近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)和計算機技術(shù)的發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)提供的各種服務也變得越來越多。作為這些互聯(lián)網(wǎng)應用服務載體的數(shù)據(jù)中心，其建設需求也在不斷增加。特別是近幾年來，我國三大運營商都投入了大量的資金用于數(shù)據(jù)中心的建設。目前，全國已經(jīng)形成了至少數(shù)百家大小不一的數(shù)據(jù)中心。而且，近2年以來，各運營商為了節(jié)約成本、便于管理、形成規(guī)模化效益，數(shù)據(jù)中心的建設規(guī)模逐漸變得越來越大。
巨大的用電容量給數(shù)據(jù)中心的建設和運營都帶來了巨大的壓力，因此，新一代或者說是下一代的數(shù)據(jù)中心，其發(fā)展趨勢必然是綠色數(shù)據(jù)中心。本文將主要從供電系統(tǒng)的角度出發(fā)，分析如何建設綠色數(shù)據(jù)中心。
1、什么是綠色數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)
綠色數(shù)據(jù)中心的本質(zhì)應該是節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展，而不應該只是簡單地追求降低PUE。從供電系統(tǒng)的角度看，主要應包括保證安全可靠性、保證節(jié)能環(huán)保、保證維護管理方便、降低建設成本4個方面的內(nèi)容。
這4個方面是相互關聯(lián)而又互相影響的，甚至在不少情況下還是相互矛盾的。比如：要保證系統(tǒng)的安全可靠性，最簡單的手段就是增加備份;而增加了系統(tǒng)的備份，一方面降低了設備的利用率、降低了系統(tǒng)的效率，不利于節(jié)能減排;另一方面又增加了設備，不利于降低建設成本。而另一些手段在適當降低系統(tǒng)可靠性的情況下，可以大大降低系統(tǒng)的建設成本，但是，同時卻又會增加維護管理的難度。
因此，建設合理的綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)，不是一味追求某一項指標的最優(yōu)化，而是應該根據(jù)實際的需要，在保證安全可靠性、保證節(jié)能環(huán)保、保證維護管理方便、降低建設成本這4個要點中找出一個平衡點，建設出既節(jié)能環(huán)保，又安全可靠、經(jīng)濟適用的系統(tǒng)。[page] 2、如何建設綠色數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)
2.1保證安全可靠性
供電系統(tǒng)是整個通信系統(tǒng)的動力來源，它相當于一個人的“心臟和血管”，負責把能量輸送到系統(tǒng)的每一臺設備。供電系統(tǒng)能夠正常工作，是其他所有系統(tǒng)能夠正常工作的前提和基礎。因此，綠色數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)首先應該是安全可靠的。
然而，由于數(shù)據(jù)中心功耗巨大的特點，使得數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的整體規(guī)模和系統(tǒng)復雜性都大大高于一般通信工程中的供電系統(tǒng)，這又導致了數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的投資規(guī)模和投資比例迅速上升。在一個數(shù)據(jù)中心的建設成本中，供電系統(tǒng)往往是整個數(shù)據(jù)中心投資最大的;如果不考慮服務器設備的投資，供電系統(tǒng)的投資甚至能超過整個數(shù)據(jù)中心建設成本的50%。再考慮到一些數(shù)據(jù)中心是以盈利為目標而建 設的，所以，在建設數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)時，往往又不能像普通的通信工程一樣，為了保證系統(tǒng)安全可靠性，將設備配置和備份做得過大。
正因為上述因素，在現(xiàn)行的數(shù)據(jù)中心相關標準中，不論是國際上的一些標準還是我國的國家標準又或是三大運營商的企業(yè)標準，都提倡根據(jù)數(shù)據(jù)中心運營業(yè)務的重要性，設定不同的建設等級。根據(jù)不同的建設等級，來控制系統(tǒng)的投資規(guī)模，區(qū)分系統(tǒng)的安全性級別，以適應不同的業(yè)務需要。
目前，在市場上各運營商及客戶主要參照的標準有國際標準《數(shù)據(jù)中心電信基礎設施標準》(TIA942)和國標《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》(GB50174)，另外，國際評級機構(gòu)UPTIME也對數(shù)據(jù)機房的等級進行了劃分。TIA942和UPTIME在最近2年均有新版發(fā)布，它們均把數(shù)據(jù)機房劃分為4個等級;而GB50174是2008年編制的，則把數(shù)據(jù)機房劃分為3個等級。不論哪個標準，均按照從低到高的順序，對每個等級應配置的設備、應進行什么樣的備份、應達到什么程度的安全可靠性進行了詳細的規(guī)定。
在這些標準中，GB50174的編制時間相對較早，對等級劃分和設備配置上都存在不少需要改進的地方，目前正處于修訂階段。而TIA942和UPTIME由于是最新修訂版，它們修正了以前版本中諸如儲油時間過長等不合適的要求，同時，設置4個建設級別，使層次更加分明，具備較好的參考價值。但是，這些國際標準中的一些要求并不一定適合中國的國情，比如蓄電池的后備時間，在TIA942中按照等級從低到高規(guī)定了5、7、10和15min，共4種最少時間要求，這一項時間要求對于中國的現(xiàn)行設備狀況和維護水平而言就相對偏短。再比如T4級別中要求的高達20年的蓄電池使用壽命，對于中國目前運營企業(yè)的采購方式和普遍所采用的設備而言，又顯得太長了。
因此，保證數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的安全可靠性，是一個相對的概念，不應為了節(jié)省投資而一味降低配置，也不能為了追求可靠性而隨意提高建設等級、盲目增加備份;而是應根據(jù)所供電設備的實際需求，參考相關標準，按照需要的等級來設置。同時，在參考相關標準時，一定要注意結(jié)合中國國情和企業(yè)的實際情況進行適當調(diào)整，使得配置出的供電系統(tǒng)在各方面均衡協(xié)調(diào)，才能達到希望的效果。
2.2重視節(jié)能環(huán)保
在不可再生能源資源日益稀缺的今天，隨著數(shù)據(jù)中心能耗的急劇增加和電價的逐漸上漲，必然要求盡可能地采取各種必要的技術(shù)措施和管理手段來建立更加節(jié)能、環(huán)保的數(shù)據(jù)中心。
雖然PUE值在衡量一個數(shù)據(jù)中心是否節(jié)能環(huán)保上具有一定的局限性，但在目前的IT行業(yè)中，最常用、最重要和最直觀的評估數(shù)據(jù)中心是否節(jié)能的指標仍舊是PUE值。它代表為支持IT設備的正常運行，機房所配置的所有基礎設施所消耗的總功耗與維持IT設備本身的正常運行所需的功耗之間的相對比值。需要說明的是，有意義的PUE值不應該是一個瞬時值，而應該是在某一個時間段(比如1年)內(nèi)的平均值。
供電系統(tǒng)的節(jié)能效果雖然不是決定一個數(shù)據(jù)中心是否節(jié)能的決定因素，但其對于降低PUE值的作用，同樣不可或缺。我們調(diào)查了國內(nèi)多個數(shù)據(jù)機房的PUE值，發(fā)現(xiàn)在不少實際運行的機房中，PUE值竟然高達2.5以上。而其中一些機房，僅供電系統(tǒng)的消耗就使得PUE值升高了0.3或更多。這固然和系統(tǒng)實際運行負荷遠低于設計建設容量有關，但在供電系統(tǒng)設計建設時，沒有充分考慮節(jié)能降耗也是一個非常重要的原因。另外，供電系統(tǒng)建設中有不少環(huán)節(jié)涉 及對環(huán)境的保護，比如自備發(fā)電機組廢氣的治理和噪聲的降低，對鉛酸蓄電池的回收等，都需要在設計建設階段就做好相應的方案和準備。因此，保證節(jié)能環(huán)保是供電系統(tǒng)設計建設時的一個必要因素。
在保證供電系統(tǒng)安全可靠性和不過多增加系統(tǒng)投資的前提下，提高供電系統(tǒng)的效率仍舊有許多手段，主要可以分為以下幾個方面。
2.2.1優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在設計建設數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)時，應根據(jù)負荷容量、供電距離及分布、用電設備特點等因素合理選擇集中供電或分散供電方式，合理選擇導線截面、線路敷設方案，從而降低導線的使用量，降低配電線路損耗。根據(jù)機房的總體布局以及規(guī)劃情況，合理布置電力機房，使供電電源盡量靠近負荷中心，減少較長送電距離造成的損耗。
另外，在變配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面，適當采用新型的組織結(jié)構(gòu)，以適當?shù)拇鷥r獲取合適的安全可靠性和節(jié)能效果。比如三母線UPS系統(tǒng)，其UPS設備的使用率從雙母線UPS系統(tǒng)的50%以下上升到最大66.7%，從而提高了UPS系統(tǒng)的使用效率，減小了能源消耗。
2.2.2選用新產(chǎn)品和新技術(shù)
用新產(chǎn)品及節(jié)能型設備可減少設備的自身能耗，提高系統(tǒng)的整體節(jié)能效果，是通信局房供電系統(tǒng)節(jié)能的重要措施。
在新興的電源產(chǎn)品方面，如非晶合金干式變壓器，其空載損耗比普通干式變壓器有非常明顯的降低，可以節(jié)省變壓器年運行費用。雖然初期設備投資會比采用普通干式變壓器大，但如果考慮全壽命期內(nèi)的綜合成本，反而是非晶合金干式變壓器可能更有優(yōu)勢。比如高壓直流供電系統(tǒng)，該供電方式由于省去了逆變環(huán)節(jié)，節(jié)約了該項損耗，效率相對傳統(tǒng)的工頻UPS大為提高;而且，直流系統(tǒng)的維護方式對于維護人員來說比較熟悉，控制器件和模塊均比UPS容易維護;另外該系統(tǒng)的蓄電池直接接在負載端，也提高了系統(tǒng)的可靠性。再比如高頻UPS設備(包括模塊化UPS)，相對傳統(tǒng)的6脈沖、12脈沖工頻UPS在效率方面有較明顯的優(yōu)勢。
在新興的節(jié)能技術(shù)方面，目前一些UPS產(chǎn)品具備了“動態(tài)休眠”和“交流直供”技術(shù)，而一些服務器則具備了“電池內(nèi)建”的功能，這些技術(shù)都改變了傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)運行方式，使得UPS系統(tǒng)的整體效率大大得到提升，甚至最高能夠提高到99%以上。
新產(chǎn)品和新技術(shù)，是對現(xiàn)有的產(chǎn)品和技術(shù)措施的改進，在保證系統(tǒng)安全性等因素的前提下，應該積極采用這些新興的產(chǎn)品和技術(shù)，它們往往能夠?qū)?jié)能降耗起到非常重要而顯著的作用。
2.2.3合理進行設備配置
a)合理計算、選擇設備的容量及配置數(shù)量。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，PUE值高于2.5的機房的建設容量往往遠大于實際使用負荷。這些機房由于大量設備都在輕載運行，導致各環(huán)節(jié)的效率都遠低于系統(tǒng)設計效率。因此，在設計建設數(shù)據(jù)中心時，應首先認真對近遠期的發(fā)展情況進行規(guī)劃或預測，然后根據(jù)近遠期的發(fā)展情況，逐步、分批建設供電系統(tǒng)，使設備的利用率和使用效率盡量達到最優(yōu)。
b)補償設備的配置。通過無功補償可以提高設備的運行功率因數(shù)，降低線路的運行電流。在建設供電系統(tǒng)時，應注意就地補償，集中裝設。使補償后供電系統(tǒng)的負荷功率因數(shù)達到0.9甚至0.95以上。[page] 2.2.4合理選擇導線和布放方式
a)布放導線時，應優(yōu)化導線路由，盡量減少導線長度，減少不必要的浪費。
b)對于供電線路較長的情況，在滿足敷設條件、載流量、熱穩(wěn)定、保護配合及電壓降要求的前提下，適當增加導線截面來降低線路損耗。
2.3兼顧維護管理方便
隨著功耗的上升，供電系統(tǒng)的整體規(guī)模也不斷增加。一個普通的通信機樓，其供電系統(tǒng)一般僅引入2路市電，配置2~5臺變壓器和油機以及幾套UPS系統(tǒng)和幾套直流系統(tǒng)。而一個大型數(shù)據(jù)中心甚至是一個大型的數(shù)據(jù)基地，其供電系統(tǒng)所配置的變壓器、油機、UPS系統(tǒng)的數(shù)量動輒就是幾十套甚至數(shù)百套，后備蓄電池的數(shù)量更是可能多達上千套和上萬只。如此眾多的系統(tǒng)和設備，使得大型數(shù)據(jù)中心維護工作量比傳統(tǒng)通信機樓的維護工作量有一個飛躍性的增長。
因此，在設計建設數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)時，必須考慮后期使用維護的方便性。要做到后期使用維護方便，就應該在前期建設時做好如下幾個方面的內(nèi)容。
2.3.1必須提高系統(tǒng)的自動化程度
如此眾多的設備和系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障，完全靠人工來進行恢復需要的時間可以想象肯定較長，而較長的恢復時間往往容易引起業(yè)務中斷。因此，系統(tǒng)應能在一定情況下，自動處理和解除一些簡單的故障。比如一路市電中斷的情況，系統(tǒng)應能自動判斷故障情況并自動轉(zhuǎn)換到另一路市電。再比如兩路市電全部中斷的情況下，系統(tǒng)應能自動啟動油機繼續(xù)保障供電。
2.3.2必須提高系統(tǒng)的智能化管理
如此眾多的設備和系統(tǒng)，完全靠傳統(tǒng)的人工抄表記錄等模式，實在是難以很好地完成。這就要求數(shù)據(jù)中心在設計建設時，同時建立完善的、智能化的監(jiān)控管理系統(tǒng)。由智能化的系統(tǒng)來替代人工進行抄表甚至是設備狀況分析等工作。
2.3.3盡量使系統(tǒng)更簡潔清晰
簡潔的系統(tǒng)更方便負荷分配、也更方便故障的查找和恢復，對提高系統(tǒng)安全性的意義重大，也大大降低了維護管理的難度。比如三母線的UPS系統(tǒng)，其在節(jié)約投資和節(jié)能降耗方面都具有非常明顯的優(yōu)勢，但其在負荷分配和故障查找上比單系統(tǒng)和雙系統(tǒng)UPS都要復雜，給后期維護管理增加了一定的困難。因此，在設計建設供電系統(tǒng)時，就要綜合考慮，合理取舍。
2.4降低建設成本
2.4.1建設理念是控制投資的基礎
控制供電系統(tǒng)的投資規(guī)模首先要把握好綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的建設理念。先進的建設理念應該是定位合適的機房等級，同時在建設時應盡量做到分步建設和保證系統(tǒng)的靈活性。其中，分步建設主要是指要結(jié)合數(shù)據(jù)中心的近遠期負荷需求情況，逐步建設供電系統(tǒng)。規(guī)劃良好的分步建設可以保證每期投入的資金都是必須的，保證建設的供電系統(tǒng)不必因為空置而浪費資金、增加能耗。保證系統(tǒng)靈活性則主要是指使建設的供電系統(tǒng)能夠靈活地適應各種負荷需求、靈活地提高安全等級或降低安全等級，這就需要在系統(tǒng)設計上做好各方面的預留和接口。[page] 2.4.2采用新技術(shù)、新思路節(jié)減投資
由于數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)非常龐大而復雜，在一些關鍵環(huán)節(jié)采用一些新的技術(shù)和思路，往往能夠?qū)?jié)省投資起到非常明顯的作用。比如，采用變壓器直接 深入負荷中心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在普通的供電系統(tǒng)中對投資的影響不算很大，然而，對于規(guī)模龐大的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)則效果非常明顯。
以一個30000m2，平均每機柜設計負荷為6kW的數(shù)據(jù)中心為模型進行計算。由表1可以看出：選擇變壓器直接深入負荷中心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一個30000m2規(guī)模的設計中心總計可節(jié)約的投資在1400萬元左右。另外，還節(jié)約了大量的走線空間，減少了大量低壓電纜的走線通道需求，避免了線路的交叉重疊敷設，使走線路由更通暢，使施工更簡潔方便，相應也提高了系統(tǒng)的安全性。
再比如，采用高壓油機替代低壓油機的方案，在同樣一個30000m2，平均每機柜設計負荷為6kW的數(shù)據(jù)中心里，經(jīng)過計算可以節(jié)省高達約2400萬元左右的投資。而使用三母線的UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)替代雙母線的UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠節(jié)省機房電源部分約20%左右的投資。這些新思路、新理念對于節(jié)省投資、控制成本的作用是不可忽視的。
3、結(jié)束語
數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)龐大而復雜，它是由高壓配電系統(tǒng)、變壓器、低壓配電系統(tǒng)、備用機組系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、后備電池系統(tǒng)、監(jiān)控管理系統(tǒng)等十多個子系統(tǒng)、上百種、成千上萬臺設備組成的。這其中影響供電系統(tǒng)建設投資和使用效果的關鍵因素數(shù)不勝數(shù)，甚至是任一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)瓶頸或者不協(xié)調(diào)，都會影響到供電系統(tǒng)的整體效果。因此，要建設合理的綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)，必須從實際需求出發(fā)、認真細致地進行規(guī)劃設計、把握好保證安全可靠性、重視節(jié)能環(huán)保、兼顧維護管理方便、降低建設成本4個關鍵目標的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一?！ ?/p>
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