王小穩(wěn)

（廣東郵電職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州 510665）

0 引 言

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和普及，與之相關(guān)聯(lián)的垂直行業(yè)應(yīng)用都將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。5G的大帶寬、低時延特性只能解決這些海量數(shù)據(jù)的傳輸問題，而這些數(shù)據(jù)的計算、存儲等都會對現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的容量和處理能力帶來巨大的壓力和挑戰(zhàn)。根據(jù)相關(guān)資料，到2025年全球數(shù)據(jù)中心的耗電量將占到全球能耗的33%。從國內(nèi)看，全國數(shù)據(jù)中心的耗電量也在快速增加。據(jù)統(tǒng)計，從2011年—2016年，全國數(shù)據(jù)中心耗電量每年以超過10%的速度快速增長。2017年，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心總耗電量達到1300億kW·h，而同年三峽大壩全年發(fā)電總量為976.05億kW·h。2018年，全國數(shù)據(jù)中心總耗電量達到1500億kW·h，占社會總用電量的2%。預(yù)計到2025年，占比將達到4.05%。隨著5G各種應(yīng)用的逐漸成熟，數(shù)據(jù)中心耗電量將快速增加。因此，本文將重點圍繞如何降低數(shù)據(jù)中心的能耗問題開展數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)節(jié)電策略的研究。

1 數(shù)據(jù)中心節(jié)能的必要性

近年來，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)呈現(xiàn)出快速增長的發(fā)展趨勢，通信、醫(yī)療、互聯(lián)網(wǎng)、電力、金融等行業(yè)紛紛建設(shè)獨立的數(shù)據(jù)中心與容災(zāi)備份中心。5G網(wǎng)絡(luò)、云計算及物聯(lián)網(wǎng)的普及催生了海量數(shù)據(jù)中心的需求，而數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模建設(shè)必將對電力供應(yīng)產(chǎn)生巨大的影響。在北京、上海等數(shù)據(jù)中心較集中的地區(qū)，其電力供應(yīng)已出現(xiàn)飽和問題，已無法支撐更多新建設(shè)的數(shù)據(jù)中心。隨著5G網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心規(guī)模的快速增長，全球各企業(yè)對節(jié)能降耗的需求也越來越迫切，在建設(shè)新的數(shù)據(jù)中心時都將電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值列為一項重要的考核指標，爭取達到更低的PUE值，以實現(xiàn)建設(shè)綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心的目標。例如，微軟公司在都柏林建設(shè)的數(shù)據(jù)中心機房PUE值已達到1.25；Google公司現(xiàn)有部分數(shù)據(jù)中心的PUE已經(jīng)降低到1.11。而國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的PUE平均值基本在1.8～2.0，在數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能設(shè)計方面與國外存在差距，其設(shè)計思想及理念非常值得借鑒[1,2]。

根據(jù)對國內(nèi)大量數(shù)據(jù)中心耗電量的調(diào)查統(tǒng)計，部分面積約為1 000 m2但未采用顯著節(jié)能措施的數(shù)據(jù)中心每年消耗的電量基本都在500萬kW·h。由此可知，對于新建的數(shù)據(jù)中心進行節(jié)能降耗十分重要。從各大數(shù)據(jù)中心對電力的需求來看，建設(shè)節(jié)能、綠色的數(shù)據(jù)中心迫在眉睫。

2 數(shù)據(jù)中心能耗結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)中心的電力一般由數(shù)據(jù)中心所在地區(qū)的電網(wǎng)或?qū)Ｓ冒l(fā)電設(shè)施提供，經(jīng)過變電、配電等多個環(huán)節(jié)處理后為數(shù)據(jù)中心機房的用電設(shè)備提供電源支撐[3-5]。數(shù)據(jù)中心機房的能耗主要由以下設(shè)備產(chǎn)生：一是IT設(shè)備；二是制冷系統(tǒng)設(shè)備；三是供配電系統(tǒng)設(shè)備；四是其他設(shè)備。

典型數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)中心機房設(shè)備能耗比重從大到小依次為IT設(shè)備（50%）、制冷系統(tǒng)設(shè)備（35%）、供配電系統(tǒng)設(shè)備（10%）以及其他消耗電能的數(shù)據(jù)中心設(shè)施（5%）。

圖1 典型數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成

2.1 IT設(shè)備

IT設(shè)備包括數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)存儲、計算、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等不同類型的設(shè)備，用于承載在數(shù)據(jù)中心機房中運行的各種應(yīng)用系統(tǒng)，并為用戶提供信息處理、存儲、通信等服務(wù)，同時支撐數(shù)據(jù)中心的監(jiān)控管理和運行維護。IT設(shè)備的具體類型包括4種。一是服務(wù)器類，如刀片式（含機框）、機架式或塔式等不同形式的服務(wù)器；二是存儲類，包括磁帶庫、磁盤陣列及SAN交換機等存儲設(shè)備、虛擬帶庫等備份設(shè)備；三是網(wǎng)絡(luò)類，包括路由器、交換機以及防火墻、負載均衡、VPN等各類專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；四是IT支撐類，主要包括用于運行維護的KVM等附屬設(shè)備。

2.2 制冷設(shè)備

數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備是為保證IT設(shè)備在適宜溫度、濕度環(huán)境下運行而建立的配套設(shè)施，主要包括以下類型。一是機房內(nèi)所使用的空調(diào)設(shè)備，包括機房專用空調(diào)、精密空調(diào)、濕度調(diào)節(jié)設(shè)備等；二是為IT設(shè)備降溫提供冷源的設(shè)備，包括冷水機組、風冷室外機、冷卻塔、水處理以及水泵等。此外，如果數(shù)據(jù)中心有使用新風系統(tǒng)，則還包括送風風扇、回風風扇、風閥等。

2.3 供配電系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)是為數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)所有需要動力電源的設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠動力電源支持的系統(tǒng)。本項目所闡述的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)是從電源線路進用戶起經(jīng)過高/低壓供配電設(shè)備到負載止的整個電路系統(tǒng)，主要包括高壓變配電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機系統(tǒng)、自動轉(zhuǎn)換開關(guān)系統(tǒng)、輸入低壓配電系統(tǒng)、不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）系統(tǒng)、UPS輸出列頭配電系統(tǒng)以及機架配電系統(tǒng)等，具體如圖2所示[6,7]。

圖2 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)框架

此外，數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)還負責為數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)的照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)及其他系統(tǒng)提供電能的分配與輸入，從而保證數(shù)據(jù)中心的正常運營。

2.4 其他設(shè)施

其他設(shè)施指數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)其他需要消耗電能的基礎(chǔ)設(shè)施及附屬設(shè)備，包括照明設(shè)備、安防設(shè)備、傳感器以及數(shù)據(jù)中心相關(guān)建筑的管理系統(tǒng)等。

3 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)節(jié)能措施

結(jié)合數(shù)據(jù)中心能耗的特點，數(shù)據(jù)中心降耗要從節(jié)電開始，可從數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的6大環(huán)節(jié)考慮，即發(fā)電、配電、變換、負載、溫控以及維管[8-10]。

3.1 發(fā) 電

在發(fā)電環(huán)節(jié)降低能耗除了提升發(fā)電效率之外，還要提高負載率，避免多次宕機。就像家里使用的節(jié)能燈泡一樣，如果反復(fù)短時間內(nèi)進行開關(guān)，節(jié)能燈泡和普通燈泡表現(xiàn)無異，甚至壽命比普通燈泡還低。只有長時間開啟節(jié)能燈泡，相比普通燈泡的節(jié)能優(yōu)勢才會顯露出來。一些數(shù)據(jù)中心的備用電源采用的是柴油發(fā)電機或者蓄電池發(fā)電，這些方式都是用于應(yīng)急，短時間維持供電沒有問題，時間一長便會因為供電不足而停機，因此數(shù)據(jù)中心的備用電源也很重要。由于一般備用電源的轉(zhuǎn)換效率都不高，會浪費不少供電原料，因此采用兩路市電供電相比采用備用電源的方式要好些。

3.2 配 電

一般發(fā)電廠都不在數(shù)據(jù)中心附近，線路的傳輸損耗率較高。在配電階段，可以通過提升供電電壓來提升配電能效，通過使用更短或更粗的主回路來減少線損，同時還可以通過部署一體化的高效通信能源系統(tǒng)來提升配電能效。若采用一體化的供電系統(tǒng)，甚至可以將配電能效提升到99%以上，這樣對數(shù)據(jù)中心帶來的節(jié)能效果是非常明顯的。例如原來數(shù)據(jù)中心的配電能效是95%，每年要消耗掉100萬kW的電能，若將配電能效提升到99%，那么數(shù)據(jù)中心每年要消耗掉的電能是96萬kW，節(jié)能效果非常明顯。

3.3 變 換

電能進入數(shù)據(jù)中心后，最終要分流到各個設(shè)備上。早期的設(shè)備電源轉(zhuǎn)換效率普遍在85%左右，轉(zhuǎn)換效率不高，而目前的電源轉(zhuǎn)換效率都可達到95%以上。盡快淘汰數(shù)據(jù)中心里的老設(shè)備，尤其是老舊的電源。除了設(shè)備電源外，還有UPS、PSU等這些供電轉(zhuǎn)換設(shè)備，應(yīng)該采用變換效率高的產(chǎn)品取代老舊設(shè)備，通過使用變換效率高的電源部件無形中就節(jié)省了電能。

3.4 負 載

數(shù)據(jù)中心里包含成大量設(shè)備，每個設(shè)備在運行時都在耗電，如果每一臺設(shè)備都能節(jié)省一點電能，那么所有設(shè)備節(jié)省的電能加起來數(shù)量就非常驚人?，F(xiàn)在提倡數(shù)據(jù)中心綠色建設(shè)，也包含使用綠色數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品。所謂綠色數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品就是從設(shè)備設(shè)計的方方面面都會考慮到節(jié)能，盡量使用低功耗器件。通過軟件智能調(diào)節(jié)設(shè)備能耗，在保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的情況下節(jié)省電能。

3.5 溫 控

為了確保數(shù)據(jù)中心設(shè)備正常運行，必須要全年保持數(shù)據(jù)中心內(nèi)部基本恒溫，這樣就必須結(jié)合空調(diào)制冷系統(tǒng)一起考慮。空調(diào)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心里的耗電大戶，空調(diào)系統(tǒng)的耗電幾乎占到了整個數(shù)據(jù)中心耗電的35%左右，若能降低空調(diào)系統(tǒng)的耗電將非常有意義?，F(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心大部分采用全局制冷的方式，若采用智能通風等方式，則可以有效提升溫控系統(tǒng)的能效。若能充分利用自然冷卻的方式，其為數(shù)據(jù)中心節(jié)省的電能也是相當可觀的。

3.6 維 管

數(shù)據(jù)中心運維管理的水平對降低能耗也非常重要，高可靠的一體化設(shè)計再加上高效的管理可以有效降低數(shù)據(jù)中心的能耗。例如引入AI型智能管理系統(tǒng)對設(shè)備進行管理，避免設(shè)備空載運行，提升設(shè)備的運行效率。智能系統(tǒng)可以實時感知服務(wù)器的運行情況，從而調(diào)整電力、散熱等資源的供給，最大化減少能源的浪費。此外，對人員的管理也很重要，進出數(shù)據(jù)中心時關(guān)閉不必要的照明光源，及時關(guān)閉沒有必要運行的設(shè)備，適當調(diào)高機房溫度，在運維中處處以降低能耗的標準來開展工作，從而有效提升數(shù)據(jù)中心運轉(zhuǎn)效率，降低能耗。

4 結(jié) 論

節(jié)能降耗是貫穿數(shù)據(jù)中心全生命周期的重要因素，同時也貫穿數(shù)據(jù)中心機樓建設(shè)、配套建設(shè)、IT系統(tǒng)建設(shè)以及運維管理等工作全過程。供配電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心整個工作過程中都起著非常重要的作用，隨著數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模興起，其基本完成了從設(shè)備到系統(tǒng)、從單系統(tǒng)到冗余系統(tǒng)建設(shè)的階段。與此同時，供電系統(tǒng)的安全性、可用性、可維護性及可管理性也得到了極大的提高。從保護環(huán)境、節(jié)約能源的角度出發(fā)，積極采取相關(guān)措施，從而降低數(shù)據(jù)中心能耗。