王小稳

（广东邮电职业技术学院，广东 广州 510665）

0 引 言

随着5G网络的建设和普及，与之相关联的垂直行业应用都将产生海量数据。5G的大带宽、低时延特性只能解决这些海量数据的传输问题，而这些数据的计算、存储等都会对现有数据中心的容量和处理能力带来巨大的压力和挑战。根据相关资料，到2025年全球数据中心的耗电量将占到全球能耗的33%。从国内看，全国数据中心的耗电量也在快速增加。据统计，从2011年—2016年，全国数据中心耗电量每年以超过10%的速度快速增长。2017年，国内数据中心总耗电量达到1300亿kW·h，而同年三峡大坝全年发电总量为976.05亿kW·h。2018年，全国数据中心总耗电量达到1500亿kW·h，占社会总用电量的2%。预计到2025年，占比将达到4.05%。随着5G各种应用的逐渐成熟，数据中心耗电量将快速增加。因此，本文将重点围绕如何降低数据中心的能耗问题开展数据中心供电系统节电策略的研究。

1 数据中心节能的必要性

近年来，国内数据中心的建设呈现出快速增长的发展趋势，通信、医疗、互联网、电力、金融等行业纷纷建设独立的数据中心与容灾备份中心。5G网络、云计算及物联网的普及催生了海量数据中心的需求，而数据中心的大规模建设必将对电力供应产生巨大的影响。在北京、上海等数据中心较集中的地区，其电力供应已出现饱和问题，已无法支撑更多新建设的数据中心。随着5G网络和数据中心规模的快速增长，全球各企业对节能降耗的需求也越来越迫切，在建设新的数据中心时都将电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值列为一项重要的考核指标，争取达到更低的PUE值，以实现建设绿色节能数据中心的目标。例如，微软公司在都柏林建设的数据中心机房PUE值已达到1.25；Google公司现有部分数据中心的PUE已经降低到1.11。而国内数据中心的PUE平均值基本在1.8～2.0，在数据中心绿色节能设计方面与国外存在差距，其设计思想及理念非常值得借鉴[1,2]。

根据对国内大量数据中心耗电量的调查统计，部分面积约为1 000 m2但未采用显著节能措施的数据中心每年消耗的电量基本都在500万kW·h。由此可知，对于新建的数据中心进行节能降耗十分重要。从各大数据中心对电力的需求来看，建设节能、绿色的数据中心迫在眉睫。

2 数据中心能耗结构

数据中心的电力一般由数据中心所在地区的电网或专用发电设施提供，经过变电、配电等多个环节处理后为数据中心机房的用电设备提供电源支撑[3-5]。数据中心机房的能耗主要由以下设备产生：一是IT设备；二是制冷系统设备；三是供配电系统设备；四是其他设备。

典型数据中心能耗构成如图1所示。其中，数据中心机房设备能耗比重从大到小依次为IT设备（50%）、制冷系统设备（35%）、供配电系统设备（10%）以及其他消耗电能的数据中心设施（5%）。

图1 典型数据中心能耗构成

2.1 IT设备

IT设备包括数据中心的数据存储、计算、网络服务等不同类型的设备，用于承载在数据中心机房中运行的各种应用系统，并为用户提供信息处理、存储、通信等服务，同时支撑数据中心的监控管理和运行维护。IT设备的具体类型包括4种。一是服务器类，如刀片式（含机框）、机架式或塔式等不同形式的服务器；二是存储类，包括磁带库、磁盘阵列及SAN交换机等存储设备、虚拟带库等备份设备；三是网络类，包括路由器、交换机以及防火墙、负载均衡、VPN等各类专用网络设备；四是IT支撑类，主要包括用于运行维护的KVM等附属设备。

2.2 制冷设备

数据中心制冷设备是为保证IT设备在适宜温度、湿度环境下运行而建立的配套设施，主要包括以下类型。一是机房内所使用的空调设备，包括机房专用空调、精密空调、湿度调节设备等；二是为IT设备降温提供冷源的设备，包括冷水机组、风冷室外机、冷却塔、水处理以及水泵等。此外，如果数据中心有使用新风系统，则还包括送风风扇、回风风扇、风阀等。

2.3 供配电系统

数据中心供配电系统是为数据中心机房内所有需要动力电源的设备提供稳定、可靠动力电源支持的系统。本项目所阐述的数据中心供配电系统是从电源线路进用户起经过高/低压供配电设备到负载止的整个电路系统，主要包括高压变配电系统、柴油发电机系统、自动转换开关系统、输入低压配电系统、不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）系统、UPS输出列头配电系统以及机架配电系统等，具体如图2所示[6,7]。

图2 数据中心供配电系统框架

此外，数据中心的供配电系统还负责为数据中心机房内的照明系统、空调系统及其他系统提供电能的分配与输入，从而保证数据中心的正常运营。

2.4 其他设施

其他设施指数据中心机房内其他需要消耗电能的基础设施及附属设备，包括照明设备、安防设备、传感器以及数据中心相关建筑的管理系统等。

3 数据中心供电系统节能措施

结合数据中心能耗的特点，数据中心降耗要从节电开始，可从数据中心供电系统的6大环节考虑，即发电、配电、变换、负载、温控以及维管[8-10]。

3.1 发 电

在发电环节降低能耗除了提升发电效率之外，还要提高负载率，避免多次宕机。就像家里使用的节能灯泡一样，如果反复短时间内进行开关，节能灯泡和普通灯泡表现无异，甚至寿命比普通灯泡还低。只有长时间开启节能灯泡，相比普通灯泡的节能优势才会显露出来。一些数据中心的备用电源采用的是柴油发电机或者蓄电池发电，这些方式都是用于应急，短时间维持供电没有问题，时间一长便会因为供电不足而停机，因此数据中心的备用电源也很重要。由于一般备用电源的转换效率都不高，会浪费不少供电原料，因此采用两路市电供电相比采用备用电源的方式要好些。

3.2 配 电

一般发电厂都不在数据中心附近，线路的传输损耗率较高。在配电阶段，可以通过提升供电电压来提升配电能效，通过使用更短或更粗的主回路来减少线损，同时还可以通过部署一体化的高效通信能源系统来提升配电能效。若采用一体化的供电系统，甚至可以将配电能效提升到99%以上，这样对数据中心带来的节能效果是非常明显的。例如原来数据中心的配电能效是95%，每年要消耗掉100万kW的电能，若将配电能效提升到99%，那么数据中心每年要消耗掉的电能是96万kW，节能效果非常明显。

3.3 变 换

电能进入数据中心后，最终要分流到各个设备上。早期的设备电源转换效率普遍在85%左右，转换效率不高，而目前的电源转换效率都可达到95%以上。尽快淘汰数据中心里的老设备，尤其是老旧的电源。除了设备电源外，还有UPS、PSU等这些供电转换设备，应该采用变换效率高的产品取代老旧设备，通过使用变换效率高的电源部件无形中就节省了电能。

3.4 负 载

数据中心里包含成大量设备，每个设备在运行时都在耗电，如果每一台设备都能节省一点电能，那么所有设备节省的电能加起来数量就非常惊人。现在提倡数据中心绿色建设，也包含使用绿色数据中心产品。所谓绿色数据中心产品就是从设备设计的方方面面都会考虑到节能，尽量使用低功耗器件。通过软件智能调节设备能耗，在保证设备正常运转的情况下节省电能。

3.5 温 控

为了确保数据中心设备正常运行，必须要全年保持数据中心内部基本恒温，这样就必须结合空调制冷系统一起考虑。空调系统是数据中心里的耗电大户，空调系统的耗电几乎占到了整个数据中心耗电的35%左右，若能降低空调系统的耗电将非常有意义。现在的数据中心大部分采用全局制冷的方式，若采用智能通风等方式，则可以有效提升温控系统的能效。若能充分利用自然冷却的方式，其为数据中心节省的电能也是相当可观的。

3.6 维 管

数据中心运维管理的水平对降低能耗也非常重要，高可靠的一体化设计再加上高效的管理可以有效降低数据中心的能耗。例如引入AI型智能管理系统对设备进行管理，避免设备空载运行，提升设备的运行效率。智能系统可以实时感知服务器的运行情况，从而调整电力、散热等资源的供给，最大化减少能源的浪费。此外，对人员的管理也很重要，进出数据中心时关闭不必要的照明光源，及时关闭没有必要运行的设备，适当调高机房温度，在运维中处处以降低能耗的标准来开展工作，从而有效提升数据中心运转效率，降低能耗。

4 结 论

节能降耗是贯穿数据中心全生命周期的重要因素，同时也贯穿数据中心机楼建设、配套建设、IT系统建设以及运维管理等工作全过程。供配电系统在数据中心整个工作过程中都起着非常重要的作用，随着数据中心的大规模兴起，其基本完成了从设备到系统、从单系统到冗余系统建设的阶段。与此同时，供电系统的安全性、可用性、可维护性及可管理性也得到了极大的提高。从保护环境、节约能源的角度出发，积极采取相关措施，从而降低数据中心能耗。