新基建背景下的电力数据中心研究展望

万黎升，刘晓江，曹 洋

（中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

2020年4月1日，习近平总书记在浙江考察时强调：“要抓住产业数字化、数字产业化赋予的机遇，加快5G网络，数据中心等新型基础设施建设”。2020年4月20日，国家发改委正式明确“新基建”范围，其中信息基础设施中包括了以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施。

随着电力企业数字化、信息化转型，数据中心已成为电力企业数字化、信息化的重要基础设施。特别是以“云计算”为代表的新技术的出现以及“智慧电厂”、“泛在电力物联网”等一系列以整合“信息流”、“能源流”、“业务流”为目标的企业战略愿景提出，现有的电力企业机房越来越不能满足企业的发展需求。

电力企业担负着国家和地区的电力生产和分配任务，社会责任重大，其生产和管理信息有严格的安全分区要求，其业务不适合部署在外部公共数据中心，但从其社会属性上看，电厂或枢纽变电站大多是重要的能源、信息交汇枢纽，分析利用厂站有利条件，立足企业建设满足社会需求的数据中心，可以为电力企业创造新的价值。

1 电力数据中心分析

1.1 数据中心概念及市场情况

数据中心是为集中放置的电子信息设备提供运行环境的建筑场所，可以是一栋或几栋建筑物，也可以是一栋建筑物的一部分，包括主机房、辅助区、支持区和行政管理区等[1]。

随着国家对战略性新兴产业的重视，“新基建”任务的提出，数据中心迎来了新的发展机遇。预计2030年中国数据原生产业规模将占整个经济总量的15%，数据的总体规模超过4 YB，占全球数据总量的30%[2]。与此同时，我国公有云市场高速增长，私有云稳步前行。2018年我国公有云市场规模达到437亿元，相比2017年增长65%，到2022年市场规模将达到1 731亿元，私有云市场规模达525亿元，较2017年增长23%[3]。巨大数字计算服务需求，使数据中心基础设施建设迎来高速增长阶段。

1.2 电力数据中心优势分析

电力企业包括火电厂、水电厂、新能源（风电，光伏）场站、电网公司等，厂站端其数字业务在于主要满足厂站的生产控制和基本电子化办公需求。普通厂站通常以电子设备间或小型机房部署厂站业务，规模普遍较小，机房等级较低。但电力企业厂站有诸多先天优势可以建设公用数据中心。

2018年9月，北京市政府公布《北京市新增产业的禁止和限制目录》2018年版指出“全市层面禁止新建和扩建互联网数据服务、信息处理和存储支持服务中的数据中心（PUE值在1.4以下的云计算数据中心除外）；中心城区全面禁止新建和扩建数据中心。”城市建设数据中心将全面受到政策性约束。

数据中心选址基本要符合以下几点要求：电力供给应充足可靠，通信应快速畅通，交通应便捷；采用水蒸发冷却方式制冷的数据中心，水源应充足；自然环境应清洁，环境温度应有利于节约能源；应远离产生粉尘、油烟、有害气体以及生产或贮存具有腐蚀性、易燃、易爆物品的场所；应远离水灾、地震等自然灾害隐患区域；应远离强振源和强噪声源；应避开强电磁场干扰。

火电厂进料和排放产生烟尘较大，不适应建设大型公用数据中心。水电厂一般位于偏僻的峡谷地带，交通环境较差，但气候条件普遍较好，水资源利用便利，有利于数据中心温度调节。部分水电厂库区随着社会经济的发展，已成为当地重要旅游胜地，交通条件充分改善，有条件建设公用数据中心。光伏，风电等新能源发电场由于其电源间歇性性质，在储能技术未充分商用化之前不利于建设数据中心。电网公司调控中心和信通中心的数据中心，机房资源普遍较为紧张，且涉及电网核心业务，不便于建设公用数据中心，但电网枢纽变电站，包括已投运和新建的枢纽变电站大多靠近或深入负荷中心，交通条件便利，建设选址时已避开诸多不利因素，数据中心随基建项目开展，不存在重新征地审批的复杂流程，有利于提高公用数据中心建设效率。另外，枢纽变电站的主控楼和水电厂的主厂房只需通过增加一层或两层数据中心用房，以很小的土建成本就可实现较大规模的数据中心。

1.2.2 成本优势分析

数据中心运行最大成本在于电费，2018年中国数据中心总用电量为1 608.89亿kW·h，占中国全社会用电量的2.35%，超过上海市2018年全社会用电量（1 567亿kW·h）[4]。预计2023年中国数据中心总用电量将达到2 667.92亿kW·h，年均增长率将达到10.64%。从世界范围看，当前全球数据中心耗电量占比达到3%，预计至2025年，总耗电量将达1 000 TW·h以上，能耗及运维面临严峻挑战。

目前中国数据中心的电费成本占了数据中心运维总成本的60%~70%，其中空调所用的电费占其中的40%。显然，电费成本为数据中心最大竞争点。水电属于清洁可再生能源，无论是作为厂用电方式，还是直供电方式给数据中心供电，电费成本优势十分明显，且水电厂周围气候条件普遍较好，利于数据中心温度调节，运行成本更低，水电厂建设数据中心极具竞争优势。电网企业用电条件好，调控能力较强，可消纳来自接入电网的各类电力能源，且无需采用工业电价计费，用电成本和可靠性较其他公用数据中心服务供应商更具竞争优势。

目前国网公司建设的多站融合工程中的储能站，在用电峰值时，用光伏+储能系统给数据中心供电，在用电谷值时用电网的富余电能给数据中心供电，大幅度地减少数据中心用电成本。

环偶极子以其独特的电磁特性与太赫兹波相结合，在太赫兹透明材料、吸波器、滤波器等功能器件上应用广泛。本文所提出的平面型太赫兹环偶极子超材料为环偶极子的后续研究提供了实验基础，为柔性环偶极子超材料的研究提供了一种新的思路。

1.2.3 行业优势分析

电网枢纽变电站本身就是电力系统能量交换和信息交换的枢纽，是能量流、信息流、业务流的交汇点。电网企业正在积极开展的综合能源服务业务，变电站成为了天然的业务载体。无论是去年国网提出的“泛在电力物联网”，南网提出的“透明电网”，还是今年国网提出的“数字新基建”，其本质都是通过以先进的5G、物联网、云计算等信息技术挖掘电网已有的庞大资产和大数据的潜力，提升企业盈利能力。目前，国网正在积极部署多个能源大数据中心，可以预见在未来的电网企业的底层服务能力将会有质的飞跃，创造的市场规模和投资机会，将会带动“新基建”数据中心建设，为中国经济转型助力。

近年来在“一带一路”政策带领下，以中国电建集团为代表的的电力建设集团，在海外市场披荆斩棘，建设了一批具有代表性的水电项目。在工程建设实际中发现，一带一路沿线发展中国家不仅对能源、交通等传统基建需求迫切，对通信、互联网为代表的“新基建”需求同样迫切。一个水电站不仅是一个发展中国家的电力心脏、水利枢纽，也是一个国家通信设施的重要节点，在建设水电站的初期，规划建设数据中心，将大幅提升所在国家和地区的基础数字服务能力[5-7]。

2 电力数据中心PUE值优化设计

2.1 优化方案

衡量数据中心能效有诸多指标，其中应用最广泛的是绿色网格组织（Green Grid）所提出的电能利用效率（power usage effectiveness，PUE）。表征数据中心电能利用效率的参数，其数值为数据中心内所有用电设备消耗的总电能与所有电子信息设备消耗的总电能之比。

PUE=TFP/ITFP （1）

式中：PUE——电能利用效率；

TFP——数据中心总设备能耗，kW·h；

ITFP——信息设备能耗，kW·h。

PUE是一个比率，越接近1表明能效水平越好。当前，国外先进的数据中心PUE值通常小于1.5。2015年我国工业和信息化部、国家机关事务管理局和国家能源局在《关于印发国家绿色数据中心试点工作方案的通知》中指出：我国数据中心大多数的PUE值仍普遍大于2.2，与国际先进水平存在较大差距，PUE值提升空间很大。

从理论和工程建设经验看，数据中心能耗一般由IT设备能源消耗、供电系统转化能源消耗、制冷系统能源消耗、照明系统和新风系统的能源消耗以及门禁、消防、闭路电视监控等其他弱电系统能源消耗五部分组成，如图1所示。

图1 数据中心能耗构成

要降低电力数据中心PUE值，可以从以下四个方面采取措施。

1）数据中心设备大多是服务器、存储、工作站，网络及安全设备，都是直流负荷，若数据中心采用高压直流供电技术，取代传统UPS供电方式，可减少电能转换损耗，其供电效率提高可达到98%。枢纽变电站（含储能站）和水电厂都可提供220 V直流系统，可以充分利用成套的直流电源系统给数据中心供电，供电可靠性非常高，可以节省后备蓄电池的配置。

2）采用高效节能的绿色制冷系统。空调系统是数据中心的耗电大项，电力数据中心采用免费制冷（free cooling）方式将大大降低制冷费用。免费制冷主要是通过运用自然的冷空气或水代替机器制冷的方法。目前腾讯、阿里、苹果、微软等高科技互联网企业在贵州、张北等地区都部署了大型数据中心，利用其地区独特的地理气候条件，实现免费制冷，其中阿里巴巴千岛湖数据中心首次在国内使用自然湖水制冷，制冷能耗节省接近80%。水电厂可以利用发电后尾水，净化后供数据中心冷却使用，冷却降温后回到河流中，大大降低用电能耗的同时实现水资源的回归。电网企业建设变电站时，可以考虑当地情况选择光伏发电组件等多种能源补充方式，间接降低PUE值，同时在选择空调设备的时候，选择制冷能效比高的节能设备。

3）采用LED绿色节能光源取代或部分取代传统光源。

4）加强运维管理，做到智能照明系统，根据人员情况确定新风系统的运行时间和风量。

2.2 工程案例分析

以我院设计的某智慧能源站数据中心方案为例，介绍降低PUE值方案。某220 kV智慧能源站，数据中心大楼位于智慧能源站东南角，地上2层为数据中心机房及辅助功能用房，建筑面积约1 452 m2，地下层为全站消防水池及水泵、空调冷冻水蓄水池及水泵房，建筑面积726 m2，楼顶用来放空调机组和太阳能电板。机房按照B级机房建设标准。

主机房面积435 m2，按照冷通道集约式设计布置数据中心，远期按照5个冷通道布置，共计226柜（IT 175柜，空调46柜，配电5柜，IT每柜12台服务器，功率密度10 kW/Rack）。本期部署2个冷通道，34个机柜组成的电网内部业务数据服务组冷通道，部署电网业务IT设备，另外48个机柜组成对外公共数据服务组冷通道，部署公用计算服务IT设备。数据中心机房平面布置如图2所示。

图2 数据中心机房平面布置图

数据中心大楼设置2台3 150 kW的站用变（进线1路来自主变低压侧，1路来自站外施工电源），数据中心机房供电系统采用1路为高压240 V直流方式，另1路采用储能仓的2个4.2 MW·h的直流模块DC-DC后供电，供电模式由能量管理系统统一综合调配，以最为经济的方式调度供电方式。考虑数据中心供电可靠性非常高，不配置后备蓄电池组。

制冷系统采用风冷磁悬浮离心式冷水机组，本期按照配置1台1 150 kW制冷量机组配置，远期2台，综合工况能效比4.55，空调机组位于楼面，水泵和蓄水池位于地下层，机柜设计密度10 kW/Rack，考虑采用行间空调布置。

远期IT负荷1.6 MW，空调及动力、照明负荷0.5 MW，本期IT负荷0.65 MW，空调及动力、照明负荷0.3 MW。能源站安装有0.6 MW的太阳能电板，产生电能优先供数据中心使用，照明采用节电智能照明系统。本期共计82个机柜，其中：IT 64柜，空调16柜，配电2柜。按IT机柜10 kW/柜考虑配置电源，64台IT机柜共需要640 kW，直流容量按720 kVA设计满足负载要求。数据中心各部分能耗统计及PUE计算如表1所示。

表1 数据中心能耗及PUE计算表

经计算该工程数据中心设计PUE值在1.44左右，符合国家数据中心建设政策。考虑本工程中0.6 MW光伏电源，根据智慧能源站所在地区的日照情况，估算出全年光伏发电量约为432 000 kW·h，节省大量电费支出的同时，实现绿色能源的就地消纳，数据中心间接PUE值可以降为1.36左右。

3 结语

文中从建设场址、运行成本及行业特点方面分析了各类电力企业数据中心的优缺点，提出电力企业提供公用数据中心服务，为电力企业创造新价值的优势及可能性。通过总结电力企业数据中心工程设计经验，结合工程案例提出优化电力企业数据中心PUE值的一些工程设计方法，实现降低数据中心能耗的目标，强化电力企业提供公用数据中心的成本优势的目的。数据中心建设是随时代不断发展的集建筑、土建、强弱电、空调、消防、综合布线等多专业于一体的综合科学，未来需要在多个专业方向突破，数据中心才能更智能，更节能，更环保。