數據中心供配電系統節能關鍵技術分析

胡小婉

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著我國互聯網技術與計算機技術的廣泛普及，用戶訪問數據的需求量也正在與日激增，數據資源逐漸成為現代化生產的一個關鍵性要素，有更多產業開始向在線化、數字化與網絡化方向轉型。數據中心承擔著大量數據信息的分析、傳輸、整合與處理任務，屬于促進企業向著數字化轉型的一個主要支撐平臺。從我國數據中心產業現存的問題來看，主要表現在技術落后且能效不足以及碳減排管理制度與標準體系不夠完善方面。為此，針對近些年來數據中心運行優化過程中相關研究開展綜合論述，使數據中心向著低碳、節能、環保方向轉型的發展。

1 我國數據中心產業現存問題分析

1.1 技術落后且能效不足

（1）數據中心中的IT設備效率不足。IT設備屬于數據中心中能耗最多的一部分，占比超出了50%，能效水平將直接影響能耗水平。在我國的數據中心，虛擬化、算力調度、算力平臺以及云計算等技術的應用與研究力度明顯不足，硬件節能、軟件優化、軟硬件協同體系的建立依舊有待完善。

（2）數據中心的冷卻裝置能效不足。冷卻裝置屬于數據中心中非IT設備能耗的一個重要來源，在總體能耗中占據了30%左右的比重。隨著當前云計算數據中心中單體規模的不斷擴大，不論是局部散熱還是中心散熱，風冷技術都趨近于能力極限，同時每年還會產生大量消耗。所以必須要進一步加強研發工作，高效運用自然冷卻資源來優化升級綠色數據中心。

（3）數據中心中的備用電源裝置依舊影響碳排放量。數據中心有著較高的供電等級需求，除了后備電池、兩路市電接入以及不間斷電源以外，還應當配置一個柴油發電機來當作備用的電源。但是在開啟過程中會出現許多溫室氣體，不利于節能環保效果的實現。而合理的利用清潔能源比如氫能源，則可以有效解決或改善這種問題。一方面可以使用氫燃料電池來代替柴油發電機，維持緊急斷電情況下數據中心的正常運轉；另一方面，氫能源能夠和電網之間進行高度的整合，從而改善可再生能源存在的波動性問題，尤其是季節性波動問題。

1.2 碳減排管理制度與標準體系不夠完善

如圖1所示，數據中心采集能耗的能力不足與能耗標準建設的缺失屬于碳減排管理制度與標準體系不完善的主要體現。

圖1 碳減排管理制度與標準體系不完善的體現

（1）數據中心的能耗采集能力不足。我國的低碳數據中心目前所具備的能耗監測系統并沒有采集全面的能耗數據，具體體現在老舊的數據中心系統沒有建設全面，新建的監控點位沒有完全覆蓋，對于IT設備缺少足夠的能耗監控，導致數據中心整體功耗分布統計難以開展。

（2）數據中心中的能耗標準建設不足。現如今，在節能減排方面依舊缺少體系完善且具有較強指導性的標準，包括能效評估設計、節能減碳評估、節能減碳規劃設計、驗收標準以及改造標準等。相對應的數據中心液冷一類新技術與新產品當中的標準規范也必須要加速制定。

2 數據中心供配電系統節能關鍵技術分析

2.1 優化相關配置

數據中心的功耗主要分為基礎設施與IT系統這2個部分功耗。在基礎設施整體用電中主要包括空調系統、輔助系統與供電系統這3方面的用電，如圖2所示。其中用電最多的就是空調系統，大約占據了總能耗的32%。為有效降低能耗，就應當針對供配電系統、空調系統與IT系統進行升級優化。在優化配置IT系統過程中，可以挑選具有較低能耗的芯片與服務器，這樣既能提高系統運作效率，也能降低能耗。在對供配電系統進行優化過程中，則可以采取直流供電的形式，在轉換期間降低能耗，不僅能夠確保供配電系統運行的安全性，也能夠提升電源整體使用效率。在優化與完善氣流組織過程中，結合具體需要調整通風地板的通風量與數量，同時封閉處理冷熱通道，進而達成對冷量與風量的精細化管理目標[1]。

圖2 基礎設施用電情況

2.2 構建綠色高能效體系

在設計以往的數據中心過程中，結合IT需求對基礎設施完成配置與計算，往往會在初始化的數據中心運行階段便帶來較大的電力成本損失。針對這種情況，應用模板化的部署方式便可以有效解決，數據中心可以在具體需求的前提下配置或者增加微模塊，同時在進行微模塊部署過程中還可以匹配數據中心當中的負載需求、供電量與制冷量，這樣既能夠提高系統效率，也能夠節省電力成本。就供配電系統而言，因為電源微模塊通常采取標準化的架構與結構，所以其電能轉化率往往較高。在空調系統當中，采取的送風模式大多為精度較高的直接送風模式，這種方式可以有效優化局部熱點現象，同時也能夠有效降低冷量損失，提升數據中心的實際制冷效率[2]。

2.3 快速分布部署

在模塊化的數據中心建設過程中，往往會呈現出標準化生產、統一化配件、模塊化產品等明顯特征。其使用的所有組件都是工廠提前預制好并同一完成編碼的，這樣往往更加便于現場管理工作的開展。除此之外，在微模塊底座部位還有一個可以對高度進行自由調節的地腳螺絲，能夠在一定程度上完成高度調整需求。如果面對的廠房存在地面平整度不足的情況，也不需要額外消耗其他的成本來修繕地面[3]。

2.4 合理規劃供配電系統

供配電系統屬于確保數據中心平穩運行的一個電力保障，不論哪一個微小的故障，都有可能對數據中心運行的穩定性造成不良影響。伴隨著數據中心當中供配電系統的快速發展，系統當中的硬件設施數量也在不斷的增加，耗電量也會因此而持續攀升。在確保數據中心安全性和穩定性的基礎上，合理的設計與規劃數據中心當中的供配電系統，提升數據中心整體效率，減少電力損耗與電力碳排放一類問題已經成為了一個重點研究內容。針對數據中心中供配電系統采取的節能手段來看，主要包括可再生能源接入、高壓直流供電、儲能設備控制以及冷熱電三聯供等技術。借助于對可再生能源接入和儲能設備管理在我國數據中心開展節能減排工作過程中發揮出的作用進行探索，提出全新的能源管理模式，聯合調控市電、儲能與光伏，能夠有效提升電池可用性。以動態電價與電價政策為基礎的時空差異，優化調度數據中心當中的電能存儲設備，在確保服務質量的基礎上，有效削減用能成本。由于數據中心的冗余會不間斷地在系統當中儲備電源，因此需要采取全新的控制方法來控制數據中心的聯絡線功率，運用服務器儲能設備與集群負荷一同參與到相應需求中，促使光伏和風電出力能夠獲取更加平穩的功率波動。采取功耗更低的微型服務器進行數據中心的數據處理工作，用光伏發電當成主供能源，配合分布式的內嵌USP系統和高壓直流配電系統，提出全新的整體建設方案，并進行具體建設工作，其具體的運行效果表明能耗能夠降低至常規數據中心的1/4左右，具有十分明顯的節能效果[4]。

2.5 選擇新型冷卻技術

充分考量環境資源條件和氣候條件，堅持因地制宜的基本原則，合理應用自然冷源，從而有效提高數據中心在建設過程中的環保型和經濟性。除此之外，數據中心中的高密度密集化發展也促使傳統近端領域內的制冷技術不再能夠解決機柜發生的局部熱點情況，數據中心中的制冷功能逐漸向著服務器芯片級液冷方向開始演進[5]。作為一項高效化的制冷優化方案，液冷技術的快速發展與廣泛應用能夠進一步推動數據中心中冷卻系統能耗的降低。

2.6 采用智能管理系統

將集中式的監控運維管理系統設置到模塊化的數據中心，能夠完成對不同部分的集中式監控，充分掌握每一個模塊的具體運行狀態。連接不同模塊系統和智能化的管理系統，合理地使用平板電腦就可以獲取實時的運行信息，減少人為操作帶來的失誤，確保設備能夠更加穩定且安全的運行。借助于相關功能的實現，可以有效提升機房管理作業的整體精細化水平，從而進一步減少系統運營成本。

2.7 建立碳減排精細化管理制度

建立一個在線的數據中心能耗實時監測平臺，對其中的相關功能進行優化與完善，提高數據中心在線監測能耗數據的綜合能力。加速建設能耗監測標準化體系，全方位監測各種設備的能耗數據，保障相關指標的準確性與真實性。科學的推進數據中心能耗預警監測制度，確保人工智能技術與大數據技術等先進的技術手段都能夠在數據中心全流程管理過程中得到合理的應用，定期針對數據中心當中的節能降耗情況進行分析，及時掌握節能降耗指標的具體完成情況。積極鼓勵我國的數據中心進行第三方的碳排放量核查，制定一個數據中心當中的能源數據披露標準，對碳信息數據的披露內容與能源信息的披露內容進行不斷的豐富與完善，逐步實現對數據中心低碳減排的全方位管理[6]。

2.8 加速數據中心碳減排標準制定

分析數據中心在不同生命周期內的碳減排具體要求，積極借鑒國際范圍內現金的評價方法與標準，對數據中心當中現有的碳減排標準管理體系進行完善，充分發揮出標準化作業對于數據中心在當前背景下實現低碳化發展的重要支撐作用。深入推進數據中心當中的綠色測評作業，建立并完善數據中心以及和IT設備相關的綠色低碳專業測評機制與指標體系，建立一個更加公開化、透明化的測評結果評價與發布渠道。積極鼓勵三方機構對現有的低碳評價模式與服務模式進行創新，主動向數據中心提供檢測服務、咨詢服務、評價服務和審計服務等，為低碳的新標準、新設備、新技術以及新產品的研究、制定與應用，提供更強有力的幫助，以此來促進數據中心在新時期背景下的低碳化發展[7]。

3 結 論

模塊化的數據中心供配電系統往往有著靈活性更高的優勢，既能夠完成節能高效運作的目標，同時還有較短的建設周期，可以有效降低運營過程中的成本投入。供配電系統屬于數據中心的一個主要支撐，因此研究供配電系統中的節能技術至關重要。本文結合我國數據中心產業的現存問題，從配置優化、體系建設、分布部署、系統規劃、技術選擇、系統選用、制度建立以及標準制定方面出發，深入探究數據中心供配電系統的節能關鍵系統，實現了供配電系統高效率、低能耗運轉的效果。