數(shù)據(jù)中心用電合規(guī)性及容量適配性評估分析

姜欣廷，楊子靖，侯辰夫，董 哲

（中國電信股份有限公司 北京分公司，北京 100010）

0 引 言

根據(jù)中國信息通信研究院發(fā)布的《數(shù)據(jù)中心白皮書（2022年）》，2021年我國數(shù)據(jù)中心市場收入規(guī)模已經(jīng)達(dá)到約1 500億元，在數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)高速增長的態(tài)勢下，服務(wù)提供商自主可把控的機(jī)房設(shè)計(jì)及建設(shè)指標(biāo)日趨向《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50174—2017）中的A級機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)對齊，在此方面與客戶的機(jī)房選址技術(shù)要求基本一致。隨著國家“雙碳”政策的不斷推進(jìn)，數(shù)據(jù)中心用電手續(xù)合規(guī)的重要性不斷提升，同時(shí)確保相應(yīng)供電容量的充足也尤為關(guān)鍵，在數(shù)據(jù)中心選址過程中需予以重點(diǎn)關(guān)注。

1 數(shù)據(jù)中心用電合規(guī)手續(xù)分析及容量可用性測算

1.1 節(jié)能審查

近年來，為了有效控制數(shù)據(jù)中心發(fā)展建設(shè)規(guī)模，降低數(shù)據(jù)中心電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE），國家及地方政府均出臺了大量的政策，從源頭上規(guī)范引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。其中，固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目節(jié)能審查意見已經(jīng)成為判斷新建數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目是否具備開工建設(shè)條件、能否竣工驗(yàn)收并投產(chǎn)運(yùn)營以及后續(xù)節(jié)能監(jiān)察以何為標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。

國家發(fā)改委2016年第44號令《固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目節(jié)能審查辦法》中明確提出：對未按本辦法規(guī)定進(jìn)行節(jié)能審查，或節(jié)能審查未獲通過，擅自開工建設(shè)或擅自投入生產(chǎn)、使用的固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目，由節(jié)能審查機(jī)關(guān)責(zé)令停止建設(shè)或停止生產(chǎn)、使用，限期改造；不能改造或逾期不改造的生產(chǎn)性項(xiàng)目，由節(jié)能審查機(jī)關(guān)報(bào)請本級人民政府按照國務(wù)院規(guī)定的權(quán)限責(zé)令關(guān)閉；并依法追究有關(guān)責(zé)任人的責(zé)任[1]。北京市發(fā)改委發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目節(jié)能審查的若干規(guī)定》中也有類似規(guī)定，要求對未通過節(jié)能審查并擅自開工或投產(chǎn)的項(xiàng)目予以停工、停產(chǎn)、停用等處理[2]。

節(jié)能審查報(bào)告已經(jīng)不僅是政府部門在項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)階段從根源上控制和引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心高質(zhì)量綠色發(fā)展的重要抓手，同時(shí)也是對已投產(chǎn)項(xiàng)目的能源使用情況進(jìn)行后評估的重要手段。北京市節(jié)能監(jiān)察大隊(duì)在2020年就開展了面向全市28家數(shù)據(jù)中心的節(jié)能監(jiān)察，并對其中11家PUE超過1.4的數(shù)據(jù)中心單位下發(fā)了節(jié)能監(jiān)察建議書，要求整改。廣東省能源局在2021年也發(fā)布了《關(guān)于明確全省數(shù)據(jù)中心能耗保障相關(guān)要求的通知》，其中明確提出對于已通過節(jié)能審查的數(shù)據(jù)中心，如果建設(shè)地點(diǎn)不在規(guī)劃集聚區(qū)且不同意向規(guī)劃集聚區(qū)轉(zhuǎn)移的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目，能耗由項(xiàng)目所在地市承擔(dān)。對已獲批能評的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目進(jìn)行清理，對獲批兩年后仍未開工建設(shè)的項(xiàng)目一律不予辦理節(jié)能審查意見續(xù)期手續(xù)，依法依規(guī)取消項(xiàng)目節(jié)能審查意見。

1.2 容量可用性測算

數(shù)據(jù)中心節(jié)能審查意見往往篇幅不長，但其中包含了可進(jìn)一步分析的重要信息。在北京地區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)煤的噸位數(shù)值是以當(dāng)量值來計(jì)算，每度電對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)煤為0.122 9 kg（當(dāng)量值）。節(jié)能審查報(bào)告中關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)煤的噸量本質(zhì)上代表了整個(gè)項(xiàng)目的年批復(fù)耗電總量，通過此數(shù)值可以反向推算出項(xiàng)目能夠產(chǎn)出的機(jī)架規(guī)模。假設(shè)某數(shù)據(jù)中心機(jī)架總量為N架，單機(jī)柜功率為PkW，機(jī)柜同時(shí)系數(shù)為K，全年平均PUE為η平均，則數(shù)據(jù)中心年耗電總量為

折合標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量值為

根據(jù)上述公式，在已知數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)年平均PUE為1.3、年綜合耗費(fèi)20 000 000 kg標(biāo)準(zhǔn)煤（當(dāng)量值）的前提下，可以反向推算出該數(shù)據(jù)中心的IT平均瞬時(shí)總負(fù)荷為

假設(shè)單機(jī)柜設(shè)計(jì)功率為5 kW、機(jī)柜同時(shí)系數(shù)為0.9，可以進(jìn)一步測算出能夠產(chǎn)出的機(jī)柜數(shù)量為

1.3 供電方案

數(shù)據(jù)中心為客戶托管服務(wù)器提供穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，電力資源充足是數(shù)據(jù)中心順利投產(chǎn)的決定性因素。節(jié)能審查報(bào)告從政府審批層面上保障了數(shù)據(jù)中心用電的合規(guī)性，但在具體的生產(chǎn)運(yùn)營環(huán)節(jié)中，外市電的供給情況決定了數(shù)據(jù)中心何時(shí)能夠加載多少業(yè)務(wù)量。對于為客戶定制化建設(shè)的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心服務(wù)提供商一般會先行提供由項(xiàng)目所在地國網(wǎng)電力公司提供的高壓供電方案，在高壓供電方案中會明確項(xiàng)目的規(guī)劃供電容量、供電線路數(shù)量以及供電來源（通常為110 kV變電站）。對于供電方案的解讀，需要重點(diǎn)關(guān)注其容量的充足性。需要注意的是，節(jié)能審查報(bào)告中所提到的PUE為數(shù)據(jù)中心全年平均PUE，北京地區(qū)的新建數(shù)據(jù)中心往往可以達(dá)到1.25以下，這也符合《北京市數(shù)據(jù)中心統(tǒng)籌發(fā)展實(shí)施方案（2021—2023年）》中要求的新建云數(shù)據(jù)中心PUE不應(yīng)高于1.3、單機(jī)架功率不應(yīng)低于6 kW[3]。但在數(shù)據(jù)中心實(shí)際運(yùn)行過程中，存在冬季利用自然冷源導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)PUE低、夏季制冷設(shè)備高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致PUE高的情況，冬季和夏季極端場景下的PUE差值可能達(dá)到0.5左右。基于此，在對數(shù)據(jù)中心外市電引入容量充足性的核算上要考慮極端情況[4]。假設(shè)η極端=1.6，則外市電引入容量需滿足：

代入上述數(shù)據(jù)可得：

在進(jìn)行外市電引入容量充足性確認(rèn)時(shí)，不能通過節(jié)能審查批復(fù)推算，要從機(jī)柜配置情況反向推算、確認(rèn)。通過此測算過程可以看出，實(shí)際外市電引入容量大于節(jié)能審查報(bào)告批復(fù)容量是合理且必要的。

在供電方案確定后，數(shù)據(jù)中心建設(shè)單位會與供電公司共同開展工程方案設(shè)計(jì)、施工委托、設(shè)備采購、施工建設(shè)以及工程驗(yàn)收等事宜[5]。數(shù)據(jù)中心正式投產(chǎn)前，服務(wù)提供商還需要提供正式的供電合同。在此過程中，作為客戶使用方，需要重點(diǎn)關(guān)注最終合同供電容量與較早期供電方案容量的一致性。在交付前的假負(fù)載測試過程中，也可以通過外市電高壓母聯(lián)投切等方式對線路實(shí)際承載能力進(jìn)行驗(yàn)證[6]。

2 數(shù)據(jù)中心負(fù)荷計(jì)算解讀

從機(jī)房使用者的角度來看，在數(shù)據(jù)中心選址的過程中不僅要確認(rèn)機(jī)房的用電合規(guī)性手續(xù)，同時(shí)還要重點(diǎn)審查數(shù)據(jù)中心的電力供應(yīng)與規(guī)劃機(jī)柜數(shù)量、容量的匹配性。前期的充分計(jì)算可以有效避免后續(xù)數(shù)據(jù)中心在負(fù)載較高時(shí)出現(xiàn)部分已建設(shè)機(jī)柜無法加電的情況，通常采用負(fù)荷計(jì)算書的方式進(jìn)行相關(guān)計(jì)算、確認(rèn)[7-9]。數(shù)據(jù)中心低壓側(cè)供配電負(fù)荷計(jì)算如表1所示。需要注意的是，各數(shù)據(jù)中心的需用系數(shù)、功率因數(shù)設(shè)計(jì)有所不同，實(shí)際測算中需要進(jìn)行調(diào)整。

表1 數(shù)據(jù)中心低壓側(cè)負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)表1，通過對IT設(shè)備、配套水泵、冷機(jī)以及空調(diào)等基礎(chǔ)設(shè)施用電量的計(jì)算，可以得到數(shù)據(jù)中心所需的低壓側(cè)外市電總?cè)萘?。同時(shí)，將低壓側(cè)外市電總?cè)萘颗c變壓器損耗、高壓冷機(jī)容量相加可以得到外市電總?cè)萘縎總。將S總與外市電引入總?cè)萘窟M(jìn)行對比，可以得出總?cè)萘渴欠駶M足的結(jié)論。除此之外，通過表1也可以測算相關(guān)變壓器、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）的負(fù)載率，確保每一級供電容量的充足性[10]。

3 結(jié) 論

綜上所述，數(shù)據(jù)中心將迎來規(guī)?；?、綠色化發(fā)展的新階段，新建數(shù)據(jù)中心的政策合規(guī)性手續(xù)除節(jié)能審查外，還需要重點(diǎn)關(guān)注環(huán)境評價(jià)、立項(xiàng)以及消防驗(yàn)收等的審批。在選址階段需做好各類文件的全面審核，有助于托管業(yè)務(wù)的長期、穩(wěn)定運(yùn)行。