172v1-数据中心电表类型_CH

数据中心电表类型 版本 1 作者：David Kidd 和 Wendy Torell 第 172 号白皮书 部署于数据中心的电表有多种类型，自高精度的电能质 量电表至嵌入式电表（即位于 UPS 或 PDU 中）。每种 电表都有不同的核心功能和应用。本白皮书旨在提供可 集成于数据中心设计的电表类型指南，阐述使用这些电 表的原因，并探讨每种电表的优缺点。同时该白皮书中 列出三个数据中心的应用案例，对各种电表的常见部署 位置进行了说明。 摘要 施耐德电气旗下 的白皮书现收录于施耐德电气白皮书资料库 由施耐德电气数据中心科研中心数据中心科研中心发表 DCSCSchneider-E 数据中心电表类型 施耐德电气 数据中心科研中心 第 172 号白皮书 版本 1 2 仪表可以提供各种数据，使您能够深入了解数据中心基础设施（如供电和制冷系统）的运行状况。 数据中心存在多种特定类型仪表，可追踪用电量，分析设施中的电能质量以及报告瞬态电压和谐 波状况，也可用于测量数据中心的电源使用效率(PUE)。 随着能源计划和立法的不断增多，通过精细测量可更好地了解并优化能源使用的需求也在不断增 加。仪表能帮助您测量数据中心的能耗情况，发现改进机会，并衡量能源改进项目所取得的实效。 在数据中心中，您会发现各种用于测量功率（kW）、电能（kWh）、电压和电流、谐波、功率 因数、流量、温度和湿度等仪表。本文主要讨论数据中心的电能仪表，以及它们的应用和用途、 在电气和动力设施中的常见部署、相关成本以及优缺点。此外，本白皮书仅探讨物理电表，而不 涉及与电表连用，能提供可视化、报告等功能的管理软件。 表表 1 列出了区分数据中心各类电表的关键特性。本文就这些特性进行了探讨，帮助数据中心设计 者按需选择合适的电表。 电表系统提供重要的数据与分析结果用以确保数据中心配电安全、可靠、优质而且高效。具体而 言，电表系统（结合楼宇、能源和数据中心基础设施管理系统）具有如下功能： 支持 PUE 报告 减少意外宕机事件 快速从宕机中恢复 优化维护效果 最大化资产利用率 降低能源运营成本 特性 说明 核心功能 核心功能的范围从确保正常运行时间、识别问题根源，到测量用电情况（如用于 PUE 报告）等。 数据种类 除采集电力测量数据，如电能、功率、电流、功率因数和频率外，部分电表还可采 集电能质量数据，如谐波、电压骤降/骤升以及瞬态电压；其它电表则采集其中的部 分数据。 数据访问 使用电表和分析这些数据的方式各不相同。可以直接在电表上读取这些数据，也可 通过楼宇管理系统（BMS）、能源管理系统，和/或 DCIM 系统访问数据。部分电表 需要配备带特别驱动程序的软件，才能访问实时和历史数据。 数据准确性 不同电表的准确性（测量值与实际值的接近程度）也有所差异。准确性可由第三方 验证如 ANSI C12.1 & IEC 62053-21（准确性误差小于 1%）。 数据采集频率 数据采集的时间间隔也会因电表不同而存在显著差别。因此，了解所需数据的采集 频率（即数据是需要每毫秒、每秒、每分钟还是每小时采集一次？）是至关重要 的。 成本 初始成本（电表成本和安装费用）以及后续成本（维修/校准费用）都计入电表测量 系统的总成本。 规格 有些电表是独立式设备，另一些电表则嵌入 UPS、PDU 等其它设备之中。 简介 电表系统的 功能与级别 表 1 区分电表的关键特性 数据中心电表类型 施耐德电气 数据中心科研中心 第 172 号白皮书 版本 1 3 向内部和/或外部客户收取用电费用 支持支持 PUE 报告报告由于全球各种法规的出台和/或公司内部计划的制订，越来越多的数据中心开始 重视报告电源使用效率(PUE)，并进行相应趋势分析。PUE 报告从测量 IT 负载和物理基础设施 组件的用电量开始，它们加起来即是数据中心总用电量。位于架构中不同位置的电表能够完成这 一测量工作。有时还需部署临时电表来满足需求。请参见边栏中对于临时电表及其在能效计划中 所起作用（和限制）的简介。 减少意外宕机事件减少意外宕机事件电表信息提供了必要数据，能够降低数据中心供电系统断电的可能性。例如， 在冗余和可用性受到影响之前，数据可提醒操作人员注意 UPS、发电机和 IT 机架电路的过载现 象。 对电表数据的趋势分析还有助于实施可预见性维护计划，根据关键性能参数安排维护工作。这类 维护能够减少人员对于系统的手动操作，从而降低人为错误风险。 另外，能通过电能质量电表对配电系统的宕机事件进行详细的根源分析，以降低未来发生同样事 件的概率。断电期间所采集的电气参数数据也可与电力公司共享，帮助他们改进未来的服务。 快速从宕机中恢复快速从宕机中恢复如果发生宕机，电表数据对于缩短宕机事件时长非常重要。根据定义的数据 触发器（如断路器脱扣、ATS 事件、发电机问题、UPS 模块故障等），操作人员会通过短信或 电子邮件（由管理系统等发送）收到重要报警。掌握这些实时数据有助于立即执行应对计划。标 有时间的详细数据便于解决根源问题，使系统快速恢复。 优化维护效果优化维护效果每当维护时，就有面临因人为失误导致宕机的风险。实际上，因人为失误而导致 的宕机约占宕机总比例的 30-50%。确保技术人员在维护前、维护中和维护后能获取准确信息， 对最大限度地减少技术人员人为失误至关重要。 提高资产利用率提高资产利用率出于当前和未来负载的不确定性，以及需要确保冗余性和可用性水平的原因， 过去数据中心常常有大量“过度规划”的资产。电表测量数据和高效管理系统，使得数据中心能 够以较小安全裕量运行，最小化基础设施资产（如 UPS、PDU 等）的投资成本。 降低能源运营成本降低能源运营成本能源成本在数据中心年度运营成本中占有很大比例。量化并跟踪配电基础设 施（如 UPS、变压器、谐波损耗等）的低效率成本，为改进项目提供了必要数据，从而降低能 源运营成本。 向内部和向内部和/或外部客户收取用电费用或外部客户收取用电费用企业数据中心常常想获得“收取”用电费用的能力，或向使 用其IT资源的各部门出具数据中心开支的账单，其中包括这些IT资源以及相应基础设施的用电开 支。同样，托管公司也可能需要跟踪并向每个客户收取能耗费用。要实现这种“收费”流程，就 需要依靠电表来报告能耗乃至能耗级别。这一开支分配流程的准确度取决于基础设施中电表的数 目、类型和位置。一般要求计费电表的误差不超过 1%。欲了解更多有关详细测量方案与基本测 量方案间权衡的信息，请参见第 161 号白皮书如何为IT用户分配数据中心能源成本和碳排 放。 电表级别 在数据中心，有四种常见的电表级别，如图图 11所示。整个测量体系从楼宇级（最高级别）细化至 特定系统或设备的测量级别。 数据中心并非要求所有的测量级别一应俱全 主要取决于测量系统和数据中心基础设施的部署目 的。例如，如果数据中心是为特定目的而建造的专用设施，其目的是测量 PUE，则必须在楼宇 级（数据中心总功耗）和使用终端（对应于 IT 负载的 UPS 输出端或 PDU 输出端）部署电表。 而如果数据中心位于共用设施中（和其它非数据中心租户共用此设施），则 PUE 测量可能需要 在配电柜和电路中部署电表，以便对数据中心专用基础设施进行测量。 1 联邦能源管理计划，最佳测量实践：实现高电力资源效率的指南2011 年 8 月，4.3 节。 部署临时电表进行能 效测量？ 本文主要介绍部署在数据中心 基础设施系统中用于长期、持 续采集和报告数据的永久电 表 永久电 表。 在没有部署永久电表的地点， 临时电表临时电表能够为数据中心操作 人员提供能耗或性能的实时信 息。但必须记住的是，因为 IT 负载、室外环境以及数据中心 制冷模式都会随时间而不断变 化，所以效率也处于不断变化 之中。所有这些因素都会影响 数据中心效率，最终导致数据 中心效率不断变化。 第 154 号白皮书数据中心电 效率测量探讨了数学模型为 何是创建效率管理流程和系统 的关键，以及实时数据中心效 率测量对于确定能效模式参数 的作用。 数据中心电表类型 施耐德电气 数据中心科研中心 第 172 号白皮书 版本 1 4 楼宇级 配电柜级 电路级终端级 永久电表和临时电表 电表分为永久电表和临时电表，电表的选择主要取决于采集数据延续的时长。 临时电表临时电表成本低，如钳式电流探头，可通过一次性点测来定基准、检验性能，或用作故障诊断 工具。当需要在一段时间内测量时，还可能需要用到数据记录器。 永久电表永久电表当需要长期测量用于监测、控制和趋势分析的数据时，安装永久电表的效果更好。在 数据中心应用中，通常在能耗受天气、需求以及运行环境影响的地方部署永久电表。永久电表也 是本文重点讨论的内容。 一般来说，数据中心有七种常见的永久性电表。本节通过文字和插图形式介绍这些装置。 电能质量表 功率表 数字继电器嵌入式电表 电子脱扣器嵌入式电表 UPS 嵌入式电表 PDU/汇流母排嵌入式电表 机架 PDU 嵌入式电表 电流互感器（CT）和电压互感器（PT）是在电表测量系统中十分关键的仪表用变压器。CT 将电 路电流按比例转换为较低的二次电流，输入到电表或保护设备中。PT 将电路电压按比例转换为 较低的二次电压，输入到电气测量或保护装置中。通常，测量系统带有与电表连接的 CT 和 PT。 有些设备在现有环境下比其他设备（如绕线路夹紧的钳式 CT）更容易改进。图图 2 为安装在所测 线路周围的 CT。 资料来源：/wiki/Current_transformer 电表的类型 图 1 测量级别 图 2 CT在测量中的作用 数据中心电表类型 施耐德电气 数据中心科研中心 第 172 号白皮书 版本 1 5 电能质量表 电能质量表除可测量电能、功率、电压、电流、功率因数和频率等电力测量参数的电表外，还能 够监控谐波、电压骤降/骤升和瞬态电压等电气参数。电能质量表是一类高准确度（如误差率 0.2%）、高精度（如每个周期抽取 1024 个数据样本）的装置， 能够提供符合国际公认的电表测量标准（如 IEC 62053-22 0.2S, 1A 和 5A）的详细的工程数据（如波形等）和规范支持（如 IEC 61000 4-30）。 位置：位置：在数据中心中，电能质量表一般用于监控市电主进线和现 场发电机，有时也用于测量 UPS 模块或系统总线的输出端。 应用：应用：电能质量表提供的详细数据可用于电能质量监控（如电压扰动、 谐波）、电费账单核实、电路负载与均衡、能源管理以及维护支持。 优点：优点：电能质量表提供高准确度/精度和高频率数据采集的详细工程数据可用于提高供电质量、 可靠性和正常运行时间。 缺点：缺点：因为所提供的数据详尽，所以电能质量电表的成本高、体积较大，需要专业人员（工程师） 解读数据。 功率表 功率表是指可以测量电能、功率、电压、电流、功率因数和频率等电气参数的仪表。一般而言， 它是一类准确性（如误差率 0.5%）和精密性（如每个周期抽取 32 个数据样本）兼有的电表，符 合国际公认的测量装置标准（如 IEC 62053-22 0.5S）。有些功率表（如支路功率监控器等）的 误差率为 1-2%。 位置：位置：在数据中心中，功率表一般用于监控动力负荷（泵、 冷水机除外）、配电单元（PDU）（干路和支路主进线 和分支线路）、远程配电盘（RPP）（分支线路）、IT 汇流母排（馈线和插接部件），以及 IT 配电板（干路和 支路）。 应用：应用：功率表的常见的应用包括电路负载与均衡、通过 能源管理追踪用电记录、成本分摊/记帐、维护支持（如 提供用于故障诊断的历史数据）以及重要事件报警。 优点：优点：功率表的成本低于电能质量电表，而精度和准确度依然较高。它们的数据集更具针对性， 因而又是较为简单的设备。 缺点：缺点：功率表的准确度低于电能质量表，每周期抽取的样本较少，而且电能质量监控功能也较有 限。 数字继电器嵌入式电表 数字继电器是一类独立安装的保护设备，能够分析配电网络，发现需要通 知操作人员的电气异常事件，并在必要时自动断开电路。许多高级数字继 电器还具有电表功能。常见的电气监控参数包括电能、功率、电压、电流、 功率因数和频率。 位置：位置：在数据中心中，数字继电器一般用于保护中压(MV)馈线、变压器、 发电机和汇流母排。 示例： ION 7650 & PM870 示例： Powerlogic BCPM & iEM3100 示例： SEPAM Series 40 数据中心电表类型 施耐德电气 数据中心科研中心 第 172 号白皮书 版本 1 6 应用：应用：数字继电器的主要功能是用作保护装置，辅助应用包括：电路负载与均衡、维护支持以及 重要事件报警等。 优点：优点：数字继电器嵌入式电表与独立式电表相比，安装和维护成本更低。 缺点：缺点：数字继电器输入电流大，因此电流互感器或 CT（测量电流的组件）准确度不高（一般误 差率为 1%）；此外，数字继电器并非都具有电能质量测量功能，而且它们通常也无数据日志， 增加了数据访问的复杂性和数据丢失的可能性。 电子脱扣器嵌入式电表 电子脱扣器是一类可编程的保护设备，对流经断路器的电流进行测量和计时， 并且在适当的时间发出脱扣信号。它一般集成到低压（LV）断路器中。这类 保护设备能够对配电网络进行分析，发现电路过载和短路现象。电子脱扣器 通常具有电表测量功能，部分高级终端设备还具有电能质量监测功能。 位置：位置：在数据中心中，电子脱扣器一般用于保护低压配电设备（如低压配电 盘、变压器）、发电机和动力负载（如泵、冷水机组）。 应用：应用：电子脱扣器嵌入式电表可用于取代电气基础设施中某些部位的电能质 量电表和功率表；但其主要功能仍是保护设备，而其辅助应用包括：电能质 量监控（如电压干扰、谐波等）、电路负载与均衡、能源管理、维护支持和 重要事件报警等。 优点：优点：与独立式电表相比，嵌入式电表更具成本优势。此外，因为它采用集成设计，所以管理比 较方便。 缺点：缺点：电子脱扣器嵌入式电表准确度不高，它们一般不会提供电能质量电表的全部功能，而且它 们通常也无数据日志，提高了数据访问的复杂度和数据丢失的可能性。 UPS 嵌入式电表 大多数 UPS 都配有嵌入式电表，用于测量各种电气参数，如：输入和输出 端的电能、功率、电压、电流和频率等。 位置：位置：在数据中心中，UPS 用于保护负载免遭市电异常事件的影响。 应用：应用：UPS 嵌入式电表可作为报告数据中心 IT 负载，用于监控 PUE（按照 绿色网格 PUE 分类 1 的规定）。嵌入式电表提供工程数据、输入端电压、 电流和功率，支持损耗计算、电压/频率趋势分析、功率因数计算等。它们也 能用于重要事件报警。 优点：优点：在 UPS 系统中嵌入电表后，就不必在 UPS 的输入和输出端再部署电表，因此节约了成本。 此外，将嵌入式电表用作 IT 负载测量，无需再在靠近负载处安装更多电表，进一步降低了开支。 缺点：缺点：UPS 嵌入式电表的准确度一般未经国家标准验证。此外，UPS 嵌入式电表无法像电能质 量电表那样提供详细数据。从 PUE 计算角度而言，UPS 电源带非 IT 负载（即 CRAH、PDU） 可能会被错误地认作 IT 负载，从而降低 PUE 值的准确度。 PDU 嵌入式电表 配电单元（PDU）、远程配电盘（RPP）和汇流母排负责向整个 IT 机房内的 IT 机柜配电。它们 通常配备不同级别的嵌入式电表。部分 PDU 和 RPP，如图中所示模块化 RPP 所示，具有输出 示例： Symmetra PX 示例： MicroLogic for Masterpact NT/NW 数据中心电表类型 施耐德电气 数据中心科研中心 第 172 号白皮书 版本 1 7 端测量和支路电流/电路监控功能。汇流母排一般在馈线上部署嵌入式电表，而有些则在独立式 插接部件上部署嵌入式电表。 位置：位置：在数据中心中，PDU、RPP 或汇流母排将整个 IT 机房的电能配送到安 放 IT 负载的机柜上。 应用：应用：PDU、RPP 或汇流母排中的嵌入式电表可用于报告数据中心的 IT 负载， 用于监控 PUE（按照绿色电网协会 PUE2 的规定）。主要用于管理功率容量， 避免过载现象、进行成本分摊、改进 PUE 计算和重要事件报警。 优点：优点：与部署独立式电表相比，使用嵌入于 PDU、RPP 或汇流母排中的电表 成本效益高，因为在进行 PUE 报告时无需测量其它 IT 负载。在众多设备中， 这也是一种比较简单的电表测量方法。 缺点：缺点：从 PUE 报告角度而言，由 PDU、RPP 或汇流母排带来的非 IT 负载可能 会在 PUE 计算中被错误地计算为 IT 负载。此外，因为没有对支路进行测量， 所以对单个负载的容量和变更管理不太清晰。 机架式 PDU 嵌入式电表 机架式 PDU 中的嵌入式电表能够对机柜中为 IT 负载供电的各插座进行有效 测量，从而实现能耗优化和详细的容量规划。此外，可通过设置报警阈值来 降低电路过载的风险。电表信息也有助于负载均衡。 位置：位置：在数据中心中，机架式 PDU 用于将机柜的电能配送至 IT 负载设备。 应用：应用：理想的 PUE 报告方法是使用按插座测量的机架式 PDU 计算每个 IT 负载，然后在整个数据中心进行汇总、提供容量和变更管理，以及重要事件 报警。 优点：优点：根据绿色网格的记录表明，这是 PUE 报告最准确的方法。因为它靠 近负载，使用机架级测量提供有助于容量规划和变更管理的信息，并缩短过 载电路的宕机时间。支路监控（如“功率表”一节所述）需要大量映射才能 确定各断路器位置所对应的机柜。而借助机架式 PDU，则构成一对一的关 系，显得更加直观。部分机架式 PDU 还有一项可选功能，能够开关或控制 插线排上的各个插座，提供更多管理优势。 缺点：缺点：与基本型 PDU 相比，计量型机架式 PDU 成本更高（约高出 50%），因而限制了它们的 广泛应用。此外，如果 IT 机房中所有的机柜未全部使用此类 PDU，电表则无法充分显示全部 IT 负载的信息。最后，这些电表一般准确度较低，误差率在 2-5%，而其它上游电表的常见误差率 只有+/-0.5%或+/-0.2%。 用于全面测量数据中心上游配电设备的成本因架构而异。预计每千瓦 IT 负载所需的成本大约在 50 至 230 美元之间，具体取决于测量中压和低压配电系统的全面程度。得出上述成本范围的前 提是： 通过采用嵌入式电表、数字继电器电表和电子脱扣器电表测量，将专用电表的数目减至最 小。 电表测量范围不包括 IT 机房：PDU、RPP、IT 汇流母排或 IT 配电板。这类测量需要“增 加的成本”如下所述。 IT 机房测量一般需要增加以下成本： 电表比较 示例：模块化远 程配电盘(RPP) 示例：计量型 机架式PDU 数据中心电表类型 施耐德电气 数据中心科研中心 第 172 号白皮书 版本 1 8 PDU/RPP 电路测量：每千瓦 IT 负载 20 到 40 美元 低压汇流母排插接设备测量：每千瓦 IT 负载 40 到 90 美元 低压配电板支路测量：每千瓦 IT 负载 20 到 40 美元 机架式 PDU 测量：每千瓦 IT 负载 60 到 300 美元（由于机柜密度对成本影响很大，所以 此成本范围较宽） 表表 2 总结了七种类型的电表，包括它们的用途和成本范围。 电表类型 应用 每块电表安装费用* 电能质量表 电能质量监控 电费账单核实 电路负载与均衡 能源管理 维护支持 5,000-11,000 美元* 功率表 电路负载与均衡 能源管理 成本分摊 / 计费 维护支持 重要事件报警 600-3,000 美元 数字继电器嵌入式电表* 用于中压设备的保护设备 电路负载与均衡 维护支持 重要事件报警 1,200 美元 电子脱扣器嵌入式电表* 低压断路器中的保护设备 电能质量监控 电路负载与均衡 能源管理 维护支持 重要事件报警 600-13,000 美元* UPS 嵌入式电表 工程数据支持 PUE 监控 重要事件报警 含在 UPS 价格中 PDU 嵌入式电表 PUE 监控 电源容量管理 成本分摊 重要事件报警 含在 PDU 价格中 机架式 PDU 嵌入式电表 绿色网格表示其“IT 负载” 测量最准确 负载均衡 机柜级功率容量管理 0.04-0.06 美元/瓦，优于 基本型机架式 PDU * 根据美国市场常规定价，假设电表随配电设备订购并安装在配电设备中 * 向保护设备添加电表测量功能的成本 * 因嵌入式电表功能存在差异，所以价格范围大；低端脱扣器电表是基本型功率表，而高端脱扣器电表是 带断路器诊断功能的电能质量电表 本节将通过三个示例应用来说明测量装置在基础设施中常见的部署位置。图图 3 所示为电表测量位 置的配电架构。 数据中心 测量点示例 表 2 电表的应用用途和 成本比较 数据中心电表类型 施耐德电气 数据中心科研中心 第 172 号白皮书 版本 1 9 表 3 PUE报告示例 示例 1 PUE 报告 在此示例中，测量系统的目标仅提供 1 类 PUE 报告，根据绿色网格的定义，需要市电输入端和 UPS 输出端的 kWh 数据。假设无市电输入端测量，只是配有具有保护功能的继电器，而 UPS 模块具有嵌入式电表测量功能，则可使用表表 3 中的方法： 电源设备 电表类型 测量点 说明 中压配电柜 功率表 市电主进线 断路器 电表一般位于壁装式的柜子中， 还需要 CT 和 PT 来监控 IT UPS A UPS 嵌入式电表UPS 输出端 使用嵌入式电表测量 IT UPS B UPS 嵌入式电表UPS 输出端 使用嵌入式电表测量 中压配电柜 中压变压器 A中压变压器 B 低压主配电柜 A 低压发电机 低压发电机配电柜 低压主配电柜 B 中压市电 IT UPS A机械UPS A机械配电柜A IT 配电柜 A PDU A 母排 A IT UPS B机械UPS B机械配电柜B IT 配电柜 B PDU B母排 B配电柜 B配电柜A IT 机柜 或或或或 图 3 数据中心基础设施示例 单线图 中压配电柜 中压变压器 A中压变压器 B 低压主配电柜 A 低压发电机 低压发电机配电柜 低压主配电柜 B 中压市电 IT UPS A机械UPS A机械配电柜A IT 配电柜 A PDU A 母排 A IT UPS B机械UPS B机械配电柜B IT 配电柜 B PDU B母排 B配电柜 B配电柜A IT 机柜 或或或或 数据中心电表类型 施耐德电气 数据中心科研中心 第 172 号白皮书 版本 1 10 表 4 变压器负载与均衡测量 新方法示例 表 5 变压器负载与均衡改进示例 表 6 IT客户成本分摊示例 示例 2 变压器负载和均衡 在此示例中，测量系统的目的是实时监控功率负载和中压（MV）变压器的三相均衡。该应用需 要测量中压变压器输出端的相（Ia, Ib, Ic）电流（安培）。表表 4 所示为一种新的工程测量方法； 表 ； 表 5 所示为一种改进的测量方法。 示例 3 IT 客户成本分摊 在本示例中，测量系统的目标是根据每个 IT 客户所拥有 IT 机柜的实际能耗和高峰用电量，对 IT 客户的耗能进行计费。假设现有托管设施、IT 配电架构使用外部 PDU（不带电表），需要使用 误差为 1%的收入级计量；测量方法如表表 6 所示所示。 电源设备 电表类型 测量点 说明 低压主配电柜 A 脱扣器嵌入 式电表 市电进线断 路器 位于低压主配电柜 A 的市电进线 断路器是最为经济高效的测量点 低压主配电柜 B 脱扣器嵌入 式电表 市电进线断 路器 位于低压主配电柜 B 的市电进线 断路器是最为经济高效的测量点 电源设备 电表类型 测量点 说明 低压主配电柜 A 功率表 市电进线断 路器 当脱口器无测量功能时，添加电 表、CT,安装到配电盘仪表箱 低压主配电柜 B 功率表 市电进线断 路器 当脱口器无测量功能时，添加电 表、CT,安装到配电盘仪表箱