大型数据中心规划之电力先行

郭利群， 胡建军

(中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

自2008年以来，国内现代化的大型数据中心建设逐渐兴起，随着GB 50174-2008《电子信息系统机房设计规范》的发布及TIA-942、Uptime等国际标准的引入，国内数据中心建设开始走向规范化、标准化发展。

据Synergy Research的调研报告，2017年全球超大规模数据中心已超过390个。按国家划分，美国占全球44%的大型数据中心；其次是中国、日本和英国，合起来占总数的20%；澳大利亚、德国、新加坡、加拿大、印度和巴西分别占3%～5%。

随着云计算、物联网、大数据等新技术的兴起，数据中心的建设呈现向大型化发展的趋势，而大型数据中心的电力消耗巨大，2016年国内数据中心能耗约为1 100亿kWh，占整个国民用电的2%左右，预计到2026年会占到整个国民总耗电量的8%。

根据工信部发布的《全国数据中心应用发展指引(2017)》，在用的数据中心数量为1 641个、标准机架124.4万，在建的数据中心数量为437个、标准机架125万。按此趋势，超大型数据中心的数量会逐年递增，小型的IDC将不复存在或者被整体出售。因此，在大型数据中心规划时，其电力资源能否有效、经济的利用，备用电源是否安全可靠均成为数据中心项目成败的关键指标。

1 数据中心保障等级的影响

众所周知，国标GB 50174的A级是与TIA942、Uptime的T3/T4(Tier III/IV)保障等级相对应的，在数据中心规划初期，数据中心保障等级的确定，则与电力资源的申请、项目投资额息息相关。

从GB 50174-2017中A、B、C级的要求可以看出，保障等级越高，需要投入的基础设施越多，采取的保障措施越严格(详见表1)。

设计人员需要分析客户对计划内关机和计划外故障的容忍度，并且要引导客户理解信息中断的后果、了解未来的业务发展，从而确定客户对业务连续性的要求，根据业务特点合理选择数据中心的系统类型和保障等级。

已知的诸如金融用户受银监会、保监会的监管要求，其建立的“两地三中心”(即同城生产中心、同城灾备中心和异地灾备中心)数据中心均需满足GB 50174的A级要求；自有数据中心用户的大型、超大型数据中心往往是要求达到A级要求，一些中型数据中心由于是中小型用户的总部级数据中心也要求达到A级；对于出租型数据中心，在早期建设时曾经有混合建设的要求，如一部分A级、一部分B级，经过几年的发展后由于建设规模不断扩大，数量在3 000个标准机架以上规模的数据中心基本上不存在B级和C级需求。

GB 50174-2017对A、B、C级的供电要求 表1

这里需要说明的是，根据工信部《关于数据中心建设布局的指导意见》，以功率2.5kW为一个标准机架，超大型数据中心规模≥10 000个标准机架，大型数据中心规模≥3 000个、<10 000个标准机架，中小型数据中心规模<3 000个标准机架。

2 单机柜功率的影响

基于IT设备技术变化的影响，服务器的应用场景已经发生了显著变化，小型计算机开始被机架式服务器所取代。早期数据中心的机架式服务器高度一般是3～5U(“U”在服务器领域中特指机架式服务器厚度，1U=4.45cm)，现代数据中心内采用的服务器高度一般是2U或者1U，随着服务器高度降低，单机柜耗电量飙升。

一个标准的42U机柜留给服务器的空间大概是36U，通常2U服务器的满载功耗大概是在350W左右，那么支撑约18台2U服务器的单机柜供电量需要达到6kW，而换成部署36台1U服务器的时候，供电量就要达到12kW。但日常使用中，服务器一般不会满负载运转，单台服务器的功耗往往低于300W，这种情况下，机柜电量最多利用70%。因此，有经验的IDC租户在上架时都会对服务器标称电量，以期符合租用时约定的单机柜耗电量，避免租金损失。

根据长期工作经验，目前市场上单机柜功率：金融保险及政企用户约为3.5～4kW，云计算用户约为5kW，BAT企业采用自有标准达到7kW以上，此外还有一些零散自有用户维持在3kW以下。

需要注意的是，随着单机柜功率密度的加大，会增加对于数据中心电源可靠性的要求。以往的低密度数据中心甚至可以利用主机房的整体空间作为备用冷池，单机柜功率密度3kW的数据中心，其房间冷池可以保证空调系统断电停机以后480s的制冷量，而10kW的数据中心在240s后就会热保护停机。不同功率密度下冷却失效的机房温度统计详见表2。

不同功率密度下冷却失效后的机房温度/℃ 表2

由表2可知，随着单机柜功率密度增加，为保证数据中心连续可靠运行，持续制冷要求空调的电源需要UPS提供，数据中心用于散热和冷却的成本会加大，用于保障这些新增空调设备的运营费用会增加，发生停机中断的风险也会增大。

3 节能政策的影响

从数据中心对电力的需求来看，数据中心已经成为重要的高耗能产业而非“无烟工业”，数据中心领域的技术创新与节能工作刻不容缓。《工业和信息化部关于加强“十三五”信息通信业节能减排工作的指导意见》中明确指出，到2020年实现单位电信业务总量综合能耗较2015年底下降10%。国务院发布的《“十三五”控制温室气体排放工作方案》要求到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2015年下降18%。

北上广深各自发布的《能源发展“十三五”规划》中均提到了“到2020年各自能源消费总量”(参见表3)，以万吨标准煤计算。

依照《国家节能中心节能评审评价指标》要求，固定资产投资项目对所在地完成节能目标影响评价指标如表4所示。

北上广深“十三五”期间能源消费总量及年增长率 表3

注：每万度电=1.229吨标煤，每吨煤=8316.7度电。

固定资产投资项目对所在地(省市、地市) 完成节能目标影响评价指标表 表4

依据以往经验，当m>1，也即达到“一定影响”的程度时，项目评审通过难度很大。如此形势严峻的节能环保政策必然迫使数据中心的节能措施升级，并开始考虑采用可再生能源方案。根据笔者所在单位的实践经验，已经有项目因为碳排放量超标或用电量超标造成数据中心建设项目遇阻的情况。

4 电力规划的影响

以国网北京市电力公司为例，“十三五”期间共规划建设1座500kV变电站、8座220kV变电站、27座110kV变电站。其中，行政办公区内共规划建设7座变电站，包括2座220kV变电站、5座110kV变电站，分两批陆续投运。可见每座110kV变配电站的建设均需要经过电网五年计划的规划，且每个站的出线间隔有限，故供电部门非常重视间隔利用率。

每座大型数据中心建设过程中最重要的环节就是供电报装。难点在于是否能够取得足够的进线回路和容量、是否能够取得两路来自不同110kV站的线路，此外，在建筑物内两路市电电源能否设置在不同电气房间、备自投装置是否允许自动运行也是需要与供电部门沟通的关键因素。

对于10kV出线，一般300mm2中压电缆允许带 10 000kVA容量，或400mm2中压电缆允许带 10 000kW容量。从表5可以简单估算，在最大限度使用市电线路容量下，单路10kV线路最大可负担机柜数量。需要注意的是，表5中的PUE值是考虑了极端天气的裕量，不是节能政策的目标值。

5 重视备用电源

数据中心的设计中，柴油发电机作为自备应急电源应该引起设计师的重点关注。如何为高级别的数据中心提供稳定可靠的电力供应一直是数据中心建设规划工作的重中之重，持续稳定高质量的供电是柴发的职责。

国标GB/T 2820-2009《往复式内燃机驱动的交流发电机组》定义了柴油发电机组按照负荷率和使用时间的长短可以标定成不同的4种功率：COP、PRP、LTP和ESP，其中持续功率(COP)和基本功率(PRP)是满足机组长期不限时运行的功率标定。需要注意的是，在GB/T 2820中规定PRP功率的使用条件是“在24h周期内的允许平均输出功率应不大于PRP的70%”。

对应不同单机柜功率密度、PUE值及中压线路容量的机柜数量估算表 表5

由于我国电网是国家电网，其可靠性远超过私人电网，且电费远低于柴油发电机组的发电费率，因此我国大型数据中心的主电源都采用市电，柴发仅作为备用电源。在这种前提下，数据中心建设在一定程度上不太重视柴油发电机组。对此笔者提醒各位设计同行和用户不要忽略了数据中心建设的铁律：“风险自主可控。”

据了解，2013年杭州、西安等地都出现了数据中心被限电的情况。2018年北京亦庄电力公司对泰河变电站、博兴变电站和科创街变电站进行改造，其中泰河变电站、博兴变电站改造期为6月1日至15日，科创街变电站为6月15日至6月30日，共计30天时间。在改造期间，电力公司表示用电单位务必将平日用电负荷减少、限制25%，大批位于亦庄的数据中心开始采用柴发带载。

随着国家对民生的关注，限电保电的过程中，数据中心这类耗电大户被限电的可能性越来越大，此次北京亦庄限电仅开始不到10天已经出现两起柴发事故，一起是机组着火，另一起是机组运行超温停机，都造成了重大损失。本该作为保险措施的柴发机组，在设计阶段就可能因为投资因素被打折，或者是提高PRP平均输出功率到大于70%，或者是不重视机房的进排风措施，或者是两栋机房共用一组备用柴发这类“聪明”做法，都造成了危机真正来临时起不到保障作用。

6 结束语