IDC机房谐波的治理与远程监控

IDC机房谐波的治理与远程监控

王杰

浙江省建筑设计研究院   浙江杭州  310006

摘要：IDC机房存在诸多谐波污染源，谐波有哪些危害、如何对谐波进行治理，并与常用谐波治理方式的比较，阐述了有源滤波器的特点和优势。通过有线或无线物联技术，可实现对不同IDC机房谐波治理的的远程监管，实时了解IDC机房的电能质量情况。

关键词：IDC机房；UPS不间断电源；谐波危害；谐波治理与远程监控

一、概述

IDC（Internet Data Center）机房是专门为网络数据存储、处理和传输而设计的数据中心。IDC机房通常由一系列服务器、存储设备、网络设备、电力设备、空调设备等组成，为企业、组织、政府等客户提供网络托管、云计算、数据存储等服务。

IDC机房的主要功能是提供可靠、高效、安全的数据存储和传输服务。在IDC机房中，数据被存储在服务器和存储设备中，并通过网络设备进行传输。这些设备需要不间断运行以保证数据的可靠性和安全性。为了确保设备的稳定运行，IDC机房通常采用多层次的备份和容灾措施，以保证数据不会因为设备故障或其他原因而丢失或泄露。

UPS不间断电源是保证机房用电可靠性的重要设备，机房低压配电系统主要负载还有开关电源、变频空调等。这些设备在保证机房数据安全及运营的同时，其本身确会产生大量谐波注入电网，对系统线路造成谐波干扰。

如何对机房设备产生的谐波进行有效治理，并对各IDC机房的电能质量进行实时的监管，是当今IDC机房建设及运营环节，需要研究的课题。

二、IDC机房产生谐波的负载设备

在配电系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。谐波电流值和电源内阻越大，谐波所造成的电压波形失真也就越大，所造成的危害也越大。

IDC机房中大量使用UPS不间断电源、开关电源及变频空调等非线性设备，这些设备在工作过程中产生大量谐波电流，会给数据中心的配电系统造成严重的谐波污染，谐波含量过高不仅影响数据中心的配电系统安全运行，而且会引起数据中心设备的不稳定，甚至造成设备故障。不同厂家的设备产生谐波电流含量有较大的差异，但普遍都偏高，THDI(电流总谐波畸变率)甚至超过了50%。5次、7次、11次谐波严重，有时也含有较大份量的3次谐波，并且这些谐波源设备的位移功率因数极高。

由于IDC机房中有大量的用电负载，选用的UPS不间断电源一般为中大型功率的三相UPS。其整流电路通常采用晶闸管相控整流电路，常用的整流电路有三相全桥6脉冲整流电路和六相全桥12脉冲整流电路等。

对于6脉冲全波整流滤波型的非线性负载而言，在它所可能向输入电源反馈的各种电流谐波中、仅包含6n±1(n为正整数)的电流谐波分量,它并不含3次谐波及3次谐波的奇数倍的电流谐波分量，5次谐波是它的最大电流谐波分量。其它的各种高次谐波电流的幅值是随电流谐波的频谱次数n的增加而下降的。也就是说，n次电流谐波的频率越高，它的幅值就越小。

三、IDC机房谐波电流的危害

1、对机房各类电子设备的干扰

信息、数据、通信、监控系统的工作电压和信号都属于弱电系统，很容易受谐波干扰，从而造成系统死机、控制失常、停机，严重情况会丢失实时数据。

2、导致意外跳闸

由于谐波的干扰，容易引起高、低压配电设备的进线断路器掉闸，造成整个系统停电而无法工作。也就是电路的负荷远没有达到额定负荷的状态下，电路保护装置就会动作。尽管有备用电源UPS，但由于谐波影响，UPS无法满足工作需求而造成损失。

3、导致配电系统电缆发热

谐波电流流过电缆时，会导致电缆过热。导体过热会导致电缆早期老化、甚至诱发火灾。

4、导致变压器过热

谐波电流流过变压器时，会导致变压器发出额外的热量，使变压器在没有达到额定功率时便出现温度过高的现象，导致变压器的实际容量降低。过高的温度会缩短变压器的寿命。

5、导致变无功补偿装置损坏

电力电容器的容性阻抗特性，以及阻抗和频率成反比的特性，使得电容器容易吸收谐波电流而引起过载发热；使电容器发热导致绝缘击穿，发生电容炸裂的故障增多。

电容器和电力系统中的感性元件也能形成谐振电路，如果这个谐振回路的频率等于或接近系统中某次谐波分量的频率，就会产生谐振，同样造成过电压、过热。

6、三次谐波的危害

数据机房内非线性负载会产生大量的3次谐波，3次谐波属于零序谐波，零序谐波的一大特点是相位一致，导致三相的零序谐波会叠加到N线上，使得N线上的电流严重超过N线的载流量，最终过热融化，引发火灾。

7、对测量仪表的影响

如果加于各类测量仪表的电压、电流的波形为非正弦波，使工作磁通的波形变为非正弦波，任何非正弦波均可分解为一系列高次谐波，同频高次谐波磁通之间相互作用会产生附加力矩，因而引起附加误差，甚至造成计量混乱。

四、谐波治理技术与方案

（一）谐波治理的技术

谐波治理的措施主要有三种：一是主动治理，是指从谐波源本身出发，通过改进用电设备，使其不产生或少产生谐波；二是受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰能力；三是被动治理，通过安装电力滤波器，阻止谐波源产生的谐波注入电网，或者阻止电力系统的谐波流人负载端。

与无源滤波器相比，有源滤波器具有高度可控制特性，并且能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功功率，能独立于电网阻抗及系统阻抗之外，不受电网阻抗和系统阻抗变化的影响，无谐波放大危险，相对体积重量较小等突出优点。综上所述，在通信供电系统中，应在电路解谐的基础上，首先考虑使用有源滤波器进行治理。

（二）UPS谐波治理方案

1、概述

根据哪里产生谐波，就在哪里治理的原则，就地治理，能取得较好的治理效果。可选择在UPS回路的输入端，加装有源滤波器，治理位置见下图：

有源滤波器系统主要由两大部分组成，即指令电流检测电路和补偿电流发生电路。指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反极性作用后发出补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路。这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波的目的。根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。

2、有源滤波器远程监控运行控制方式

（1）手动控制：滤波器的启停由“启动/停止”触摸按钮控制。

（2）自动运行：滤波器上电自检通过后，自动启动。

（3）远程遥控：通过接点信号控制设备运行。

（4）通信遥控：通过RS232/RS485接口、TCP/IP网络接口，或无线网关实现对设备的启停控制及运行状态监控。

五、谐波治理的远程监管

为了能够实现对现场参数的有效实时监控，以及对有源滤波器进行可靠的远端监测与控制，通过加装数据转换模块及无线网关，对有源滤波器进行系统组网。该组网模式可将各台有源滤波器中的运行数据进行显示与数据物联，使得管理人员对各IDC机房的电力系统各项参数的观测简单、高效。数据转换模块的DSP处理器负责对有源滤波器的电力参数的采样与调节，并且根据需要，实时将系统运行参数传输给HX模块。

HX模块在整个数据传输中起着中转站的作用，现场操作人员通过HX模块输入的数据可以直接通过RS-485总线传输给DSP，而DSP可以将数据回送给HX模块显示在液晶屏上；对于远端的终端操作人员而言，终端发送的命令和数据，要首先经由终端一侧的RS-485总线传输给HX模块的串口1；HX模块再将该数据通过串口0转发至DSP，而DSP回送的数据先发至HX模块的串口0，然后HX模块再通过串口1发送给上位机终端。两个串口彼此独立，任何一个串口所接收到的数据包有错误，都会自动丢弃该包，不会将损坏的数据包通过另外一个串口发送，从而确保了数据传输的可靠性。

（1）远程监控示意图：

（2）通信硬件连接：

有源滤波器通过设备的人机界面与远程上位机通信。触摸屏采用嵌入式低功耗CPU为核心的高性能嵌入式一体化工控机，物理接口有RS232/RS485接口、USB数据接口、TCP/IP网络接口，可满足不同连接方式的需要。

采用主从通信方式，上位机为主机，有源滤波器为从机，通过RS232/RS485接口监控时，通讯协议为ModbusRTU协议，实现主机与有源滤波器通讯连接。

若采用以太网接线通讯，只需分配给有源滤波器设备的IP地址、子网掩码、默认网关等参数，就可实现网络传输，进行远程数据传输及监控。

六、总结

诸多实际案例可知，在IDC机房负载侧加装有源滤波器APF，可有效地消除UPS不间断电源、开关电源、变频空调等非线性负载所产生的谐波。

通过有线或无线组网通信技术，设置远程通信监控模式，极大地方便了系统管理人员对不同IDC机房系统的电能质量情况的监控和管理，具有良好的应用效果。

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