數據中心供配電系統節能設計研究

任國軍　楊志堅

摘 要：供配電系統是數據中心平穩運行的基礎與前提，面向數據中心提供照明、新風、精密空調、UPS、網絡設備、控制室設備、加濕系統、維修照明、服務器等分類式電源支持，也是數據中心系統內能耗巨大的一個部分。如何實現數據中心供配電系統的節能目標是備受各方人員重視的問題之一。本文即重點針對數據中心供配電系統節能設計方面的相關問題進行分析與研究，望能夠促進數據中心供配電系統節能效益目標的實現。

關鍵詞：數據中心；供配電系統；節能；設計

中圖分類號： TM7 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）18-186-2

0 引言

建設面向大數據和云服務的數據中心，是物聯網和智慧城市的信息基礎。如今的數據中心正面臨著一個異常現實而又緊迫的問題：能源危機。大量服務器和交換機的應用，盡管如今的服務器和交換機的規模要比之前小得多，但能源消耗量卻在大幅增加。越來越多的高密度計算設備放置在一個較小的空間內，使電源密度和熱量到達臨界水平，常常導致無法有效地對現有設備進行冷卻，出現系統故障，或是無法添加其他設備。因此在數據中心供配電系統的建設運行過程中，必須高度重視節能設計策略的應用，以能源節約為中心目標，兼顧數據中心供配電系統的安全穩定運行與節能效益雙重目標的實現。

1 設計需求

數據中心供配電系統設計需求主要為：第一，數據中心供配電系統相關設備應當按照容錯系統標準進行配置，在數據中心供配電系統正常運行過程中，不得因外部電源終端、設備故障、誤動拒動以及其他因素導致供配電系統的正常運行受影響；第二，不間斷電源系統應當按照2N標準配置且備用電池連續應用時間應達到15分鐘以上；第三，應選用柴油式發電機作為數據中心供配電系統內后備電源，并根據實際情況進行靈活切換。

2 節能設計要點

照明系統設計中：根據現行《電子信息系統機房設計規范》標準要求，數據中心主要場所照度標準如表1所示。

信息化機房照明系統照度要求需達到500lx以上，其他輔助區域照度要求則應達到300lx以上。為此，在數據中心機房內，照明裝置優先選用雙管格柵LED燈，按照>500lx標準設計照度，機房配電室以及電池間則按照>300lx標準設計照度，應急照明照度設計值則應按照>50lx標準設計。應急照明部分應有UPS專用電源提供供電支持，覆蓋機房各個死角區域。同時，為方便數據中心機房上機人員緊急處理存盤后緊急撤離，必須在機房出口各個樓道位置設置標志燈，標志燈供電電源為自帶蓄電池，要求在緊急情況下延時達到90分鐘以上。機房內其他相關機具則選用智能化系統控制，根據數據中心工作人員實際需求對場景進行調整，以平衡照明與節能效果，其他輔助區域選用分組、分區控制模式，以達到良好的節能效果。

在防雷接地設計中，數據中心供配電系統機房接地系統應當與大樓聯合接地，接地系統接線方式為TN-S式，獨立設置地線與零線，在正常情況下PE線無負荷電流，與PE線路相連相關供配電設備金屬外殼正常情況下不帶電運行，防雷接地性能安全可靠。機房內應沿機柜以及墻壁布置30×3銅帶，銅線截面積建議控制為6.0mm2，活動地板下方則選用截面積為25.0mm2編織式銅線進行敷設，形成間距<1.2m的網格系統，并與均壓等電位帶連接形成等電位接地網絡，使機房內相關設備經銅線實現與等電位接地網絡的可靠連接。

當前大部分數據中心機房UPS在各種負載工況下均全部投入運行，但對于初級機房的輕負載狀態而言有非常大的能源浪費問題，且潛在并機系統震蕩、UPS故障等問題。針對該問題，從降低能耗的角度上來看，可以在數據中心機房UPS系統中嘗試引入綠色休眠節能技術，即當機房負載水平偏低時，根據負載大小調控UPS投入臺數，以滿足n+1冗余供電為前提，退出多余UIPS并進入休眠狀態。數據中心機房管理人員可以根據機房負載水平變化的容滯回線預先設置UPS投入/退出限制，實現對休眠/喚醒功能的自動調控。通過對該技術手段的應用，能夠在有效降低數據中心機房能耗水平的同時，提高UPS供電系統可靠性。

數據中心可以通過引入240V高壓直流供電的方式或將240V高壓直流供電與市電直供相結合，以達到節能降耗的目的。相較于UPS系統而言，高壓直流供電模式下省略了逆變器環節，通過控制轉換步驟的方式提高系統電能轉化效率。在數據機房的實際應用中，采用240V高壓直流供電方案下，電池直接掛在服務器輸入端，無需經過逆變環節處理，因此可實現連續不間斷的供電，同時設計方案采用模塊化結構，維護簡單且方便，系統擴容性能好，對降低數據中心PUE指標水平有重要價值，為數據中心節能降耗提供了新的思路與途徑。

在有關機房空調配電系統的設計中，應設計兩套配電系統面向機房相關設備進行交叉式配電，其基本結構如圖1所示（見圖1）。在空調配電系統中，可通過在空調機組外設置壓力傳感器的方式，及時采集送風區間內送風壓力的變化趨勢，經控制器計算后得到理論轉速需求，按照該數據對組網內機組控制指令進行分配，以合理控制機房內風機轉速，避免出現機房耗電量增大的問題，達到節能設計的目標。

3 結束語

目前我國數據中心產業雖然已經開始呈現出向規模化、集中化、綠色化、布局合理化發展的趨勢，政府采購云服務也涌現出一些成功的案例。但總體來看，目前全國數據中心產業仍存在一些問題。仍有一半以上的數據中心設計PUE沒有達到1.5的規劃要求，特別是中小型數據中心在綠色節能方面差距較大，同時數量龐大的老舊數據中心改造任務也頗為艱巨。在數據中心容量日益增加的今天，提高能源利用效率是解決數據中心能源危機的最佳途徑。本文即重點針對數據中心供配電系統節能設計方面的相關問題進行分析與探討，望能夠促進數據中心供配電系統節能效益目標的實現。

參 考 文 獻

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