數據中心供配電系統節能設計研究

方 祥

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

在時代的發展下，節能降耗成為社會的主要旋律，且國家相關部門推出節能降耗政策，呼吁各行各業參與到節能降耗工作中來。由于數據中心供配電系統的能耗相對較大，與節能降耗政策不符，因此需將該系統的節能設計重視起來。但因為其相對復雜，供配電系統的設計涉及到較多內容，需遵循一定規范、準則，所以如何進行數據中心的供配電系統節能設計成為相關行業不得不深入思考的課題。本文就數據中心供配電系統的節能設計進行了深入研究，并提出一些策略，旨在為相關行業工作人員帶來啟發，在考慮到實際情況的同時，盡可能降低該系統的能源消耗，并為數據中心的正常運行提供保障。

1 數據中心電源系統能耗現狀分析

數據中心供配電系統包括電源系統、輔助設備，以計算機為載體，以信息技術為依托，具有一定的科學性、先進性，可在一定程度上提高數據管理效果。隨著供配電系統不斷升級、硬件設施不斷增多，導致其能源消耗逐年攀升。此外，部分企業規模較大，其數據中心采用的系統為耗能巨大的不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統，在潛移默化中增加了數據中心的能源負擔[1]。

為降低數據中心電源系統的能源消耗，推動人類的可持續發展，我國相關部門就數據中心供配電系統的功能情況、系統發展進行深入研究、分析，制定了科學可行的節能設計參照等級、參照標準。其內容包括通用性用電設備設計準則、供電系統設計實施規范等。

在進行節能設計時，相關工作人員需從多個方面進行考慮，在確保供配電系統可以正常運行的同時滿足各方面需求[2]。但受一些因素的影響，相關工作人員在進行設計時無法進行全方位的考慮，導致節能設計效果不太理想。

2 數據中心供配電系統節能設計需求

做好數據中心供配電系統節能設計工作，需對其需求進行了解。目前，數據中心供配電系統的節能設計需求如下。

（1）在進行節能設計時需以容錯系統標準為依據，以免其在運行過程中受其他因素影響而出現故障問題。

（2）選擇2N標準的不間斷電源系統，且確保備用電池的連續使用時間在15min以上。

（3）選擇柴油式發電機為后備電源[3]。

3 數據中心供配電系統分布設置

數據中心的供配電系統分布設置時需考慮到供配電系統分布的主要原則，采用合理的手段對發電機房、變配電所進行有效布置，具體如下文所述。

3.1 供配電系統分布的主要原則

在數據中心進行供配電系統分布時，需確保配電所、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）電源機房緊靠負荷中心，且變配電所、發電機房、UPS電源機房中留有較大區域，確保其可與設備機房同時發展，并滿足因設備機房區域擴充、功率密度上升引起的供電需求；需結合實際情況預留科學合理的、足夠的供電線路通道。針對其他設備系統的設計，需確保其與設備安裝、線路敷設要求相符。

3.2 發電機房的布置

相關工作人員需在布置發電機房時，充分考慮到數據中心等級要求，并以實際情況為依據進行形式選擇，常見的形式有單獨式設置、附設形式。首先，在進行附設形式的發電機房布置時，需將其設置在地面一層，若為地下層，則需注意出風通道是否與實際要求相符。其次，在數據中心當中需設置一處獨立的總配電所，并在附近布置發電機[4]。

3.3 變配電所的布置

在單棟建筑中進行數據中心的設置時，最好的方案是附設式變電所。但是其一般會在整幢建筑的1層或2層。同時，單棟建筑中供電容量過大時，需采用劃分區域的方法設置變電所。在園區多棟建筑中進行數據中心的設計時，需設計獨立的總配電所，并在不同建筑內部設置附設式配電所。

4 數據中心供配電系統節能設計

在進行數據中心供配電系統設計時，相關工作人員需嚴格遵循相關規定及原則進行，并充分考慮到數據中心的實際情況，確保節能設計可以落到實處，具體如下文所述。

4.1 級別確定

受需求、承載數據、運用環境的影響，數據中心機房對供配電系統提出了不同的要求，所以在進行供配電系統設計時，相關工作人員需對數據中心機房的情況進行了解，嚴格按照國家規定確定供配電系統設計級別[5]。根據國家規范，可將供配電系統設計分為A、B、C這3個級別。在劃分好供配電系統設計級別后，相關工作人員需以不同級別的要求為依據進行設計。針對級別確定，需以機房使用性質、管理要求、在經濟社會中的要求為標準。

在進行數據機房系統設計時，相關工作人員需對各類設備的性質進行了解，以明確其負荷等級，基于此設計科學可行的、節能的供電方案。在明確負荷等級后，需根據該等級決定是否接入UPS系統、若要接入UPS系統該選擇何種類型、電源切換時間要求等。同時，需以數據中心機房可用級別考慮是否要接入備用電源[6]。

通過有效的級別確定，可在一定程度上提高供電的可靠性，充分降低能源消耗，提高系統的性價比。

4.2 評價指標

評價指標在供配電系統設計中發揮著至關重要的作用，所以在進行供配電系統節能設計時，相關工作人員需將評價指標重視起來。具體而言，相關工作人員可將電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）應用起來，借助其了解電能消耗情況，并以此為依據進行巧妙設計，從而提高供配電管理的實效性，充分降低數據中心供配電系統的能源消耗。

4.3 電源系統結構

電源系統結構可對網絡工作的安全性造成直接影響。若相關工作人員在進行供配電系統設計時未考慮到實際情況和科學可行的電源系統結構，則將會引起電源不穩等問題，直接影響到網絡工作的安全性。所以，相關工作人員需將電源系統結構設計重視起來。

目前，數據中心供配電系統分為2種，一為高壓直流供配電系統，二為交流供配電系統。其需要不同的服務器、小型機支撐運轉，所以在進行數據中心供配電系統節能設計時，相關工作人員需花費大量時間與精力對其進行分析，根據實際情況選擇科學可行的配置方案，降低電源不穩定現象的發生率，充分提高網絡工作的安全性。

4.4 空調配電系統設計

在進行空調配電系統的節能設計時，相關工作人員需進行綜合考慮，明確數據中心供配電空調系統的運行特點與特性，并根據相關規范、要求、標準、空調配電系統的運行特征進行巧妙設計，確保其可達到節能降耗的目的。在此方面，相關工作人員可以從以下幾點入手：（1）對環境溫度進行有效控制，確保系統內部溫度可有效降低，從而達到節能設計的要求。（2）對封閉機柜柜門、送風管進行改造，確保空調冷風可到達每個機柜。同時，需對送風風壓、溫度進行精密設計，確保各機柜的風道閥門可對送風量進行有效控制，從而充分降低空調能耗。此外，可結合實際情況適當增加風口、風管，直接將冷氣輸送至機柜門上方，并對封閉式柜門進行巧妙設計，確保其符合相關要求[7]。

4.5 照明系統設計

在進行照明系統設計時，相關工作人員需對國家設計條例進行了解，明確各場所的照明節能設計規定，并嚴格按照設計規定進行數據中心供配電系統照明節能設計。

通常情況下，信息化機房內的照明系統的照明度應當在5001x，其他區域的照明度須在3001x以上。根據此標準進行內部照明裝置的選擇時，可將雙管格柵發光二極管（Light Emitting Diode，LED）當作首選，且裝置標準應當與所在場所的具體需求相符。

4.6 模塊化UPS系統設計

就目前情況而言，我國數據中心機房中的UPS系統處于負載工況，初級機房運行中的UPS系統處于輕負載狀態，所以能源消耗極其嚴重，且容易引起平面轉換（In-Plane Switching，IPS）故障、并機系統震蕩等問題[8]。因此，在進行數據中心供配電系統節能設計時，需將模塊化UPS系統設計重視起來。具體而言，相關工作人員需以UPS系統的負載水平為入手點，通過引入國外的先進休眠技術做到機房負載水平的科學控制，并通過機房負載水平對UPS的臺數進行有效管控。若當前已滿足冗余N+1供電，則其他UPS系統會自動休眠。

4.7 高壓直流系統設計

高壓直流系統設計（見圖1）在節能設計中發揮著重要作用，可充分減少熱能、提高工作效率，降低空調原有負荷，真正達到節能降耗的目的。同時，基于高壓直流供電模式，可采用控制轉換步驟的方式提高系統電能轉化效果[9]。但在進行數據機房設計時，相關工作人員需將240 V的高壓直流供電模式利用起來，因為該模式可做到持續不斷的供電，并在一定程度上降低能源消耗，達到良好的節能效果。

圖1 高壓直流系統設計原理

5 機房供配電系統設計的注意事項

在進行機房供配電系統設計時，相關工作人員需注意一些要點，以免出現達不到節約能源的目的。其注意事項如下文所述。

（1）在進行配電系統設計時，需以盡可能選擇配電級數較少的，因為配電級數越少越好。

（2）需將UPS設備、數據中心主機房設置在臨近位置。

（3）倘若數據中心的規模相對較大，動力系統、UPS系統需要由總供電電源獨立提供，并且采用不同的電力變壓器供電。

（4）UPS系統不能為其他電力負荷供電[10]。

在考慮到實際情況的同時，盡可能降低該系統的能源消耗，并為數據中心的正常運行提供保障。

6 結 論

節能降耗已成為社會的主要旋律，且國家相關部門推出節能降耗政策，呼吁各行各業參與到節能降耗工作中來。因數據中心供配電系統的能耗相對較大，且其涉及到較多內容，所以如何進行數據中心的供配電系統節能設計成為相關行業不得不深入思考的課題。本文首先對當前數據中心供配電系統的能源消耗進行了分析，然后從級別確定、評價指標、電源系統結構、空調配電系統設計、照明系統設計、模塊化UPS系統設計、高壓直流系統設計等方面入手提出了針對性的設計策略，相關工作人員可以此為依據進行數據中心的供配電系統的節能設計，在充分降低能源消耗的同時，確保數據中心可以正常運行。同時，相關工作人員需將上述提到的注意事項重視起來，以免出現達不到節約能源的現象。

隨著時代的發展，數據中心供配電系統的節能設計會有更多、更好的方法，且先進技術會被運用于數據中心供配電系統的節能設計中，所以相關工作人員需豐富自己的知識儲備、提高自己的專業技能。在考慮到實際情況的同時，盡可能降低該系統的能源消耗，并為數據中心的正常運行提供保障。