供电系统对数据中心节能的探讨

供电系统对数据中心节能的探讨

区梅

中通服中睿科技有限公司（520000）

摘要：随着“新基建”进程的不断推进，数字化转型升级进度加快，数据中心作为未来经济社会发展的战略资源和数字基础设施，在迎来爆发式增长的同时，其算力不均衡、能耗高、精细化管理不足等问题凸显，数据中心高质量发展战略已成为全行业深化数字化转型的时代机遇。

关键字：数据中心、供配电、节能

引言

关于数据中心的高能耗问题，国内不同研究机构给出的年能耗值不尽相同，部分研究机构预测未来十年，国内数据中心耗电量将翻倍。事实上，随着数据中心节能新技术的应用，尽管算力需求持续高比重增长，未来的数据中心的高耗能、高碳排放的情况未必会到达如此高的水平，但这并不意味着IT行业和决策者可以高枕无忧。数据中心的绿色节能低碳发展依然是值得关注的重点课题。

1、什么是“绿色”的数据中心

绿色数据中心旨在取得最大化的能源效率和最小化的环境影响，一般来说，包括数据中心的性能效率、环境影响、资源整合与能源统筹等方面。性能效率是基本要求，高可靠性的数据中心需要满足GB50174《数据中心设计规范》中A级数据中心的要求。一方面要保持数据中心无故障持续运行，另一方面数据中心的IT系统、制冷、照明和电气系统能够保持稳定高效率运作。环境影响主要指数据中心在正常生产运行过程中对外部环境所带来的影响。在建筑规划和建设阶段，应结合建筑的使用功能和规划定位，对项目进行包括大气、水、土壤、声、固体废弃物和生态的综合环境影响评价。资源整合主要考察数据中心建设过程中的材料选择、建造技术、设备或材料回收和可再生利用率及产品包装等方面。能源统筹侧重于数据中心运营后的能源管理、节能措施等方面。在现阶段，绿色数据中心的评价主要是考虑其性能效率，兼顾数据中心运营后的能源统筹，提高整体能源使用效率。数据中心由于存在高发热元件散热瓶颈、资源利用率和能源效率低“三大难题”，所以其绿色节能亦非常重要，从国家到地方层面都对数据中心的能耗进行了引导和限制。

2、产品节能技术

2.1数据中心智能小母线

近年来，随着数据中心建设的快速发展和更高需求，智能小母线系统逐渐被应用于机房的末端配电中，具有电流小、插接方便、智能化程度高等特点，即插式插接箱给各个机柜内的PDU分配电。始端箱和插接箱内可设置监测模块，将数据上传至动环监控中心。相对于传统的列头柜配电模式，智能小母线系统具有以下优势：

2.1.1高度的灵活性

小母线部署简易快捷，仅需将母线槽安装到所有的预期机柜上方（无论是否是现在部署的机柜还是远期规划的机柜），即可完成部署，可以依据用户的进驻实现即需即安装的安装安排。

2.1.2投入快，施工周期短

部署母线系统只需10-15天就可以完成一个机房的交付，相比列头柜加线缆模式（电缆桥架安装，电缆裁剪铺设，电缆对接等多个繁琐工序）可以节省1/2-2/3的时间。

2.1.3安全性高、使用寿命长

小母线主要结构为“铝合金外壳+B级及以上绝缘护套+铜母排”，使得整个输电干线的电气稳定性（包括短时耐受电流、过载能力）更强，整条母线系统的散热性极好，有效防止因热量堆积造成的短路隐患，较大程度提高了使用寿命。母线使用寿命在30年左右，而电缆使用寿命一般在10-15年。

2.1.4增加机房的利用率和收益

采用母线方式后原列头柜的位置可增加配置1个IT机柜。可增加5%-10%左右的IT机柜数量。按一个机房1000个机柜为例，如需要50个列头柜，采用母线后机房IT机柜可达1050个，每个机柜租赁利润2万/年计算，可增加年利润100万。

2.2高压直流电源

高压直流电源作为一种新型数据设备供电电源，难免会与传统的UPS作一个比较，处在同一个配电环节，高压直流系统相较于传统UPS系统，主要有以下几点优势。（1）高压直流系统具有模块休眠功能高压直流系统可以根据负载需求开启合适的工作模块数量，提高工作模块的负载率，多余的模块处于休眠状态，使全程工作在经济的负载率下，提高系统的效率。（2）直流并联不存在环流、同步、相位等技术问题控制相较于UPS系统更简单，且并机系统简单可靠，可灵活扩容，稳定性和可靠性都相应提高。（3）系统的整流模块数量为冗余配置，任一模块发生故障，也不会对负载供电造成影响。（4）高压直流不存在输出带不平衡负载的问题，传统UPS存在三相不平衡问题，需要做负载均衡。（5）电池直接挂接在直流母线上，没有电能转换损失，当高压直流系统挂掉，蓄电池也可以为设备供电。（6）高压直流系统采用模块化热插拔设计，运维方便快捷。在数据中心的高压直流供电系统设计中，我们需要根据数据中心重要性等级、可靠性、业主的需求、工程建设经济性、现场实际情况等因素选取适合的架构。

2.2机柜级别的节能优化技术

机柜级的节能技术主要包括：依据业务量、业务类型等引起的负载变化，进行功率的自动调整；采用完善的供配电方式，提升单机柜功率密度；提升计算密度，统一供电和共享散热管理等技术措施。根据英特尔的实测数据显示：使用机架备用电池消除计划外峰值功耗，可将服务器上架率提高20%~30%。提升计算密度，通过增加母线电压，适应大功率机架之需，可将电源效率提高2%，并提升机柜空间利用率，来综合提升能效。模块化设计贯彻绿色节能理念，实现统一供电、共享散热管理。液冷冷板式散热，搭配专业冷媒，覆盖CPU、内存等主要部件，整机PUE低至1.1，且能够极大降低总体拥有成本。进行处理器功率控制调优，和根据业务负载自动调整功率，以及基于英特尔的开放处理器微代码，调整主板与处理器电压等举措。实践表明，这一方案显著性提升了功率密度，可支持高达20kW的单机柜功率密度，实现算力的有效提升，即使采用纯风冷，PUE也可内控保持在1.2以下。

3、优化照明系统照明

在设计中，首选高效节能的LED光源。例如，监控室和走廊区域使用LED灯带和LED射灯，以确保使用寿命长、运行稳定和整体美观。在确保工作表面的视觉要求和照明质量不降低的前提下，照明节能努力减少照明系统中的光能损失。主要措施包括：充分利用自然光源、选择节能灯具、合理选择照明控制方式、选择低能耗光源的电气附件、使用太阳能光源等。

3.1利用自然光源

充分合理地利用屋顶和立面自然光使之与室内人工照明有机结合，降低人工照明电能，是照明节能的重要措施。

3.2照明控制方式

室内照明系统的智能化控制和自然光的使用：当自然光可以被使用时，尽可能地关掉不需要的能源。各公用区域均采用集约化的控制模式，方便分区、分回路、分段控制；在外窗附近安装了红外线感应控制开关和节能器。当现场所有人都装有控制开关时，红外或超声波感应器会发出信号，使电灯自动开启；而在离开地点一段时间后（可设置时限），没有人进入，红外或超声波感应器会发出信号，并将其关掉。其他地点在回程中多设控制点，主要是以分散式控制为主；在楼梯间安装了声控开关.

3.3使用太阳能光源

该项目的照明设备将采用太阳能路灯，白天利用太阳能板将光转化成电能，储存于蓄电池中，夜间由控制器提供的 LED灯泡发出的光。太阳能路灯是一种新型的节能产品，它不仅具备了太阳能的转换功能，同时还结合了 LED的最新技术，可以实现更加节能、绿色的目的。

4、从组织层面提高能效

基于数据中心能耗分析工具对各设备、系统运行状况及能耗情况等数据信息的监控、分析和预测，及时发现问题，并制定精确的高效节能控制策略，依靠能耗分析工具的控制功能开展控制策略的实施，实现全面监控、精准预测分析和控制的全链条能耗管理策略。

在数据中心业界广泛使用CQC8302-2018《数据中心基础设施运行与维护评价技术规范》中对能效管理有如下要求：
1）制定能效管理制度，明确能耗数据的采集要求、采集方法及频率，通过采集的数据进行系统分析，分析内容包括但不限于：

统计分析数据中心整体用电量变化情况；

a.统计分析数据中心日耗电量及日平均耗电量情况；b.统计分析数据中心能耗组成及占比；c.统计分析数据中心月度能效指标变化情况；d.统计分析UPS系统自身能耗变化情况；e.统计分析空调暖通系统能耗变化情况；

2）统计分析数据中心耗水量变化情况（风冷系统选择不适用），了解对IT设备运行特征的状况：

a.是否对数据中心基础设施所承载地到机柜颗粒度的IT设备运行峰谷期进行分析和了解；b.是否与客户或用户相关部门做好沟通，针对高密度IT负载的部署做出预测，并制定相关应对方案。

3）具备管理气流组织的能力，包括但不限于：

a.应封堵设施建筑所有可能的漏风口，维持设施的正压；b.应疏导设施内气流的流向、封堵所有可能的漏风口、对机柜内所有空闲U位安装盲板、关闭不必要的出风口、保证冷空气的最佳使用效率。

3）定期进行能耗分析会议，不断完善及优化能耗管理策略。

上述能效管理要求，如果采用手工的方式进行操作，将极大耗费人力，且很难持续符合要求，英特尔的数据中心能耗分析工具能够协助数据中心运维人员持续满足CQC8302-2018《数据中心基础设施运行与维护评价技术规范》的要求。数据中心项目级别的能效管理，需要与组织的能源计量体系和能源管理体系结合在一起，融入数据中心运维体系之中，充分融合数据中心能耗分析工具和运行维护体系融合，在保证数据中心安全运行的基础上，不断寻求节能潜力，采用各种创新技术，提高整体的能效水平。

结束语

在大力建设数据中心的同时，注重节能低碳绿色技术的研究和应用，同时节能低碳技术需要与管理有机融合，共同驱动数据中心的高效节能。“三分建设，七分管理”已经是数据中心行业的共识，通过数据中心智能小母线、高压直流电源、机柜级别的节能优化技术和优化照明系统照明设计等节能技术的应用，配合精细化的运行维护管理，最终实现数据中心的绿色节能。

参考文献

[1]郭卫农，面向新一代绿色数据中心的高效节能HVDC供电系统装备.浙江省，杭州中恒电气股份有限公司，2020-07-21.

[2]陈冀生，张广明.数据中心供电系统的节能设计[J].智能建筑与城市信息，2014(02):43-51.DOI:10.13655/j.cnki.ibci.2014.02.011.

[3]王其英.模块化数据中心与节能供电系统[J].智能建筑与城市信息，2013(11):30-32.DOI:10.13655/j.cnki.ibci.2013.11.010.