數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)節(jié)能方案設計分析

王曉雷

中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司 河南 鄭州 450052

互聯(lián)數(shù)據(jù)中心也叫做Internet Data Center，簡稱為IDC，IDC是利用通信網(wǎng)絡機房、網(wǎng)絡共享資源等為基礎服務平臺來對服務商等對象提供相對高速與穩(wěn)定的互聯(lián)網(wǎng)接入服務，同時還具備非常豐富的網(wǎng)絡資源，可以把數(shù)據(jù)的利用發(fā)揮到最大化，并且開展全面的網(wǎng)絡管理服務。截止到目前，政府、金融機構(gòu)、大型IT企業(yè)等都開展了大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心建設。數(shù)據(jù)中心建設需要耗費大量的電源，由于非常集中和大功率大密度的特點，電源能耗在一定程度上引起了相關(guān)人士的重視。幾乎每一年都需要耗費大量的電，因此在建設數(shù)據(jù)中心的同時如何只能節(jié)能減排降低能耗是數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)設計需要解決的一個重要的方向。

1. 關(guān)于數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心在最近兩年成為全球經(jīng)濟發(fā)展與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的一種集中顯示的技術(shù)，是信息的重要載體。隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展進步，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模不斷增加，平均耗電量也不斷增加，就我國目前的數(shù)據(jù)中心來說已經(jīng)超過40萬，預測在未來的發(fā)展中國內(nèi)的數(shù)據(jù)中心還將不斷擴大。數(shù)據(jù)中心除了IT設備之外還有供電系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)，是數(shù)據(jù)中心的基礎設施之一，IT設備是數(shù)據(jù)中心的核心，供電系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)作為其支撐，三者緊密結(jié)合才能正常工作。在數(shù)據(jù)中心工作期間不斷電、不停電，核心設備的功率密度是普通公共建筑設備的十倍以上。一臺服務器本身就具備非常高的功耗，再加上機架的高功率服務器全年不間斷運行導致國內(nèi)的用電量不斷攀升。據(jù)不完全統(tǒng)計，2015年國內(nèi)數(shù)據(jù)中心全年總能耗相當于三峽電站一年的發(fā)電量。但是從總體上來說國內(nèi)的數(shù)據(jù)中心能源利用效率不高，與國外相比甚至是非常低[1]。

政府在關(guān)于數(shù)據(jù)中心能耗的問題上提出了節(jié)能要求，并且制定了相關(guān)的文件，如《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》中針對數(shù)據(jù)中心的能耗做出了詳細的規(guī)定，從數(shù)據(jù)中心改造和降低數(shù)據(jù)中心能耗的方向出發(fā)。其中關(guān)于數(shù)據(jù)中心節(jié)能還明確理論量化節(jié)能目標，在一定程度上說明了政府對節(jié)能減排的重視。

2. 數(shù)據(jù)中心電源節(jié)能的研究

國內(nèi)關(guān)于數(shù)據(jù)中心電源節(jié)能的研究集中在硬件選型的革新上面，數(shù)據(jù)中心使用的供電是傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)交流供電，數(shù)據(jù)中心的能耗隨著科技發(fā)展與數(shù)據(jù)的增加不斷增高，這種傳統(tǒng)的供電模式效率低下，不符合數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，也難以滿足能耗需要。最近兩年以來國內(nèi)開始大規(guī)模使用高壓直流供電方式，這種方式與傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)供電模式比較，高壓直流電供電模式效率更高，使用高壓直流電之后系統(tǒng)損耗明顯降低。根據(jù)系統(tǒng)顯示高壓直流模塊的效率即使在負載率達到40%，高壓直流系統(tǒng)的效率仍舊可以達到92%，所以高壓直流電源具備更高的穩(wěn)定性，能耗也明顯降低。其次是供電架構(gòu)的優(yōu)化和智能控制的運用。由于數(shù)據(jù)中心是一個系統(tǒng)工程，因此要從整體上設計與考慮，綜合性選擇設計方案和節(jié)能解決方案，完成節(jié)能減排的目標[2]。

3.數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)節(jié)能方案設計分析

3.1 UPS電源系統(tǒng)的改造

UPS系統(tǒng)也叫交流不斷電源，是一種當供電中斷或者供電異常的時候可以利用儲能元件作為后備電源系統(tǒng)提供不斷電服務的一種設備。計算機運行需要電力供應，電壓輸入過高會燒壞電源 ，電壓過低會導致系統(tǒng)內(nèi)存儲的內(nèi)容消失，根本來不及保存，從而出現(xiàn)計算機卡頓和大量破碎數(shù)據(jù)占據(jù)硬盤空間讓系統(tǒng)運行速度變慢。尤其是數(shù)據(jù)中心這種大型的服務設備，更需要穩(wěn)定持續(xù)的供電作為基礎。所以UPS 出現(xiàn)并且造就了一個嶄新的行業(yè)，為互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展做出了非常突出的貢獻。UPS的發(fā)展也經(jīng)歷了非常漫長的時間，從上個世紀到近現(xiàn)代，它的基本組成是整流器、蓄電池組、逆變器、輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)、鎖相環(huán)。目前的市場上的UPS主要有三種，分別是工頻UPS、高頻UPS和模塊化UPS，這三種在運用上并非是完美的，都有各自的優(yōu)缺點。

3.2 數(shù)據(jù)中心高壓直流電源系統(tǒng)

UPS系統(tǒng)在出現(xiàn)之后在數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)中得到非常廣泛的運用，總體上來說有發(fā)展使用的優(yōu)勢，但是也存在一些較為突出的問題，如可靠性不高而建設成本非常高、運行能效低，可靠性差，所以UPS系統(tǒng)是沒有辦法兼顧供電的可靠性和經(jīng)濟的節(jié)能性，由此高壓直流電成為了數(shù)據(jù)中心電源發(fā)展的另一個方向。

高壓直流電源系統(tǒng)的組成包含一個機架或者是多個機架中的交流配電屏、高頻開關(guān)整流模塊，還包含直流配電屏、蓄電池組與監(jiān)控單元、絕緣監(jiān)察、接地部分。高壓支流供電具備以下優(yōu)點：系統(tǒng)供電可靠性高、電源損耗低、節(jié)省大量建設成本、節(jié)省運行維護成本，這個方式在推出之后得到了運營商和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的高度關(guān)注，并且迅速投入使用，得到了非常好的反饋。但是就目前的發(fā)展情況來看，雖然高壓直流電系統(tǒng)供電情況良好，但是在數(shù)據(jù)中心發(fā)展的情況下大規(guī)模商用代替原本的UPS，還需要IT設備兼容才可以比較實際[3]。

3.3 高壓直流系統(tǒng)供電方案

高壓直流系統(tǒng)供電主要有兩種方式，單電源雙路供電方式和雙電源雙路供電方案，兩種方案在使用上都具備理論上的可靠性與節(jié)能型，從使用角度上可以直接看出高壓直流電源系統(tǒng)供電的可靠性與穩(wěn)定性比UPS系統(tǒng)更高，而且損耗非常低。所以在數(shù)據(jù)中心電源節(jié)能的發(fā)展上高壓直流系統(tǒng)供電具有非常良好的發(fā)展意義。根據(jù)相關(guān)的測試之后，在型號選擇與應用上筆者本人更傾向于優(yōu)先選擇高壓直流電設備作為機房不間斷電源使用，并且在使用的過程中不斷淘汰工頻UPS，當系統(tǒng)處于空載的時候應該要及時關(guān)閉電源主機。

結(jié)語：優(yōu)先使用高壓直流設備作為機房不間斷電源，并逐步淘汰工頻UPS，在空載時候關(guān)閉電源主機等節(jié)能方案，已經(jīng)在國內(nèi)逐漸施行，并且取得了可觀的成績。