数据中心供配电系统节能关键技术分析

胡小婉

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

随着我国互联网技术与计算机技术的广泛普及，用户访问数据的需求量也正在与日激增，数据资源逐渐成为现代化生产的一个关键性要素，有更多产业开始向在线化、数字化与网络化方向转型。数据中心承担着大量数据信息的分析、传输、整合与处理任务，属于促进企业向着数字化转型的一个主要支撑平台。从我国数据中心产业现存的问题来看，主要表现在技术落后且能效不足以及碳减排管理制度与标准体系不够完善方面。为此，针对近些年来数据中心运行优化过程中相关研究开展综合论述，使数据中心向着低碳、节能、环保方向转型的发展。

1 我国数据中心产业现存问题分析

1.1 技术落后且能效不足

（1）数据中心中的IT设备效率不足。IT设备属于数据中心中能耗最多的一部分，占比超出了50%，能效水平将直接影响能耗水平。在我国的数据中心，虚拟化、算力调度、算力平台以及云计算等技术的应用与研究力度明显不足，硬件节能、软件优化、软硬件协同体系的建立依旧有待完善。

（2）数据中心的冷却装置能效不足。冷却装置属于数据中心中非IT设备能耗的一个重要来源，在总体能耗中占据了30%左右的比重。随着当前云计算数据中心中单体规模的不断扩大，不论是局部散热还是中心散热，风冷技术都趋近于能力极限，同时每年还会产生大量消耗。所以必须要进一步加强研发工作，高效运用自然冷却资源来优化升级绿色数据中心。

（3）数据中心中的备用电源装置依旧影响碳排放量。数据中心有着较高的供电等级需求，除了后备电池、两路市电接入以及不间断电源以外，还应当配置一个柴油发电机来当作备用的电源。但是在开启过程中会出现许多温室气体，不利于节能环保效果的实现。而合理的利用清洁能源比如氢能源，则可以有效解决或改善这种问题。一方面可以使用氢燃料电池来代替柴油发电机，维持紧急断电情况下数据中心的正常运转；另一方面，氢能源能够和电网之间进行高度的整合，从而改善可再生能源存在的波动性问题，尤其是季节性波动问题。

1.2 碳减排管理制度与标准体系不够完善

如图1所示，数据中心采集能耗的能力不足与能耗标准建设的缺失属于碳减排管理制度与标准体系不完善的主要体现。

图1 碳减排管理制度与标准体系不完善的体现

（1）数据中心的能耗采集能力不足。我国的低碳数据中心目前所具备的能耗监测系统并没有采集全面的能耗数据，具体体现在老旧的数据中心系统没有建设全面，新建的监控点位没有完全覆盖，对于IT设备缺少足够的能耗监控，导致数据中心整体功耗分布统计难以开展。

（2）数据中心中的能耗标准建设不足。现如今，在节能减排方面依旧缺少体系完善且具有较强指导性的标准，包括能效评估设计、节能减碳评估、节能减碳规划设计、验收标准以及改造标准等。相对应的数据中心液冷一类新技术与新产品当中的标准规范也必须要加速制定。

2 数据中心供配电系统节能关键技术分析

2.1 优化相关配置

数据中心的功耗主要分为基础设施与IT系统这2个部分功耗。在基础设施整体用电中主要包括空调系统、辅助系统与供电系统这3方面的用电，如图2所示。其中用电最多的就是空调系统，大约占据了总能耗的32%。为有效降低能耗，就应当针对供配电系统、空调系统与IT系统进行升级优化。在优化配置IT系统过程中，可以挑选具有较低能耗的芯片与服务器，这样既能提高系统运作效率，也能降低能耗。在对供配电系统进行优化过程中，则可以采取直流供电的形式，在转换期间降低能耗，不仅能够确保供配电系统运行的安全性，也能够提升电源整体使用效率。在优化与完善气流组织过程中，结合具体需要调整通风地板的通风量与数量，同时封闭处理冷热通道，进而达成对冷量与风量的精细化管理目标[1]。

图2 基础设施用电情况

2.2 构建绿色高能效体系

在设计以往的数据中心过程中，结合IT需求对基础设施完成配置与计算，往往会在初始化的数据中心运行阶段便带来较大的电力成本损失。针对这种情况，应用模板化的部署方式便可以有效解决，数据中心可以在具体需求的前提下配置或者增加微模块，同时在进行微模块部署过程中还可以匹配数据中心当中的负载需求、供电量与制冷量，这样既能够提高系统效率，也能够节省电力成本。就供配电系统而言，因为电源微模块通常采取标准化的架构与结构，所以其电能转化率往往较高。在空调系统当中，采取的送风模式大多为精度较高的直接送风模式，这种方式可以有效优化局部热点现象，同时也能够有效降低冷量损失，提升数据中心的实际制冷效率[2]。

2.3 快速分布部署

在模块化的数据中心建设过程中，往往会呈现出标准化生产、统一化配件、模块化产品等明显特征。其使用的所有组件都是工厂提前预制好并同一完成编码的，这样往往更加便于现场管理工作的开展。除此之外，在微模块底座部位还有一个可以对高度进行自由调节的地脚螺丝，能够在一定程度上完成高度调整需求。如果面对的厂房存在地面平整度不足的情况，也不需要额外消耗其他的成本来修缮地面[3]。

2.4 合理规划供配电系统

供配电系统属于确保数据中心平稳运行的一个电力保障，不论哪一个微小的故障，都有可能对数据中心运行的稳定性造成不良影响。伴随着数据中心当中供配电系统的快速发展，系统当中的硬件设施数量也在不断的增加，耗电量也会因此而持续攀升。在确保数据中心安全性和稳定性的基础上，合理的设计与规划数据中心当中的供配电系统，提升数据中心整体效率，减少电力损耗与电力碳排放一类问题已经成为了一个重点研究内容。针对数据中心中供配电系统采取的节能手段来看，主要包括可再生能源接入、高压直流供电、储能设备控制以及冷热电三联供等技术。借助于对可再生能源接入和储能设备管理在我国数据中心开展节能减排工作过程中发挥出的作用进行探索，提出全新的能源管理模式，联合调控市电、储能与光伏，能够有效提升电池可用性。以动态电价与电价政策为基础的时空差异，优化调度数据中心当中的电能存储设备，在确保服务质量的基础上，有效削减用能成本。由于数据中心的冗余会不间断地在系统当中储备电源，因此需要采取全新的控制方法来控制数据中心的联络线功率，运用服务器储能设备与集群负荷一同参与到相应需求中，促使光伏和风电出力能够获取更加平稳的功率波动。采取功耗更低的微型服务器进行数据中心的数据处理工作，用光伏发电当成主供能源，配合分布式的内嵌USP系统和高压直流配电系统，提出全新的整体建设方案，并进行具体建设工作，其具体的运行效果表明能耗能够降低至常规数据中心的1/4左右，具有十分明显的节能效果[4]。

2.5 选择新型冷却技术

充分考量环境资源条件和气候条件，坚持因地制宜的基本原则，合理应用自然冷源，从而有效提高数据中心在建设过程中的环保型和经济性。除此之外，数据中心中的高密度密集化发展也促使传统近端领域内的制冷技术不再能够解决机柜发生的局部热点情况，数据中心中的制冷功能逐渐向着服务器芯片级液冷方向开始演进[5]。作为一项高效化的制冷优化方案，液冷技术的快速发展与广泛应用能够进一步推动数据中心中冷却系统能耗的降低。

2.6 采用智能管理系统

将集中式的监控运维管理系统设置到模块化的数据中心，能够完成对不同部分的集中式监控，充分掌握每一个模块的具体运行状态。连接不同模块系统和智能化的管理系统，合理地使用平板电脑就可以获取实时的运行信息，减少人为操作带来的失误，确保设备能够更加稳定且安全的运行。借助于相关功能的实现，可以有效提升机房管理作业的整体精细化水平，从而进一步减少系统运营成本。

2.7 建立碳减排精细化管理制度

建立一个在线的数据中心能耗实时监测平台，对其中的相关功能进行优化与完善，提高数据中心在线监测能耗数据的综合能力。加速建设能耗监测标准化体系，全方位监测各种设备的能耗数据，保障相关指标的准确性与真实性。科学的推进数据中心能耗预警监测制度，确保人工智能技术与大数据技术等先进的技术手段都能够在数据中心全流程管理过程中得到合理的应用，定期针对数据中心当中的节能降耗情况进行分析，及时掌握节能降耗指标的具体完成情况。积极鼓励我国的数据中心进行第三方的碳排放量核查，制定一个数据中心当中的能源数据披露标准，对碳信息数据的披露内容与能源信息的披露内容进行不断的丰富与完善，逐步实现对数据中心低碳减排的全方位管理[6]。

2.8 加速数据中心碳减排标准制定

分析数据中心在不同生命周期内的碳减排具体要求，积极借鉴国际范围内现金的评价方法与标准，对数据中心当中现有的碳减排标准管理体系进行完善，充分发挥出标准化作业对于数据中心在当前背景下实现低碳化发展的重要支撑作用。深入推进数据中心当中的绿色测评作业，建立并完善数据中心以及和IT设备相关的绿色低碳专业测评机制与指标体系，建立一个更加公开化、透明化的测评结果评价与发布渠道。积极鼓励三方机构对现有的低碳评价模式与服务模式进行创新，主动向数据中心提供检测服务、咨询服务、评价服务和审计服务等，为低碳的新标准、新设备、新技术以及新产品的研究、制定与应用，提供更强有力的帮助，以此来促进数据中心在新时期背景下的低碳化发展[7]。

3 结 论

模块化的数据中心供配电系统往往有着灵活性更高的优势，既能够完成节能高效运作的目标，同时还有较短的建设周期，可以有效降低运营过程中的成本投入。供配电系统属于数据中心的一个主要支撑，因此研究供配电系统中的节能技术至关重要。本文结合我国数据中心产业的现存问题，从配置优化、体系建设、分布部署、系统规划、技术选择、系统选用、制度建立以及标准制定方面出发，深入探究数据中心供配电系统的节能关键系统，实现了供配电系统高效率、低能耗运转的效果。