数据中心供配电系统节能设计研究

方 祥

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

在时代的发展下，节能降耗成为社会的主要旋律，且国家相关部门推出节能降耗政策，呼吁各行各业参与到节能降耗工作中来。由于数据中心供配电系统的能耗相对较大，与节能降耗政策不符，因此需将该系统的节能设计重视起来。但因为其相对复杂，供配电系统的设计涉及到较多内容，需遵循一定规范、准则，所以如何进行数据中心的供配电系统节能设计成为相关行业不得不深入思考的课题。本文就数据中心供配电系统的节能设计进行了深入研究，并提出一些策略，旨在为相关行业工作人员带来启发，在考虑到实际情况的同时，尽可能降低该系统的能源消耗，并为数据中心的正常运行提供保障。

1 数据中心电源系统能耗现状分析

数据中心供配电系统包括电源系统、辅助设备，以计算机为载体，以信息技术为依托，具有一定的科学性、先进性，可在一定程度上提高数据管理效果。随着供配电系统不断升级、硬件设施不断增多，导致其能源消耗逐年攀升。此外，部分企业规模较大，其数据中心采用的系统为耗能巨大的不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系统，在潜移默化中增加了数据中心的能源负担[1]。

为降低数据中心电源系统的能源消耗，推动人类的可持续发展，我国相关部门就数据中心供配电系统的功能情况、系统发展进行深入研究、分析，制定了科学可行的节能设计参照等级、参照标准。其内容包括通用性用电设备设计准则、供电系统设计实施规范等。

在进行节能设计时，相关工作人员需从多个方面进行考虑，在确保供配电系统可以正常运行的同时满足各方面需求[2]。但受一些因素的影响，相关工作人员在进行设计时无法进行全方位的考虑，导致节能设计效果不太理想。

2 数据中心供配电系统节能设计需求

做好数据中心供配电系统节能设计工作，需对其需求进行了解。目前，数据中心供配电系统的节能设计需求如下。

（1）在进行节能设计时需以容错系统标准为依据，以免其在运行过程中受其他因素影响而出现故障问题。

（2）选择2N标准的不间断电源系统，且确保备用电池的连续使用时间在15min以上。

（3）选择柴油式发电机为后备电源[3]。

3 数据中心供配电系统分布设置

数据中心的供配电系统分布设置时需考虑到供配电系统分布的主要原则，采用合理的手段对发电机房、变配电所进行有效布置，具体如下文所述。

3.1 供配电系统分布的主要原则

在数据中心进行供配电系统分布时，需确保配电所、不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）电源机房紧靠负荷中心，且变配电所、发电机房、UPS电源机房中留有较大区域，确保其可与设备机房同时发展，并满足因设备机房区域扩充、功率密度上升引起的供电需求；需结合实际情况预留科学合理的、足够的供电线路通道。针对其他设备系统的设计，需确保其与设备安装、线路敷设要求相符。

3.2 发电机房的布置

相关工作人员需在布置发电机房时，充分考虑到数据中心等级要求，并以实际情况为依据进行形式选择，常见的形式有单独式设置、附设形式。首先，在进行附设形式的发电机房布置时，需将其设置在地面一层，若为地下层，则需注意出风通道是否与实际要求相符。其次，在数据中心当中需设置一处独立的总配电所，并在附近布置发电机[4]。

3.3 变配电所的布置

在单栋建筑中进行数据中心的设置时，最好的方案是附设式变电所。但是其一般会在整幢建筑的1层或2层。同时，单栋建筑中供电容量过大时，需采用划分区域的方法设置变电所。在园区多栋建筑中进行数据中心的设计时，需设计独立的总配电所，并在不同建筑内部设置附设式配电所。

4 数据中心供配电系统节能设计

在进行数据中心供配电系统设计时，相关工作人员需严格遵循相关规定及原则进行，并充分考虑到数据中心的实际情况，确保节能设计可以落到实处，具体如下文所述。

4.1 级别确定

受需求、承载数据、运用环境的影响，数据中心机房对供配电系统提出了不同的要求，所以在进行供配电系统设计时，相关工作人员需对数据中心机房的情况进行了解，严格按照国家规定确定供配电系统设计级别[5]。根据国家规范，可将供配电系统设计分为A、B、C这3个级别。在划分好供配电系统设计级别后，相关工作人员需以不同级别的要求为依据进行设计。针对级别确定，需以机房使用性质、管理要求、在经济社会中的要求为标准。

在进行数据机房系统设计时，相关工作人员需对各类设备的性质进行了解，以明确其负荷等级，基于此设计科学可行的、节能的供电方案。在明确负荷等级后，需根据该等级决定是否接入UPS系统、若要接入UPS系统该选择何种类型、电源切换时间要求等。同时，需以数据中心机房可用级别考虑是否要接入备用电源[6]。

通过有效的级别确定，可在一定程度上提高供电的可靠性，充分降低能源消耗，提高系统的性价比。

4.2 评价指标

评价指标在供配电系统设计中发挥着至关重要的作用，所以在进行供配电系统节能设计时，相关工作人员需将评价指标重视起来。具体而言，相关工作人员可将电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）应用起来，借助其了解电能消耗情况，并以此为依据进行巧妙设计，从而提高供配电管理的实效性，充分降低数据中心供配电系统的能源消耗。

4.3 电源系统结构

电源系统结构可对网络工作的安全性造成直接影响。若相关工作人员在进行供配电系统设计时未考虑到实际情况和科学可行的电源系统结构，则将会引起电源不稳等问题，直接影响到网络工作的安全性。所以，相关工作人员需将电源系统结构设计重视起来。

目前，数据中心供配电系统分为2种，一为高压直流供配电系统，二为交流供配电系统。其需要不同的服务器、小型机支撑运转，所以在进行数据中心供配电系统节能设计时，相关工作人员需花费大量时间与精力对其进行分析，根据实际情况选择科学可行的配置方案，降低电源不稳定现象的发生率，充分提高网络工作的安全性。

4.4 空调配电系统设计

在进行空调配电系统的节能设计时，相关工作人员需进行综合考虑，明确数据中心供配电空调系统的运行特点与特性，并根据相关规范、要求、标准、空调配电系统的运行特征进行巧妙设计，确保其可达到节能降耗的目的。在此方面，相关工作人员可以从以下几点入手：（1）对环境温度进行有效控制，确保系统内部温度可有效降低，从而达到节能设计的要求。（2）对封闭机柜柜门、送风管进行改造，确保空调冷风可到达每个机柜。同时，需对送风风压、温度进行精密设计，确保各机柜的风道阀门可对送风量进行有效控制，从而充分降低空调能耗。此外，可结合实际情况适当增加风口、风管，直接将冷气输送至机柜门上方，并对封闭式柜门进行巧妙设计，确保其符合相关要求[7]。

4.5 照明系统设计

在进行照明系统设计时，相关工作人员需对国家设计条例进行了解，明确各场所的照明节能设计规定，并严格按照设计规定进行数据中心供配电系统照明节能设计。

通常情况下，信息化机房内的照明系统的照明度应当在5001x，其他区域的照明度须在3001x以上。根据此标准进行内部照明装置的选择时，可将双管格栅发光二极管（Light Emitting Diode，LED）当作首选，且装置标准应当与所在场所的具体需求相符。

4.6 模块化UPS系统设计

就目前情况而言，我国数据中心机房中的UPS系统处于负载工况，初级机房运行中的UPS系统处于轻负载状态，所以能源消耗极其严重，且容易引起平面转换（In-Plane Switching，IPS）故障、并机系统震荡等问题[8]。因此，在进行数据中心供配电系统节能设计时，需将模块化UPS系统设计重视起来。具体而言，相关工作人员需以UPS系统的负载水平为入手点，通过引入国外的先进休眠技术做到机房负载水平的科学控制，并通过机房负载水平对UPS的台数进行有效管控。若当前已满足冗余N+1供电，则其他UPS系统会自动休眠。

4.7 高压直流系统设计

高压直流系统设计（见图1）在节能设计中发挥着重要作用，可充分减少热能、提高工作效率，降低空调原有负荷，真正达到节能降耗的目的。同时，基于高压直流供电模式，可采用控制转换步骤的方式提高系统电能转化效果[9]。但在进行数据机房设计时，相关工作人员需将240 V的高压直流供电模式利用起来，因为该模式可做到持续不断的供电，并在一定程度上降低能源消耗，达到良好的节能效果。

图1 高压直流系统设计原理

5 机房供配电系统设计的注意事项

在进行机房供配电系统设计时，相关工作人员需注意一些要点，以免出现达不到节约能源的目的。其注意事项如下文所述。

（1）在进行配电系统设计时，需以尽可能选择配电级数较少的，因为配电级数越少越好。

（2）需将UPS设备、数据中心主机房设置在临近位置。

（3）倘若数据中心的规模相对较大，动力系统、UPS系统需要由总供电电源独立提供，并且采用不同的电力变压器供电。

（4）UPS系统不能为其他电力负荷供电[10]。

在考虑到实际情况的同时，尽可能降低该系统的能源消耗，并为数据中心的正常运行提供保障。

6 结 论

节能降耗已成为社会的主要旋律，且国家相关部门推出节能降耗政策，呼吁各行各业参与到节能降耗工作中来。因数据中心供配电系统的能耗相对较大，且其涉及到较多内容，所以如何进行数据中心的供配电系统节能设计成为相关行业不得不深入思考的课题。本文首先对当前数据中心供配电系统的能源消耗进行了分析，然后从级别确定、评价指标、电源系统结构、空调配电系统设计、照明系统设计、模块化UPS系统设计、高压直流系统设计等方面入手提出了针对性的设计策略，相关工作人员可以此为依据进行数据中心的供配电系统的节能设计，在充分降低能源消耗的同时，确保数据中心可以正常运行。同时，相关工作人员需将上述提到的注意事项重视起来，以免出现达不到节约能源的现象。

随着时代的发展，数据中心供配电系统的节能设计会有更多、更好的方法，且先进技术会被运用于数据中心供配电系统的节能设计中，所以相关工作人员需丰富自己的知识储备、提高自己的专业技能。在考虑到实际情况的同时，尽可能降低该系统的能源消耗，并为数据中心的正常运行提供保障。