德国 GMC-I 数据中心电能管理解决方案概述
一、引言
数据中心据有电能需求功率大，电能质量要求高的特点。能源价格不断上涨，数据
中心可靠性逐渐提高均要求企业采用电能管理解决方案，通过测量使数据中心能耗与电
能效率透明化、可视化，寻找节能的潜力和途径，提高电能效率；通过检测电能质量，
抑制谐波，改善用电设备的可靠性，保证数据中心的运行安全。德国 GMC-I 集团提出基
于智能监测与分析控制技术的数据中心电能管理解决方案，通过联网电能测量仪表，采
集分析对当前能耗和能源流状态；通过通信接口，把这些智能化设备集成到更别的
自动化与信息管理系统中，实现数据中心能源管理和监控分析功能，降低电能损耗与能
耗费用，保证电能质量，提高安全可靠性。以下按照电能消耗管理优化和电能质量管理
优化两个方面进行简述。
二、数据中心电能消耗管理
中国 IT 能源消耗占全国每年能源消耗的 5%,而数据中心能耗又占到 IT 总开销的
40%。数据中心能源消耗高、热密度高已成为企业必须面临的两大问题, 为了减少数据
中心能量消耗, 提高数据中心的能效, 绿**格组织（Green Grid）制定了数据中心的能
效比指标, 电源使用效率（PUE）=数据中心的总能耗/IT 设备的总能耗, 传统 IDC 机房
的 PUE=2.0…2.4，节能优化 IDC 机房的 PUE=1.6…1.8.数据中心的能量消耗三大部分
即：IT 设备及网络通信设备、空调设备、变压器及 UPS 供电系统。
数据中心在设计建设阶段可通过选用低能耗服务器、引入刀片式构架、虚拟化及整
合 IT 系统、降低存储器功率，优化空调设备耗能策略，采用率供电系统等措施实现
能耗优化；对于已经运行的数据中心，优化的手段往往通过监控能源流向、分析节能潜
力从而提出能耗改善的优化策略。
德国 GMC-I 数据中心能源管控方案采用“采集层-集成层-系统管理层”的三层技术架
构，系统拓扑结构如下：采集层：通过安装在现场的智能数据采集仪器记录能源使用的实时信息，智能仪表
具有 RS232、RS485 接口或 Ethernet 接口，符合 MODBUS、M-BUS、TCP 等通讯协
议，通过集成层实现联网。例如：以 Aplus 为代表智能数采仪可以获取和控制实时系统
状态、监控操作运行状态、实现在线电能质量分析、判断负荷分布与能量需求、侦测系
统负荷变化等功能。
集成层：通过 SMARTCONTROL 获得所有的能量和消耗数据，储存到中央数据库，
通过内部网或互联网接入提供分析。SMARTCONTROL 可以获取能量和消耗数据以及温
度、开关状态和过程变量；可以实现错误信息管理，对特侦值不间断比较，通过开关状
态输出故障指示，以 e-mail、SMS（短信）或网络方式传输信息；对于发生预定义事件
后，控制程序定时器及继电器进行开关动作。
系统管理层：通过 ECS 能源管控系统使管理者及时发现能源使用问题，使数据中心
能源管理从定性分析向定量分析的转变，节省企业的电费支出。例如通过监测，优化满
足机房设备制冷的空调使用标准，将机房温度测试点定在送风口处，平均每提高回风温
度 1℃制冷效率将提高 3%；通过与中央空调控制系统数据交互, 能够根据机房环境和湿
度的变化随时对空调的运行进行调节和整体监控, 来提高制冷系统效率；通过提高功率
因数,, 对供电系统实行无功功率补偿, 既可改善电压质量, 提高供电能力, 更能节电降耗。
总体而言，建立德国 GMC-I 数据中心能源管控系统可实现以下目标：
1、提供能源消耗的可视化，对能源消耗数据在线采集与记录，全面了解能源现状及
损耗所在。
2、找到能源管理中的薄弱环节，制定节能规划，使企业能够优化能源计划。
3、实现单体设备的能耗数据分析，协助管理者分析决策，提供能耗预测。
4、结合数据中心所在大楼的其他用电设备，通过优化能源输入，平滑负荷曲线，降
低电费支付成本。
5、不断优化和改进企业对数据中心能源的管理和利用能力，降低能耗消费，减少生
产成本，减少排放，在提高企业竞争力的同时, 节约资源、保护环境。
三、数据中心电能质量管理
为保证数据中心系统供电的高可靠性，企业数据中心普遍采用了市电、自备发电机
组和 UPS 电源三种供电电源互可自动切换的供电模式。目前，数据中心存在市电单回路
供电、自备机组应急启动响应可靠性不很高、供电系统与动力系统等其他用电负荷的供
电电源无电气隔离、非线性负荷快速增长、谐波含量不断增加、浪涌侵入抑制措施未完
善、用电损耗高等诸多问题。另一方面，随着企业信息系统的发展，电网中精密电气设
备不断增多,对供电电源的供电可靠性和供电质量的要求日趋严格。数据中心供电电源质
量劣化和精密电气设备高电能质量要求之间的矛盾已逐步上升为主要矛盾,电能质量问
题也成为数据中心电源建设关注的一个重点，迫切需要对数据中心电网的电能质量进行
监测、谐波进行抑制、电源可靠性进行改善以及用电进行节能改造。
以银行数据中心为例，其电源系统由市电供电，一般配有 UPS 电源和电容器等静态
无功补偿装置，因此，频率偏差、电压偏差、功率因数这三大传统电能质量问题已经基
本具有了较好的技术解决措施。但是，由于大量的非线性电力电子装置以及冲击性、波
动性负载的使用，谐波、电压缺口、短时电压变动、电压波动与闪变对银行信息系统安
全的危害性日趋明显，又由于银行信息系统对电磁暂态（分为暂态振荡、暂态脉冲）又
称浪涌的敏感性，雷电通过电源系统等途径侵入银行信息系统核心设备计算机机房的危
害性进一步增大。

德国 GMC-I 集团子公司美国 DRANETZ，作为电能质量管理的行业，结
合美国多个大型数据中心的电能质量管理实践，提出数据中心电能质量优化方案，主要
包括以下 4 个部分：
1、电能质量的监测与分析
高精度、多功能的在线式电能质量监测仪，实时记录、监测整个配电网的电能质量
状态。监测数据为制定电能质量治理方案提供数据支持，监测仪的故障录波功能，可以
记录电能质量事件发生时刻电网电压电流实时波形，为后续故障分析提供依据。同时配
电网电能质量优化的效果也需要电能质量监测系统记录数据进行分析和评估。
2、电能质量的优化
数据中心的负载侧加装隔离变压器，可阻隔照明负荷、办公负荷（计算机）的频繁
启动产生的冲击，内外因素产生的浪涌、非线性负荷的谐波等干扰及电网干扰侵入银行
信息系统，隔离谐波及电网干扰对银行信息系统安全性构成的威胁，提高银行信息系统
安全性。
3、电能质量就地治理
计算机、UPS、照明、空调等非线性负载都将对电网产生谐波污染。就地配置有源
电力滤波器可有效地优化非线性负荷产生的谐波和无功，从而改善配电网用电设备的用
电环境，提高信息系统的供电可靠性。
4、安全防护和节能措施
银行信息系统的电源侧采用电压瞬变、浪涌的防护器件的节能保护器, 通过压平峰
值电流保护节电原理、缓冲吸收保护原理、无用功转化为有用功节电原理的综合运用，
达到使电压瞬变和浪涌被有效吸收,从而提高信息系统的可靠性、安全性和节能的效果。
DRANETZ 电能质量管理方案成功应用在位于纽约市的德意志银行数据中心。该中
心选用了由主流厂商提供的三个关键的 UPS 系统，两个静态 UPS 系统正常使用，一个
备用。2012 年 2 月 19 日午夜过后不久，数据中心发生了 3.3 秒源自外部电网的电压跌
落。跌落的幅度达到额定电压 480V 的 75%，造成了高层建筑电梯控制器的损坏。虽然
关键系统没有受到明显的影响，无论是 UPS 或是其他系统都没有任何报警，但电能质量
管理系统表明实际情况相当严峻。

该系统拥有针对 UPS 的性能验证功能的应答模块，模块报告其中一个 UPS 发生了
电压聚升，与跌落电压恢复常态的曲线一致。期间峰值电压达到 520V，是额定电压的
107%！电压过限可能损坏计算机和电能供应，甚至导致关键系统故障。通过系统，这种
潜在的严重问题在系统出现故障或停机之前及时被发现。通过联系 UPS 供应商后确认
UPS 控制面板存在问题及时并进行了维护更换，隐患解决。如果电能质量管理系统没有
主动发现问题，该 UPS 系统可能引起灾难性的故障并导致停机，造成该银行的重大财务
损失。
四、项目实施
数据中心电能管理系统的能耗管理优化与电能质量优化可以独立实施，也可以综合
应用，总体而言是一个持续改进的过程。主要实施流程如下：
? 调研与信息化
从能源接入点开始，按能源路径查清用能设备的容量、型号、性能参数；在现场关
键位置安装测量装置，获取负荷曲线，实现能源流向可视化，找到用能过程中的问题和
不足。
? 诊断分析
找出能耗问题是客观限制还是人为原因，通过仪器监测和现场测试，结合系统日常运行状态，量化分析企业节能潜力和电能质量提升空间。
? 优化改进
针对能耗问题和电能质量制定整改规划，提高能源利用率，挖掘能源潜力。
? 节约完善
通过实施能耗管理与电能质量管理系统，不断优化和改进数据中心对能源的管理和
利用能力，降低电能损耗与能耗费用，保证电能质量，提高安全可靠性。
五、应用
德国 GMC-I 集团能源管控系统在沙特利雅得智慧城市项目、奥地利铝箔厂、德国图
林根钢铁厂、美国德意志银行等多个企业得到应用。从这些企业实行能源管理的效果看,
通过有效的能源管理可以实现 5%~15%的节能效果，有效避免电能质量带来的问题，在
提高企业竞争力的同时, 也为节约资源、保护环境作出贡献。