數據中心直流電源運行能耗優化方法

王 濤，成 曦，李曉陽

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

數據中心作為海量數據的運營中心，不僅承載著大量的市場運營數據，更是作為信息處理的樞紐中心，負責數據的管理與集中統計處理[1]。根據大規模數據中心的典型能耗測試結果可知，現階段數據中心中直流電源運行的耗能占整體耗能的20%以上。20%的耗能中，僅有1/3 的電能作用于信息技術設備的運行，可以認為數據中心直流電源運行過程對能量的利用率處于極低狀態。在深入此方面內容的研究中發現，數據中心直流電源運行能耗優化的研究不夠完善，能耗優化方法也具有一定缺陷，其主要體現在優化效果不明顯。數據中心中IT 設備所消耗的電能大多由直流電源供應，數據中心內設計優化的能耗控制方法不僅可以節約能源，還可以實現對綠色能源的高效利用，這對提高直流電源的能源效率、降低電源運行中所造成的環境污染而言具有很大的幫助。數據中心是存儲、管理、處理大量數據的關鍵基礎設施，因此其能源消耗一直是一個重要的關注點。數據中心的高能耗不僅導致運營成本過高，還對環境造成不可忽視的影響。為應對這一問題，研究者們不斷探索能耗優化的方法，并提出各種解決方案。傳統的數據中心都采用交流電源供電，該模式在轉換和分配過程中會引起能源損耗。而直流電源作為一種新興的供電方式，具有高能效和可靠性的優勢。因此，越來越多的數據中心開始采用直流電源來降低能耗并提高能源利用效率。然而，盡管直流電源具備節能的潛力，數據中心的能耗優化仍然面臨一些挑戰。例如，數據中心往往具有復雜的負載特征和不確定的能源需求，同時還存在著電源和負載的不匹配問題。

為滿足數據中心的運行需求，運營管理方不得不增加直流電源容量，但電源容量過大，也在一定程度上增加了數據中心的管理難度。為解決這一問題，提高對電源能耗的利用率，解決直流電源的高耗能問題，開展數據中心直流電源運行能耗優化方法的設計研究，旨在提高直流電源供電系統的安全性、可靠性，提高電源維護管理的便捷性，進一步降低數據中心直流電源系統的建設成本。

1 直流電源母線與數據中心接口單元主動調控

為滿足數據中心直流電源的運行能耗優化需求，開展研究前，應進行直流電源母線與數據中心接口單元的主動調控。在此過程中應明確兩者之間的接口單元包括能源接口、DC/DC 接口、變換器接口，其中變換器采用穩壓控制與最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制，為提供電源變換器在運行中相對良好的運行條件，需要進行電源母線在當前模態下運行時電感電流的計算，計算公式為

式中：iL(t)表示t時刻下，電源母線在當前模態下運行時的電感電流；iL(0)表示電源母線在初始化狀態下運行時的電感電流；U1表示當前條件下的輸出電壓；U2表示電源母線在初始化狀態下運行時的電壓；L表示電源母線長度。為確保電源處于穩態運行條件，根據計算后得到的電感電流值，如iL(t)的輸出值滿足電源運行條件，將直流電源母線接入MPPT 進行控制，通過此種方式最大限度地利用能源[2]。反之，當iL(t)的輸出值不滿足電源運行條件時，采用另一方式進行接口對接，實現直流電源母線與數據中心接口單元的主動調控。

2 直流電源運行系統級控制與能量管理

基于數據中心直流電源的計算任務（如交互任務、批處理任務等）、可再生能源發電預測以及儲能系統荷電狀態等信息，對數據中心直流電源的綠色能源利用進行綜合監控和集中管理[3]。管理中，應根據直流電源的運行條件，將多種內、外約束作為前提條件，科學地制定直流電源運行過程中對電能的調度方案，此過程的計算公式為

式中：K(t)表示直流電源運行過程中對電能的調度；m表示直流電源的開關序列；Vp表示調度層級。通過對直流電源電能的調度，實現直流電源的運行系統級控制與能量管理，完成數據中心直流電源運行能耗優化方法的設計研究[4]。通過此種方式，保證數據中心直流電源安全、穩定、高效地利用綠色新能源。

3 實例應用分析

為實現對數據中心直流電源運行能耗優化方法在實際應用中效果的檢驗，以某地區大型能源數據中心為例，采用設計實例應用實驗的方式，對提出的優化方法展開測試。

測試前，為排除相關因素對實驗結果的影響與干擾，對數據中心直流電源運行的基本情況展開分析，相關內容如圖1 所示。

圖1 數據中心直流電源運行的基本情況

考慮到此次研究的數據中心為能源數據中心，為明確能源數據中心內的發電作業工況，按照表1進行能源數據中心內發電存儲一體化IT 設備參數的設計。

表1 數據中心內發電存儲一體化IT 設備的參數

在上述內容的基礎上，與數據中心直流電源運行管理有關部門進行交涉，通過交涉發現，數據中心直流電源在運行中存在耗能高、成本高、人力管理難度大等缺陷。為解決以上問題，有關單位開展大量研究，并投入大量資金，用于提高數據中心直流電源運行中的能量利用率[5]。但現有的工作在實施中一直未能發揮預期效果。針對此方面問題，決定使用文章設計的方法進行數據中心直流電源運行過程中的能耗優化。優化前，先進行數據中心直流電源基本參數的分析，具體內容如表2 所示。

表2 數據中心直流電源的基本參數

完成上述準備工作后，進行數據中心直流電源運行過程中的移相控制，為避免直流電源在運行中受到其他因素的干擾，進行直流電源母線與數據中心接口單元的主動調控，最后通過直流電源運行系統級控制與能量管理完成文章所提方法在測試環境中的應用。

將優化前與優化后電源運行單位時間內的能耗、能源平均利用率作為檢驗方法應用效果的關鍵指標，統計實驗結果如表3 所示。

表3 數據中心直流電源運行能耗的優化效果

從表3 所示的實驗結果可以看出，使用文章設計的方法進行數據中心直流電源運行能耗優化，優化后不僅可以控制電源運行單位時間內能耗，還可以提高電源在運行過程中對能源的平均利用率，解決數據中心直流電源運行管理中存在的高耗能問題。通過對電源運行的靈活調度和優化配置，能夠合理安排電源的開關機時間和電源負載分配，使電源在運行過程中更加高效地利用能源資源。通過精確的能源調度和負載均衡策略，能夠最大限度地減少電源的閑置時間和不必要的能源浪費，從而降低總體的能源消耗。通過優化能源利用率，能夠提高電源系統的效能和可持續性。通過合理規劃和協調電源的工作狀態，以有效地利用已有資源，減少不必要的能源浪費。同時，能夠及時檢測和識別電源工作中存在的能耗問題，并采取相應措施進行優化和改進，以進一步提高整體的能源利用效率。

4 結 論

隨著互聯網技術、信息技術的發展與成熟，在通信、金融、工業、石油、教育以及新能源等諸多行業中，人們對數據處理、統計、運營以及管理的需求日益迫切。為滿足海量數據的運營管理需求，數據中心應運而生，在接入新能源的情況下，數據中心的直流電源供電系統相當于一個直流微電網。為解決直流電源在運行中存在的高耗能問題，通過直流電源母線與數據中心接口單元的主動調控、直流電源運行系統級控制與能量管理，完成數據中心直流電源運行能耗優化方法的設計。設計后，對該方法進行檢驗，檢驗后的結果證明，文章所提方法不僅可以控制電源運行單位時間內能耗，還可以提高電源在運行過程中對能源的平均利用率。