新基建背景下的電力數(shù)據(jù)中心研究展望

萬黎升，劉曉江，曹 洋

（中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

2020年4月1日，習(xí)近平總書記在浙江考察時(shí)強(qiáng)調(diào)：“要抓住產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、數(shù)字產(chǎn)業(yè)化賦予的機(jī)遇，加快5G網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”。2020年4月20日，國(guó)家發(fā)改委正式明確“新基建”范圍，其中信息基礎(chǔ)設(shè)施中包括了以數(shù)據(jù)中心、智能計(jì)算中心為代表的算力基礎(chǔ)設(shè)施。

隨著電力企業(yè)數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)型，數(shù)據(jù)中心已成為電力企業(yè)數(shù)字化、信息化的重要基礎(chǔ)設(shè)施。特別是以“云計(jì)算”為代表的新技術(shù)的出現(xiàn)以及“智慧電廠”、“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”等一系列以整合“信息流”、“能源流”、“業(yè)務(wù)流”為目標(biāo)的企業(yè)戰(zhàn)略愿景提出，現(xiàn)有的電力企業(yè)機(jī)房越來越不能滿足企業(yè)的發(fā)展需求。

電力企業(yè)擔(dān)負(fù)著國(guó)家和地區(qū)的電力生產(chǎn)和分配任務(wù)，社會(huì)責(zé)任重大，其生產(chǎn)和管理信息有嚴(yán)格的安全分區(qū)要求，其業(yè)務(wù)不適合部署在外部公共數(shù)據(jù)中心，但從其社會(huì)屬性上看，電廠或樞紐變電站大多是重要的能源、信息交匯樞紐，分析利用廠站有利條件，立足企業(yè)建設(shè)滿足社會(huì)需求的數(shù)據(jù)中心，可以為電力企業(yè)創(chuàng)造新的價(jià)值。

1 電力數(shù)據(jù)中心分析

1.1 數(shù)據(jù)中心概念及市場(chǎng)情況

數(shù)據(jù)中心是為集中放置的電子信息設(shè)備提供運(yùn)行環(huán)境的建筑場(chǎng)所，可以是一棟或幾棟建筑物，也可以是一棟建筑物的一部分，包括主機(jī)房、輔助區(qū)、支持區(qū)和行政管理區(qū)等[1]。

隨著國(guó)家對(duì)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重視，“新基建”任務(wù)的提出，數(shù)據(jù)中心迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。預(yù)計(jì)2030年中國(guó)數(shù)據(jù)原生產(chǎn)業(yè)規(guī)模將占整個(gè)經(jīng)濟(jì)總量的15%，數(shù)據(jù)的總體規(guī)模超過4 YB，占全球數(shù)據(jù)總量的30%[2]。與此同時(shí)，我國(guó)公有云市場(chǎng)高速增長(zhǎng)，私有云穩(wěn)步前行。2018年我國(guó)公有云市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到437億元，相比2017年增長(zhǎng)65%，到2022年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1 731億元，私有云市場(chǎng)規(guī)模達(dá)525億元，較2017年增長(zhǎng)23%[3]。巨大數(shù)字計(jì)算服務(wù)需求，使數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迎來高速增長(zhǎng)階段。

1.2 電力數(shù)據(jù)中心優(yōu)勢(shì)分析

電力企業(yè)包括火電廠、水電廠、新能源（風(fēng)電，光伏）場(chǎng)站、電網(wǎng)公司等，廠站端其數(shù)字業(yè)務(wù)在于主要滿足廠站的生產(chǎn)控制和基本電子化辦公需求。普通廠站通常以電子設(shè)備間或小型機(jī)房部署廠站業(yè)務(wù)，規(guī)模普遍較小，機(jī)房等級(jí)較低。但電力企業(yè)廠站有諸多先天優(yōu)勢(shì)可以建設(shè)公用數(shù)據(jù)中心。

2018年9月，北京市政府公布《北京市新增產(chǎn)業(yè)的禁止和限制目錄》2018年版指出“全市層面禁止新建和擴(kuò)建互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)、信息處理和存儲(chǔ)支持服務(wù)中的數(shù)據(jù)中心（PUE值在1.4以下的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心除外）；中心城區(qū)全面禁止新建和擴(kuò)建數(shù)據(jù)中心。”城市建設(shè)數(shù)據(jù)中心將全面受到政策性約束。

數(shù)據(jù)中心選址基本要符合以下幾點(diǎn)要求：電力供給應(yīng)充足可靠，通信應(yīng)快速暢通，交通應(yīng)便捷；采用水蒸發(fā)冷卻方式制冷的數(shù)據(jù)中心，水源應(yīng)充足；自然環(huán)境應(yīng)清潔，環(huán)境溫度應(yīng)有利于節(jié)約能源；應(yīng)遠(yuǎn)離產(chǎn)生粉塵、油煙、有害氣體以及生產(chǎn)或貯存具有腐蝕性、易燃、易爆物品的場(chǎng)所；應(yīng)遠(yuǎn)離水災(zāi)、地震等自然災(zāi)害隱患區(qū)域；應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)振源和強(qiáng)噪聲源；應(yīng)避開強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾。

火電廠進(jìn)料和排放產(chǎn)生煙塵較大，不適應(yīng)建設(shè)大型公用數(shù)據(jù)中心。水電廠一般位于偏僻的峽谷地帶，交通環(huán)境較差，但氣候條件普遍較好，水資源利用便利，有利于數(shù)據(jù)中心溫度調(diào)節(jié)。部分水電廠庫(kù)區(qū)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，已成為當(dāng)?shù)刂匾糜蝿俚兀煌l件充分改善，有條件建設(shè)公用數(shù)據(jù)中心。光伏，風(fēng)電等新能源發(fā)電場(chǎng)由于其電源間歇性性質(zhì)，在儲(chǔ)能技術(shù)未充分商用化之前不利于建設(shè)數(shù)據(jù)中心。電網(wǎng)公司調(diào)控中心和信通中心的數(shù)據(jù)中心，機(jī)房資源普遍較為緊張，且涉及電網(wǎng)核心業(yè)務(wù)，不便于建設(shè)公用數(shù)據(jù)中心，但電網(wǎng)樞紐變電站，包括已投運(yùn)和新建的樞紐變電站大多靠近或深入負(fù)荷中心，交通條件便利，建設(shè)選址時(shí)已避開諸多不利因素，數(shù)據(jù)中心隨基建項(xiàng)目開展，不存在重新征地審批的復(fù)雜流程，有利于提高公用數(shù)據(jù)中心建設(shè)效率。另外，樞紐變電站的主控樓和水電廠的主廠房只需通過增加一層或兩層數(shù)據(jù)中心用房，以很小的土建成本就可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心。

1.2.2 成本優(yōu)勢(shì)分析

數(shù)據(jù)中心運(yùn)行最大成本在于電費(fèi)，2018年中國(guó)數(shù)據(jù)中心總用電量為1 608.89億kW·h，占中國(guó)全社會(huì)用電量的2.35%，超過上海市2018年全社會(huì)用電量（1 567億kW·h）[4]。預(yù)計(jì)2023年中國(guó)數(shù)據(jù)中心總用電量將達(dá)到2 667.92億kW·h，年均增長(zhǎng)率將達(dá)到10.64%。從世界范圍看，當(dāng)前全球數(shù)據(jù)中心耗電量占比達(dá)到3%，預(yù)計(jì)至2025年，總耗電量將達(dá)1 000 TW·h以上，能耗及運(yùn)維面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

目前中國(guó)數(shù)據(jù)中心的電費(fèi)成本占了數(shù)據(jù)中心運(yùn)維總成本的60%~70%，其中空調(diào)所用的電費(fèi)占其中的40%。顯然，電費(fèi)成本為數(shù)據(jù)中心最大競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。水電屬于清潔可再生能源，無論是作為廠用電方式，還是直供電方式給數(shù)據(jù)中心供電，電費(fèi)成本優(yōu)勢(shì)十分明顯，且水電廠周圍氣候條件普遍較好，利于數(shù)據(jù)中心溫度調(diào)節(jié)，運(yùn)行成本更低，水電廠建設(shè)數(shù)據(jù)中心極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。電網(wǎng)企業(yè)用電條件好，調(diào)控能力較強(qiáng)，可消納來自接入電網(wǎng)的各類電力能源，且無需采用工業(yè)電價(jià)計(jì)費(fèi)，用電成本和可靠性較其他公用數(shù)據(jù)中心服務(wù)供應(yīng)商更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

目前國(guó)網(wǎng)公司建設(shè)的多站融合工程中的儲(chǔ)能站，在用電峰值時(shí)，用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)給數(shù)據(jù)中心供電，在用電谷值時(shí)用電網(wǎng)的富余電能給數(shù)據(jù)中心供電，大幅度地減少數(shù)據(jù)中心用電成本。

環(huán)偶極子以其獨(dú)特的電磁特性與太赫茲波相結(jié)合，在太赫茲透明材料、吸波器、濾波器等功能器件上應(yīng)用廣泛。本文所提出的平面型太赫茲環(huán)偶極子超材料為環(huán)偶極子的后續(xù)研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，為柔性環(huán)偶極子超材料的研究提供了一種新的思路。

1.2.3 行業(yè)優(yōu)勢(shì)分析

電網(wǎng)樞紐變電站本身就是電力系統(tǒng)能量交換和信息交換的樞紐，是能量流、信息流、業(yè)務(wù)流的交匯點(diǎn)。電網(wǎng)企業(yè)正在積極開展的綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)，變電站成為了天然的業(yè)務(wù)載體。無論是去年國(guó)網(wǎng)提出的“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”，南網(wǎng)提出的“透明電網(wǎng)”，還是今年國(guó)網(wǎng)提出的“數(shù)字新基建”，其本質(zhì)都是通過以先進(jìn)的5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息技術(shù)挖掘電網(wǎng)已有的龐大資產(chǎn)和大數(shù)據(jù)的潛力，提升企業(yè)盈利能力。目前，國(guó)網(wǎng)正在積極部署多個(gè)能源大數(shù)據(jù)中心，可以預(yù)見在未來的電網(wǎng)企業(yè)的底層服務(wù)能力將會(huì)有質(zhì)的飛躍，創(chuàng)造的市場(chǎng)規(guī)模和投資機(jī)會(huì)，將會(huì)帶動(dòng)“新基建”數(shù)據(jù)中心建設(shè)，為中國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型助力。

近年來在“一帶一路”政策帶領(lǐng)下，以中國(guó)電建集團(tuán)為代表的的電力建設(shè)集團(tuán)，在海外市場(chǎng)披荊斬棘，建設(shè)了一批具有代表性的水電項(xiàng)目。在工程建設(shè)實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，一帶一路沿線發(fā)展中國(guó)家不僅對(duì)能源、交通等傳統(tǒng)基建需求迫切，對(duì)通信、互聯(lián)網(wǎng)為代表的“新基建”需求同樣迫切。一個(gè)水電站不僅是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家的電力心臟、水利樞紐，也是一個(gè)國(guó)家通信設(shè)施的重要節(jié)點(diǎn)，在建設(shè)水電站的初期，規(guī)劃建設(shè)數(shù)據(jù)中心，將大幅提升所在國(guó)家和地區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)字服務(wù)能力[5-7]。

2 電力數(shù)據(jù)中心PUE值優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化方案

衡量數(shù)據(jù)中心能效有諸多指標(biāo)，其中應(yīng)用最廣泛的是綠色網(wǎng)格組織（Green Grid）所提出的電能利用效率（power usage effectiveness，PUE）。表征數(shù)據(jù)中心電能利用效率的參數(shù)，其數(shù)值為數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有用電設(shè)備消耗的總電能與所有電子信息設(shè)備消耗的總電能之比。

PUE=TFP/ITFP （1）

式中：PUE——電能利用效率；

TFP——數(shù)據(jù)中心總設(shè)備能耗，kW·h；

ITFP——信息設(shè)備能耗，kW·h。

PUE是一個(gè)比率，越接近1表明能效水平越好。當(dāng)前，國(guó)外先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心PUE值通常小于1.5。2015年我國(guó)工業(yè)和信息化部、國(guó)家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局和國(guó)家能源局在《關(guān)于印發(fā)國(guó)家綠色數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)工作方案的通知》中指出：我國(guó)數(shù)據(jù)中心大多數(shù)的PUE值仍普遍大于2.2，與國(guó)際先進(jìn)水平存在較大差距，PUE值提升空間很大。

從理論和工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)看，數(shù)據(jù)中心能耗一般由IT設(shè)備能源消耗、供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化能源消耗、制冷系統(tǒng)能源消耗、照明系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)的能源消耗以及門禁、消防、閉路電視監(jiān)控等其他弱電系統(tǒng)能源消耗五部分組成，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成

要降低電力數(shù)據(jù)中心PUE值，可以從以下四個(gè)方面采取措施。

1）數(shù)據(jù)中心設(shè)備大多是服務(wù)器、存儲(chǔ)、工作站，網(wǎng)絡(luò)及安全設(shè)備，都是直流負(fù)荷，若數(shù)據(jù)中心采用高壓直流供電技術(shù)，取代傳統(tǒng)UPS供電方式，可減少電能轉(zhuǎn)換損耗，其供電效率提高可達(dá)到98%。樞紐變電站（含儲(chǔ)能站）和水電廠都可提供220 V直流系統(tǒng)，可以充分利用成套的直流電源系統(tǒng)給數(shù)據(jù)中心供電，供電可靠性非常高，可以節(jié)省后備蓄電池的配置。

2）采用高效節(jié)能的綠色制冷系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的耗電大項(xiàng)，電力數(shù)據(jù)中心采用免費(fèi)制冷（free cooling）方式將大大降低制冷費(fèi)用。免費(fèi)制冷主要是通過運(yùn)用自然的冷空氣或水代替機(jī)器制冷的方法。目前騰訊、阿里、蘋果、微軟等高科技互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)在貴州、張北等地區(qū)都部署了大型數(shù)據(jù)中心，利用其地區(qū)獨(dú)特的地理氣候條件，實(shí)現(xiàn)免費(fèi)制冷，其中阿里巴巴千島湖數(shù)據(jù)中心首次在國(guó)內(nèi)使用自然湖水制冷，制冷能耗節(jié)省接近80%。水電廠可以利用發(fā)電后尾水，凈化后供數(shù)據(jù)中心冷卻使用，冷卻降溫后回到河流中，大大降低用電能耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)水資源的回歸。電網(wǎng)企業(yè)建設(shè)變電站時(shí)，可以考慮當(dāng)?shù)厍闆r選擇光伏發(fā)電組件等多種能源補(bǔ)充方式，間接降低PUE值，同時(shí)在選擇空調(diào)設(shè)備的時(shí)候，選擇制冷能效比高的節(jié)能設(shè)備。

3）采用LED綠色節(jié)能光源取代或部分取代傳統(tǒng)光源。

4）加強(qiáng)運(yùn)維管理，做到智能照明系統(tǒng)，根據(jù)人員情況確定新風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間和風(fēng)量。

2.2 工程案例分析

以我院設(shè)計(jì)的某智慧能源站數(shù)據(jù)中心方案為例，介紹降低PUE值方案。某220 kV智慧能源站，數(shù)據(jù)中心大樓位于智慧能源站東南角，地上2層為數(shù)據(jù)中心機(jī)房及輔助功能用房，建筑面積約1 452 m2，地下層為全站消防水池及水泵、空調(diào)冷凍水蓄水池及水泵房，建筑面積726 m2，樓頂用來放空調(diào)機(jī)組和太陽能電板。機(jī)房按照B級(jí)機(jī)房建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

主機(jī)房面積435 m2，按照冷通道集約式設(shè)計(jì)布置數(shù)據(jù)中心，遠(yuǎn)期按照5個(gè)冷通道布置，共計(jì)226柜（IT 175柜，空調(diào)46柜，配電5柜，IT每柜12臺(tái)服務(wù)器，功率密度10 kW/Rack）。本期部署2個(gè)冷通道，34個(gè)機(jī)柜組成的電網(wǎng)內(nèi)部業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)組冷通道，部署電網(wǎng)業(yè)務(wù)IT設(shè)備，另外48個(gè)機(jī)柜組成對(duì)外公共數(shù)據(jù)服務(wù)組冷通道，部署公用計(jì)算服務(wù)IT設(shè)備。數(shù)據(jù)中心機(jī)房平面布置如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房平面布置圖

數(shù)據(jù)中心大樓設(shè)置2臺(tái)3 150 kW的站用變（進(jìn)線1路來自主變低壓側(cè)，1路來自站外施工電源），數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電系統(tǒng)采用1路為高壓240 V直流方式，另1路采用儲(chǔ)能倉(cāng)的2個(gè)4.2 MW·h的直流模塊DC-DC后供電，供電模式由能量管理系統(tǒng)統(tǒng)一綜合調(diào)配，以最為經(jīng)濟(jì)的方式調(diào)度供電方式。考慮數(shù)據(jù)中心供電可靠性非常高，不配置后備蓄電池組。

制冷系統(tǒng)采用風(fēng)冷磁懸浮離心式冷水機(jī)組，本期按照配置1臺(tái)1 150 kW制冷量機(jī)組配置，遠(yuǎn)期2臺(tái)，綜合工況能效比4.55，空調(diào)機(jī)組位于樓面，水泵和蓄水池位于地下層，機(jī)柜設(shè)計(jì)密度10 kW/Rack，考慮采用行間空調(diào)布置。

遠(yuǎn)期IT負(fù)荷1.6 MW，空調(diào)及動(dòng)力、照明負(fù)荷0.5 MW，本期IT負(fù)荷0.65 MW，空調(diào)及動(dòng)力、照明負(fù)荷0.3 MW。能源站安裝有0.6 MW的太陽能電板，產(chǎn)生電能優(yōu)先供數(shù)據(jù)中心使用，照明采用節(jié)電智能照明系統(tǒng)。本期共計(jì)82個(gè)機(jī)柜，其中：IT 64柜，空調(diào)16柜，配電2柜。按IT機(jī)柜10 kW/柜考慮配置電源，64臺(tái)IT機(jī)柜共需要640 kW，直流容量按720 kVA設(shè)計(jì)滿足負(fù)載要求。數(shù)據(jù)中心各部分能耗統(tǒng)計(jì)及PUE計(jì)算如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)中心能耗及PUE計(jì)算表

經(jīng)計(jì)算該工程數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)PUE值在1.44左右，符合國(guó)家數(shù)據(jù)中心建設(shè)政策。考慮本工程中0.6 MW光伏電源，根據(jù)智慧能源站所在地區(qū)的日照情況，估算出全年光伏發(fā)電量約為432 000 kW·h，節(jié)省大量電費(fèi)支出的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)綠色能源的就地消納，數(shù)據(jù)中心間接PUE值可以降為1.36左右。

3 結(jié)語

文中從建設(shè)場(chǎng)址、運(yùn)行成本及行業(yè)特點(diǎn)方面分析了各類電力企業(yè)數(shù)據(jù)中心的優(yōu)缺點(diǎn)，提出電力企業(yè)提供公用數(shù)據(jù)中心服務(wù)，為電力企業(yè)創(chuàng)造新價(jià)值的優(yōu)勢(shì)及可能性。通過總結(jié)電力企業(yè)數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程案例提出優(yōu)化電力企業(yè)數(shù)據(jù)中心PUE值的一些工程設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)降低數(shù)據(jù)中心能耗的目標(biāo)，強(qiáng)化電力企業(yè)提供公用數(shù)據(jù)中心的成本優(yōu)勢(shì)的目的。數(shù)據(jù)中心建設(shè)是隨時(shí)代不斷發(fā)展的集建筑、土建、強(qiáng)弱電、空調(diào)、消防、綜合布線等多專業(yè)于一體的綜合科學(xué)，未來需要在多個(gè)專業(yè)方向突破，數(shù)據(jù)中心才能更智能，更節(jié)能，更環(huán)保。