的措施

目前，在医疗设备的使用过程中普通存在着电源不稳定和电磁等问题，这对医疗设备的正常使用具有一定的安全隐患。

1.分支供电针对电压不稳定的情况，可以采用多支路隔离变压器，将对电源要求非常高的设备单独分线供电，这样可以有效避免各个设备在用电时的相互*，同时还可以对一些重要的设备配备专用的交流稳压器或者UPS不间断电源，以此来保证医疗设备的安全运行。

2.配备电能质量净化装置通过使用交流稳压器、高频电源滤波器可以保证设备的稳定运行，同时还能够减少电磁波对电源线传输过程的*。通过加装交流稳压器还能够有效地抑制浪涌带来的瞬间电压过高、瞬间下跌等情况的出现。另外，还可以通过连接地线的方法来减少外界对电源的干扰。

三.总结

医疗设备是一种对电源质量要求非常高的设备，电源质量的下降会使医疗设备的使用不稳定，轻则使医疗设备暂停使用，重则损坏设备，引发医疗事故。因此，稳压电源及UPS不间断电源的配置对保证医疗设备的安全正常使用具有重要的作用，这对进一步提高医疗质量具有重要意义。

太原机务段救援基地位于石太铁路线呜李火车站,因原呜李火车站用的是市电380V电源,此电源无法满足新建救援基地的用电负荷要求,根据太原铁路局《关于对太原救援基地配套改造工程设计审查的意见》及太原铁路局组织的有关太原救援基地用电问题的会议精神,由中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院设计采用牵引供电接触网27.5kV电源,使用牵引供电专用单相变三相UPS作为太原救援基地的工作电源使用,降压变压器设计容量160kVA,UPS设计容量150kVA,设计馈出配出四个回路:既有低压配电箱所带停留车库、消防、地面电源负荷;综合楼空调办公负荷;食堂、浴室照明负荷和检修库负荷(见图1)。

150kVA单相变三相UPS是由伊顿公司深圳山特工厂生产的高频UPS,150kVA高频UPS共有10个功率模块,单个功率模块容量15kVA,UPS由两个柜体组成,安装在电力箱变内,因电力箱变内部在夏季温度能达到50～60℃,为保证UPS正常运行,箱变设计了排风和制冷系统,UPS在2011年9月开通投入运行。

由于电气化铁道专用工频单变三UPS在使用中故障频发,影响正常使用,高频模块化单变三UPS以其先进的设计理念和高可靠性走进这个领域。高频机通常由滤波器、IGBT高频整流器、逆变器组成,IGBT可以通过加在其门极的驱动来控制IGBT的开通与关断,IGBT整流器开关频率通常在几千到几十千赫兹,甚至高达上百千赫兹。典型的高频机UPS拓扑如图2所示。

高频UPS整流属于升压整流,其输出直流母线的电压比输入线电压的峰值高,一般典型值为768V左右,所以逆变器输出相电压可以直接达到220V,逆变器之后就不再需要升压变压器。

由于采用了IGBT高频整流技术使功率单元实现了模块化生产,因此,实现了功率模块的N+1运行模式。当高频模块化UPS某一个模块发生故障时,故障模块会自动退出运行,非故障模块可以正常运行不影响供电。在设备巡检人员巡检时,将故障模块带电拔出换上新的模块就可以了。大大提高了运行的可靠性。

由于在电气化铁路电力机车通过时,会产生过电压及谐波,这样UPS的输入电源会时常出现很高的尖峰冲击电压,整流以后的BUS电压也会跟着出现一个非正常的峰值电压,这个电压有时高达700V,高于正常正负BUS电压400V的标准。监测保护系统一旦检测到高于正负BUS电压400V时,设备就会保护关机,这时需要人员去现场重新启动。

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