数据中心大工业用电盈亏平衡分析

邵正忠

（中国电信股份有限公司南京分公司，江苏 南京210008）

0 引 言

工业和信息化部、电监会等五部委联合发文明确“数据中心，符合大工业用电条件要求的可执行大工业用电电价”（见工信部联通〔2013〕13号）。但是通信企业对大工业用电的计费方式不是太了解，选择何种计费方式、在何种情况下采用大工业用电节省电费显得尤为重要。

1 大工业用电计费规则

大工业用电一般采用“两部制电价”，就是将电价分为基本电价和电度电价两部分，计算电费时将按用电容量乘以基本电价和按电量乘以电度电价所得的电费之和作为总电费的计算办法。即：

基本电费＝用电容量×基本电价；

电度电费＝电度电量×电量电价；

电费＝基本电费＋电度电费＝用电容量×基本电价＋电度电量×电量电价。

其中，用电容量有两种选取方式，一种是按受电变压器容量（即变压器容量）计取，称为容量计费；一种是按企业用电最大需量计取，称为需量计费。计算时两者选其一。电度电量指电度表计量的电费，每月按表读数。

采用需量计费时，若需量不足容量的40%，按40%计取。

基本电费与电量电费各省市不一致，下面举例分析时以南京市的电价为例，如表1、表2所示。

表1 电量电价（单位：元／度）

表2 基本电价

2 大工业用电方案

为了比较不同大工业用电方案的优劣及其适用场景，分别采用不同的模型进行分析。

以下为分析的已知条件：

A．假设总负载（含空调）是一个相对恒定的负载X，单位kva；

B．假设月峰段平均PUE＝月平段平均PUE＝月谷段平均PUE；

C．假设功率因数为0．95；

D．变压器容量为Y，单位kva；

E．负载系数η＝X／Y；

F．月计算天数为30。

2．1 采用容量计费（非机房类负载为0）

假设非机房类负载为0；则：

未采用大工业用电时：

月电费1＝X×0．95×0．867×24×30；

采用大工业用电容量计费时：

月电费2＝X×0．95×1．112×8×30＋X×0．95×0．667×8×30＋X×0．95×0．322×8×30＋Y×30；

若，节电费＝月电费1－月电费2＞0，则η＞26．3%；

节电率＝1－月电费2／月电费1＝19．22%－5%／η＜14．22%。

采用容量计费（非机房类负载为0）节电率见图1。

图1 采用容量计费（非机房类负载为0）节电率

结论：采用容量计费，当负载率大于26．3%时，采用大工业用电节省电费。满载时，节电率最大为14．22%。

2．2 采用需量计费（非机房类负载为0，未进行市电切换）

假设：非机房类负载为0。最大需量自动采集。对于两路市电母联供电的场合，未开展市电倒换由母联带全部负载。则：

未采用大工业用电时：

月电费1＝X×0．95×0．867×24×30；

采用大工业用电需量计费时：

当η＞40%时，

月电费2＝X×0．95×1．112×8×30＋X×0．95×0．667×8×30＋X×0．95×0．322×8×30＋X×40；

节电费＝月电费1－月电费2＞0，恒成立。

节电率为：12．48%。

当η＜40%时，

月电费2＝X×0．95×1．112×8×30＋X×0．95×0．667×8×30＋X×0．95×0．322×8×30＋Y×40%×40；

若，节电费＝月电费1－月电费2＞0，则η＞14．0%；

节电率＝1－月电费2／月电费1＝19．22%－2．7%／η＜12．48%。

采用需量计费（非机房类负载为0，未进行市电切换）节电率见图2。

结论：不考虑市电倒换造成需量增加一倍时的情况，需量占变压器容量大于14%，采用大工业用电节省电费。负载系数大于40%时，节电率始终为12．48%。

2．3 采用需量计费（非机房类负载为0，考虑市电切换）

假设：非机房类负载为0。最大需量自动采集，对于两路市电母联供电的场合，考虑开展市电倒换由母联带全部负载，需量增加一倍的情况。则：

图2 采用需量计费（非机房类负载为0，未进行市电切换）节电率

采用一般用电时：

月电费1＝X×0．95×0．867×24×30；

采用大工业用电需量计费时：

当η＞20时，

月电费2＝X×0．95×1．112×8×30＋X×0．95×0．667×8×30＋X×0．95×0．322×8×30＋2×X×40；

节电费＝月电费1－月电费2＞0，恒成立。

节电率为：5．73%

当η＜20%时，

月电费2＝X×0．95×1．112×8×30＋X×0．95×0．667×8×30＋X×0．95×0．322×8×30＋2×Y×40%×40；

节电费＝月电费1－月电费2＜0，恒成立。

节 电 率 ＝1－月 电 费 2／月 电 费 1＝19．22%－13．49%／η＜－48．23%。

采用需量计费时（非机房类负载为0，考虑市电切换）节电率见图3。

图3 采用需量计费（非机房类负载为0，考虑市电切换）节电率

结论：采用需量计费时，考虑到市电倒换造成需量增加一倍时的情况，负载系数大于20%时，节电率始终为5．73%。负载率低于20%时，采用大工业用电不节省电费。

2．4 需量与容量比较（非机房类负载为0，不考虑市电切换）

假设非机房类负载为0，最大需量自动采集。对于两路市电母联供电的场合，未开展市电倒换由母联带全部负载。

容量计费时：

月电费1＝X×0．95×1．112×8×30＋X×0．95×0．667×8×30＋X×0．95×0．322×8×30＋Y×30；

需量计费时：

当η＞40%时，

月电费2＝X×0．95×1．112×8×30＋X×0．95×0．667×8×30＋X×0．95×0．322×8×30＋X×40；

若，月电费2＜月电费1，则η＜75%；

当η＜40%时，

月电费2＝X×0．95×1．112×8×30＋X×0．95×0．667×8×30＋X×0．95×0．322×8×30＋Y×40%×40；

月电费2＜月电费1，恒成立。

结论：在容量计费与需量计费方案比较时，不考虑市电切换造成的需求倍增，当负载系数低于75%时，采用需量计费比容量计费节省电费。

图4 需量与容量比较（非机房类负载为0，不考虑市电切换）

2．5 采用需量计费（非机房类负载不为0，不考虑市电切换）

假设最大需量自动采集，不考虑市电切换时需量增加一倍的情况。

非机房类负载＝αX，单位kva。其中α为非机房类负载系数。

机房类负载＝（1－α）X，单位kva。

则：

采用一般用电时：月电费1＝X×0．95×0．867×24×30；

采用大工业用电需量计费时：

当η＞40%时，

月电费2＝（1－α）X×0．95×1．112×8×30＋（1－α）X×0．95×0．667×8×30＋（1－α）X×0．95×0．322×8×30＋αX×0．95×24×30×0．867＋X×40；

节电费＝月电费1－月电费2＞0，恒成立。

节电率＝12．48%－19．22%α；

当α＝20%时，节电率为8．64%。

当η＜40%时，

月电费2＝（1－α）X×0．95×1．112×8×30＋（1－α）X×0．95×0．667×8×30＋（1－α）X×0．95×0．322×8×30＋αX×0．95×0．867×24×30＋Y×0．4×40；

若，节电费＝月电费1－月电费2＞0，则η＞14．04%／（1－α）；

节电率＝19．22%－19．22%α－2．7%／η；

当α＝20%，η＝30%时，节电率为6．38%。

结论：总电量中当非机房类负载较大时，会降低节电率。若办公电费占到20%，节电率下降3．84%。

图5 采用需量计费（非机房类负载不为0，不考虑市电切换）节电率

3 结 论

综上所述，可得出如下结论：

（1）数据中心一般采用双路市电供电。当初期负载较低时，采用大工业用电并不经济。

（2）非通信负荷占比较高时，会影响节电率，要将非通信负荷减少到最低，必要时可以从供电公司单独引一路市电。

（3）在容量计费与需量计费方案比较时，不考虑市电切换造成的需量倍增，当负载系数低于75%时，采用需量计费较经济。考虑到电池充电及空调冗余，一般通信负荷低于75%，适用于此场景。

（4）对于双路供电带母联的系统，考虑到市电切换造成的需量增加，负载系数大于20%时，节电率始终为5．73%，整体节电率有所下降，一年中建议减少市电带负载倒换频次。负载系数低于20%时，不宜带负载切换。