数据中心用电合规性及容量适配性评估分析

2022-09-21姜欣廷杨子靖侯辰夫

通信电源技术 2022年10期

姜欣廷，杨子靖，侯辰夫，董哲

（中国电信股份有限公司北京分公司，北京 100010）

0 引言

根据中国信息通信研究院发布的《数据中心白皮书（2022年）》，2021年我国数据中心市场收入规模已经达到约1 500亿元，在数据中心产业高速增长的态势下，服务提供商自主可把控的机房设计及建设指标日趋向《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）中的A级机房标准对齐，在此方面与客户的机房选址技术要求基本一致。随着国家“双碳”政策的不断推进，数据中心用电手续合规的重要性不断提升，同时确保相应供电容量的充足也尤为关键，在数据中心选址过程中需予以重点关注。

1 数据中心用电合规手续分析及容量可用性测算

1.1 节能审查

近年来，为了有效控制数据中心发展建设规模，降低数据中心电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE），国家及地方政府均出台了大量的政策，从源头上规范引导数据中心实现高质量发展。其中，固定资产投资项目节能审查意见已经成为判断新建数据中心项目是否具备开工建设条件、能否竣工验收并投产运营以及后续节能监察以何为标准的重要依据。

国家发改委2016年第44号令《固定资产投资项目节能审查办法》中明确提出：对未按本办法规定进行节能审查，或节能审查未获通过，擅自开工建设或擅自投入生产、使用的固定资产投资项目，由节能审查机关责令停止建设或停止生产、使用，限期改造；不能改造或逾期不改造的生产性项目，由节能审查机关报请本级人民政府按照国务院规定的权限责令关闭；并依法追究有关责任人的责任[1]。北京市发改委发布的《关于进一步加强数据中心项目节能审查的若干规定》中也有类似规定，要求对未通过节能审查并擅自开工或投产的项目予以停工、停产、停用等处理[2]。

节能审查报告已经不仅是政府部门在项目规划建设阶段从根源上控制和引导数据中心高质量绿色发展的重要抓手，同时也是对已投产项目的能源使用情况进行后评估的重要手段。北京市节能监察大队在2020年就开展了面向全市28家数据中心的节能监察，并对其中11家PUE超过1.4的数据中心单位下发了节能监察建议书，要求整改。广东省能源局在2021年也发布了《关于明确全省数据中心能耗保障相关要求的通知》，其中明确提出对于已通过节能审查的数据中心，如果建设地点不在规划集聚区且不同意向规划集聚区转移的数据中心项目，能耗由项目所在地市承担。对已获批能评的数据中心项目进行清理，对获批两年后仍未开工建设的项目一律不予办理节能审查意见续期手续，依法依规取消项目节能审查意见。

1.2 容量可用性测算

数据中心节能审查意见往往篇幅不长，但其中包含了可进一步分析的重要信息。在北京地区，标准煤的吨位数值是以当量值来计算，每度电对应的标准煤为0.122 9 kg（当量值）。节能审查报告中关于标准煤的吨量本质上代表了整个项目的年批复耗电总量，通过此数值可以反向推算出项目能够产出的机架规模。假设某数据中心机架总量为N架，单机柜功率为PkW，机柜同时系数为K，全年平均PUE为η平均，则数据中心年耗电总量为

折合标准煤当量值为

根据上述公式，在已知数据中心设计年平均PUE为1.3、年综合耗费20 000 000 kg标准煤（当量值）的前提下，可以反向推算出该数据中心的IT平均瞬时总负荷为

假设单机柜设计功率为5 kW、机柜同时系数为0.9，可以进一步测算出能够产出的机柜数量为

1.3 供电方案

数据中心为客户托管服务器提供稳定的运行环境，电力资源充足是数据中心顺利投产的决定性因素。节能审查报告从政府审批层面上保障了数据中心用电的合规性，但在具体的生产运营环节中，外市电的供给情况决定了数据中心何时能够加载多少业务量。对于为客户定制化建设的数据中心，数据中心服务提供商一般会先行提供由项目所在地国网电力公司提供的高压供电方案，在高压供电方案中会明确项目的规划供电容量、供电线路数量以及供电来源（通常为110 kV变电站）。对于供电方案的解读，需要重点关注其容量的充足性。需要注意的是，节能审查报告中所提到的PUE为数据中心全年平均PUE，北京地区的新建数据中心往往可以达到1.25以下，这也符合《北京市数据中心统筹发展实施方案（2021—2023年）》中要求的新建云数据中心PUE不应高于1.3、单机架功率不应低于6 kW[3]。但在数据中心实际运行过程中，存在冬季利用自然冷源导致数据中心实时PUE低、夏季制冷设备高负荷运转导致PUE高的情况，冬季和夏季极端场景下的PUE差值可能达到0.5左右。基于此，在对数据中心外市电引入容量充足性的核算上要考虑极端情况[4]。假设η极端=1.6，则外市电引入容量需满足：

代入上述数据可得：

在进行外市电引入容量充足性确认时，不能通过节能审查批复推算，要从机柜配置情况反向推算、确认。通过此测算过程可以看出，实际外市电引入容量大于节能审查报告批复容量是合理且必要的。

在供电方案确定后，数据中心建设单位会与供电公司共同开展工程方案设计、施工委托、设备采购、施工建设以及工程验收等事宜[5]。数据中心正式投产前，服务提供商还需要提供正式的供电合同。在此过程中，作为客户使用方，需要重点关注最终合同供电容量与较早期供电方案容量的一致性。在交付前的假负载测试过程中，也可以通过外市电高压母联投切等方式对线路实际承载能力进行验证[6]。

2 数据中心负荷计算解读

从机房使用者的角度来看，在数据中心选址的过程中不仅要确认机房的用电合规性手续，同时还要重点审查数据中心的电力供应与规划机柜数量、容量的匹配性。前期的充分计算可以有效避免后续数据中心在负载较高时出现部分已建设机柜无法加电的情况，通常采用负荷计算书的方式进行相关计算、确认[7-9]。数据中心低压侧供配电负荷计算如表1所示。需要注意的是，各数据中心的需用系数、功率因数设计有所不同，实际测算中需要进行调整。

表1 数据中心低压侧负荷计算

根据表1，通过对IT设备、配套水泵、冷机以及空调等基础设施用电量的计算，可以得到数据中心所需的低压侧外市电总容量。同时，将低压侧外市电总容量与变压器损耗、高压冷机容量相加可以得到外市电总容量S总。将S总与外市电引入总容量进行对比，可以得出总容量是否满足的结论。除此之外，通过表1也可以测算相关变压器、不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）的负载率，确保每一级供电容量的充足性[10]。