基于5G的大數據中心供電系統節電策略研究

王小穩

（廣東郵電職業技術學院，廣東 廣州 510665）

0 引 言

隨著5G網絡的建設和普及，與之相關聯的垂直行業應用都將產生海量數據。5G的大帶寬、低時延特性只能解決這些海量數據的傳輸問題，而這些數據的計算、存儲等都會對現有數據中心的容量和處理能力帶來巨大的壓力和挑戰。根據相關資料，到2025年全球數據中心的耗電量將占到全球能耗的33%。從國內看，全國數據中心的耗電量也在快速增加。據統計，從2011年—2016年，全國數據中心耗電量每年以超過10%的速度快速增長。2017年，國內數據中心總耗電量達到1300億kW·h，而同年三峽大壩全年發電總量為976.05億kW·h。2018年，全國數據中心總耗電量達到1500億kW·h，占社會總用電量的2%。預計到2025年，占比將達到4.05%。隨著5G各種應用的逐漸成熟，數據中心耗電量將快速增加。因此，本文將重點圍繞如何降低數據中心的能耗問題開展數據中心供電系統節電策略的研究。

1 數據中心節能的必要性

近年來，國內數據中心的建設呈現出快速增長的發展趨勢，通信、醫療、互聯網、電力、金融等行業紛紛建設獨立的數據中心與容災備份中心。5G網絡、云計算及物聯網的普及催生了海量數據中心的需求，而數據中心的大規模建設必將對電力供應產生巨大的影響。在北京、上海等數據中心較集中的地區，其電力供應已出現飽和問題，已無法支撐更多新建設的數據中心。隨著5G網絡和數據中心規模的快速增長，全球各企業對節能降耗的需求也越來越迫切，在建設新的數據中心時都將電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值列為一項重要的考核指標，爭取達到更低的PUE值，以實現建設綠色節能數據中心的目標。例如，微軟公司在都柏林建設的數據中心機房PUE值已達到1.25；Google公司現有部分數據中心的PUE已經降低到1.11。而國內數據中心的PUE平均值基本在1.8～2.0，在數據中心綠色節能設計方面與國外存在差距，其設計思想及理念非常值得借鑒[1,2]。

根據對國內大量數據中心耗電量的調查統計，部分面積約為1 000 m2但未采用顯著節能措施的數據中心每年消耗的電量基本都在500萬kW·h。由此可知，對于新建的數據中心進行節能降耗十分重要。從各大數據中心對電力的需求來看，建設節能、綠色的數據中心迫在眉睫。

2 數據中心能耗結構

數據中心的電力一般由數據中心所在地區的電網或專用發電設施提供，經過變電、配電等多個環節處理后為數據中心機房的用電設備提供電源支撐[3-5]。數據中心機房的能耗主要由以下設備產生：一是IT設備；二是制冷系統設備；三是供配電系統設備；四是其他設備。

典型數據中心能耗構成如圖1所示。其中，數據中心機房設備能耗比重從大到小依次為IT設備（50%）、制冷系統設備（35%）、供配電系統設備（10%）以及其他消耗電能的數據中心設施（5%）。

圖1 典型數據中心能耗構成

2.1 IT設備

IT設備包括數據中心的數據存儲、計算、網絡服務等不同類型的設備，用于承載在數據中心機房中運行的各種應用系統，并為用戶提供信息處理、存儲、通信等服務，同時支撐數據中心的監控管理和運行維護。IT設備的具體類型包括4種。一是服務器類，如刀片式（含機框）、機架式或塔式等不同形式的服務器；二是存儲類，包括磁帶庫、磁盤陣列及SAN交換機等存儲設備、虛擬帶庫等備份設備；三是網絡類，包括路由器、交換機以及防火墻、負載均衡、VPN等各類專用網絡設備；四是IT支撐類，主要包括用于運行維護的KVM等附屬設備。

2.2 制冷設備

數據中心制冷設備是為保證IT設備在適宜溫度、濕度環境下運行而建立的配套設施，主要包括以下類型。一是機房內所使用的空調設備，包括機房專用空調、精密空調、濕度調節設備等；二是為IT設備降溫提供冷源的設備，包括冷水機組、風冷室外機、冷卻塔、水處理以及水泵等。此外，如果數據中心有使用新風系統，則還包括送風風扇、回風風扇、風閥等。

2.3 供配電系統

數據中心供配電系統是為數據中心機房內所有需要動力電源的設備提供穩定、可靠動力電源支持的系統。本項目所闡述的數據中心供配電系統是從電源線路進用戶起經過高/低壓供配電設備到負載止的整個電路系統，主要包括高壓變配電系統、柴油發電機系統、自動轉換開關系統、輸入低壓配電系統、不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）系統、UPS輸出列頭配電系統以及機架配電系統等，具體如圖2所示[6,7]。

圖2 數據中心供配電系統框架

此外，數據中心的供配電系統還負責為數據中心機房內的照明系統、空調系統及其他系統提供電能的分配與輸入，從而保證數據中心的正常運營。

2.4 其他設施

其他設施指數據中心機房內其他需要消耗電能的基礎設施及附屬設備，包括照明設備、安防設備、傳感器以及數據中心相關建筑的管理系統等。

3 數據中心供電系統節能措施

結合數據中心能耗的特點，數據中心降耗要從節電開始，可從數據中心供電系統的6大環節考慮，即發電、配電、變換、負載、溫控以及維管[8-10]。

3.1 發 電

在發電環節降低能耗除了提升發電效率之外，還要提高負載率，避免多次宕機。就像家里使用的節能燈泡一樣，如果反復短時間內進行開關，節能燈泡和普通燈泡表現無異，甚至壽命比普通燈泡還低。只有長時間開啟節能燈泡，相比普通燈泡的節能優勢才會顯露出來。一些數據中心的備用電源采用的是柴油發電機或者蓄電池發電，這些方式都是用于應急，短時間維持供電沒有問題，時間一長便會因為供電不足而停機，因此數據中心的備用電源也很重要。由于一般備用電源的轉換效率都不高，會浪費不少供電原料，因此采用兩路市電供電相比采用備用電源的方式要好些。

3.2 配 電

一般發電廠都不在數據中心附近，線路的傳輸損耗率較高。在配電階段，可以通過提升供電電壓來提升配電能效，通過使用更短或更粗的主回路來減少線損，同時還可以通過部署一體化的高效通信能源系統來提升配電能效。若采用一體化的供電系統，甚至可以將配電能效提升到99%以上，這樣對數據中心帶來的節能效果是非常明顯的。例如原來數據中心的配電能效是95%，每年要消耗掉100萬kW的電能，若將配電能效提升到99%，那么數據中心每年要消耗掉的電能是96萬kW，節能效果非常明顯。

3.3 變 換

電能進入數據中心后，最終要分流到各個設備上。早期的設備電源轉換效率普遍在85%左右，轉換效率不高，而目前的電源轉換效率都可達到95%以上。盡快淘汰數據中心里的老設備，尤其是老舊的電源。除了設備電源外，還有UPS、PSU等這些供電轉換設備，應該采用變換效率高的產品取代老舊設備，通過使用變換效率高的電源部件無形中就節省了電能。

3.4 負 載

數據中心里包含成大量設備，每個設備在運行時都在耗電，如果每一臺設備都能節省一點電能，那么所有設備節省的電能加起來數量就非常驚人。現在提倡數據中心綠色建設，也包含使用綠色數據中心產品。所謂綠色數據中心產品就是從設備設計的方方面面都會考慮到節能，盡量使用低功耗器件。通過軟件智能調節設備能耗，在保證設備正常運轉的情況下節省電能。

3.5 溫 控

為了確保數據中心設備正常運行，必須要全年保持數據中心內部基本恒溫，這樣就必須結合空調制冷系統一起考慮。空調系統是數據中心里的耗電大戶，空調系統的耗電幾乎占到了整個數據中心耗電的35%左右，若能降低空調系統的耗電將非常有意義。現在的數據中心大部分采用全局制冷的方式，若采用智能通風等方式，則可以有效提升溫控系統的能效。若能充分利用自然冷卻的方式，其為數據中心節省的電能也是相當可觀的。

3.6 維 管

數據中心運維管理的水平對降低能耗也非常重要，高可靠的一體化設計再加上高效的管理可以有效降低數據中心的能耗。例如引入AI型智能管理系統對設備進行管理，避免設備空載運行，提升設備的運行效率。智能系統可以實時感知服務器的運行情況，從而調整電力、散熱等資源的供給，最大化減少能源的浪費。此外，對人員的管理也很重要，進出數據中心時關閉不必要的照明光源，及時關閉沒有必要運行的設備，適當調高機房溫度，在運維中處處以降低能耗的標準來開展工作，從而有效提升數據中心運轉效率，降低能耗。

4 結 論

節能降耗是貫穿數據中心全生命周期的重要因素，同時也貫穿數據中心機樓建設、配套建設、IT系統建設以及運維管理等工作全過程。供配電系統在數據中心整個工作過程中都起著非常重要的作用，隨著數據中心的大規模興起，其基本完成了從設備到系統、從單系統到冗余系統建設的階段。與此同時，供電系統的安全性、可用性、可維護性及可管理性也得到了極大的提高。從保護環境、節約能源的角度出發，積極采取相關措施，從而降低數據中心能耗。