數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)運(yùn)行能耗優(yōu)化探討與應(yīng)用

一、前言

全國人大代表、中國信息通信研究院院長劉多在接受人民網(wǎng)財經(jīng)連線采訪時表示，“新基建"是構(gòu)筑數(shù)字經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展之基，培育新動能，推動發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵力量，“新基建"將為經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新動能。從新基建的系統(tǒng)圖我們能看到數(shù)據(jù)中心的建設(shè)占用顯著的位置；隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也呈現(xiàn)爆發(fā)式增長的勢頭，其能耗的增長也引起了越來越多的關(guān)注，據(jù)相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計，目前我國數(shù)據(jù)中心的年耗電量已超過社會總耗電量的1.5%；作為專業(yè)的數(shù)據(jù)中心技術(shù)人員需要高度重視數(shù)據(jù)中心能耗的增加，需要全面認(rèn)識數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)，為不同類型的數(shù)據(jù)中心提供優(yōu)化合理的節(jié)能減排方案；UPS系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵設(shè)備電源系統(tǒng)的供應(yīng)和保障系統(tǒng)，其系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行方式對數(shù)據(jù)中心能耗有至關(guān)重要的作用。

圖1新基建系統(tǒng)圖

二、數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)概述

降本增效是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個重要課題，數(shù)據(jù)中心能耗的不斷增加對新基建而言也是一個重要的課題，數(shù)據(jù)中心中UPS系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行方式對其降低能耗有十分重要的意義。在對UPS系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行方式的探討前，對數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)的評價體系的了解有助于我們構(gòu)建更優(yōu)秀的運(yùn)行體系；對于不同類型的數(shù)據(jù)中心而言，不同的是用途，相同的是都有基本一致的能效指標(biāo)，目前數(shù)據(jù)中心常用的有以下四種能效指標(biāo)：

.       PUE：是目前國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心較流行的衡量數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效的綜合指標(biāo)，計算方法為：PUE=PTotal/PIT。其中，PTotal為數(shù)據(jù)中心各類設(shè)備的能耗總和，PIT為IT設(shè)備能耗總和。UPS系統(tǒng)的能耗在基礎(chǔ)設(shè)施中占有相當(dāng)大的比重，顯然，對UPS系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化能提升數(shù)據(jù)中心PUE。

.       pPUE：pPUE其實是PUE概念的進(jìn)一步細(xì)分討論，是對數(shù)據(jù)中心局部區(qū)域或設(shè)備的能效進(jìn)行評估和分析。采用pPUE指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)中心能效評測時，關(guān)鍵的一步是對數(shù)據(jù)中心的合理分區(qū)。

.       CLF/PLF：CLF/PLF分別是制冷/供電負(fù)載與IT設(shè)備能耗比值。從管理的角度來說這兩個比值比PUE更能準(zhǔn)確體現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的能效。在該評價體系中PLF的大小如UPS系統(tǒng)息息相關(guān)。

.       RER：再生能源的利用是數(shù)據(jù)中心今后一個重要的課題，RER就是用于衡量數(shù)據(jù)中心利用可再生能源的一個指標(biāo)，RER指標(biāo)的提升，可以減少數(shù)據(jù)中心的碳排放。目前主要的再生能源有太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿取?/span>

三、數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)構(gòu)建及系統(tǒng)運(yùn)行能耗優(yōu)化

數(shù)據(jù)中心作為新基建的重點(diǎn)方向之一，機(jī)遇往往伴隨挑戰(zhàn)，新基建也對數(shù)據(jù)中心的發(fā)展提出來更高的要求，比如能耗方面，UPS系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行就是我們需要重點(diǎn)關(guān)注的一個方面；數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)的構(gòu)建和系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，需要從UPS系統(tǒng)選型、IT設(shè)備供電需求、UPS運(yùn)行方式、如何保證電源質(zhì)量等方面進(jìn)行充分的考慮；下面進(jìn)行簡單分析：

.       合理的UPS系統(tǒng)構(gòu)建

UPS系統(tǒng)的合理構(gòu)建對于數(shù)據(jù)中心來說有至關(guān)重要的意義，目前市場上的UPS機(jī)組既有傳統(tǒng)的高頻、工頻機(jī)組，也有模塊化UPS的機(jī)組，高壓直流供配電系統(tǒng)代替常規(guī)的UPS供配電系統(tǒng)的供配電技術(shù)也逐步被一些數(shù)據(jù)中心所接受，但高頻或工頻UPS供配電系統(tǒng)仍然是主流；合理的系統(tǒng)構(gòu)建對數(shù)據(jù)中心的能耗體系有重大的影響，下面進(jìn)行簡單的分析：

.       工頻機(jī)UPS供電解決方案

目前50%以上的數(shù)據(jù)中心采用工頻機(jī)UPS供電，主要原因是其采用技術(shù)較為成熟和可靠可控硅相控整流技術(shù)，同時在供配電中采用“1+1"雙總線供電方案,其優(yōu)點(diǎn)有：解決單點(diǎn)故障、容錯能力好，可靠性高、控制簡單；對各種成本越來越高的數(shù)據(jù)中心而言，工頻機(jī)UPS安裝占地面積大、安裝場地承重要求高、功率因數(shù)低、使用成本高也制約其進(jìn)一步的發(fā)展

.       高頻機(jī)UPS供電解決方案

以前對高頻UPS顧慮就是大功率IGBT模塊的技術(shù)瓶頸，隨著大功率IGBT模塊制作工藝的提高，采用IGBT整流型的高頻UPS也逐漸被較多數(shù)據(jù)中心的技術(shù)人員所接受，高頻機(jī)對數(shù)據(jù)中心技術(shù)人員認(rèn)可的技術(shù)變化是不需要輸出隔離變壓器，其供配電系統(tǒng)和工頻UPS一樣采用“1+1"雙總線供電方案；與工頻UPS對比其占地面積小、場地承重要求低、解決單點(diǎn)故障瓶頸、容錯能力好、功率因數(shù)高、使用成本低等優(yōu)勢就顯得意義重大了；當(dāng)然高頻機(jī)UPS供電解決方案仍然有較多的缺點(diǎn)，比如：高頻諧波多、負(fù)載端“零地"電壓較高等；由于一些進(jìn)口品牌服務(wù)器廠家對“零地"電壓小于1V的“過份"要求，因此對于計算節(jié)點(diǎn)使用較多的數(shù)據(jù)中心在構(gòu)建UPS系統(tǒng)時，對UPS選型不是特別專業(yè)的技術(shù)人員往往容易受這點(diǎn)影響而堅持選用工頻機(jī)；但從80%以上新建數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建選擇來看，高頻機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)建是數(shù)據(jù)中心未來供電系統(tǒng)的必然趨勢。

.       構(gòu)建UPS系統(tǒng)的合理容量選擇

構(gòu)建一個合理容量的UPS系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心來說意義重大，UPS系統(tǒng)的構(gòu)建需要考慮較多的因數(shù)，其效率和成本是比較重要的兩個因數(shù)。從技術(shù)的角度出發(fā)，我們只對效率進(jìn)行探討，對于UPS系統(tǒng)的構(gòu)建把握兩個關(guān)鍵數(shù)字，50%和±15%，理解50%的關(guān)鍵就在于UPS系統(tǒng)負(fù)載在50%以上時其有比較高的效率，當(dāng)?shù)?/span>于50%負(fù)載時，其效率就急劇下降。±15%是指用戶選型時選取效率與輸出功率的關(guān)系曲線和直流電壓變化±15%時的效率。充分理解50%和±15%專業(yè)的技術(shù)人員就能構(gòu)建合理容量的UPS系統(tǒng)；從成本角度講，機(jī)器的效率高，可以節(jié)省成本，選用容量時，也可以更加優(yōu)化。

（二）UPS系統(tǒng)運(yùn)行方式選擇

對于一個數(shù)據(jù)中心而言，UPS系統(tǒng)的運(yùn)行方式是由數(shù)據(jù)中心內(nèi)計算、存儲、交換等IT設(shè)備的需求決定的。IT設(shè)備的總功率決定了UPS系統(tǒng)容量，IT設(shè)備電源輸入回路需求決定了UPS系統(tǒng)組成方式。下面從多種因素結(jié)合討論數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)運(yùn)行能耗優(yōu)化問題。

1.UPS單機(jī)運(yùn)行

對于規(guī)模很小的數(shù)據(jù)中心，或者說有投資限制的數(shù)據(jù)中心，很多采用單機(jī)運(yùn)行；對于該類型的數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化很簡單，設(shè)備選型很重要，選擇系統(tǒng)效率高的高頻機(jī)或模塊化UPS能從根本上提升該數(shù)據(jù)中心的PUE值；如果設(shè)備選型已經(jīng)為工頻機(jī)的就根據(jù)市電的電源質(zhì)量和設(shè)備的重要程度合理選擇單機(jī)的運(yùn)行模式。如果市電電源質(zhì)量可靠是可以選擇大多數(shù)UPS具有的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。

圖2UPS系統(tǒng)單機(jī)節(jié)能運(yùn)行模式

2.UPS單系統(tǒng)并機(jī)運(yùn)行

圖3UPS互動熱備份（ATS）運(yùn)行

隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴(kuò)大或IT設(shè)備重要性的增加，數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)的設(shè)備選型和運(yùn)行方式必須轉(zhuǎn)為并機(jī)運(yùn)行，當(dāng)然并機(jī)方式有多種，比如主從熱備份、互動熱備份、互動熱備份（ATS）、冗余（N+X）并機(jī)；大多數(shù)數(shù)據(jù)中心會選擇互動熱備份（ATS）或冗余（N+X）并機(jī)；對于選擇互動熱備份（ATS）系統(tǒng)來說，優(yōu)化系統(tǒng)能耗效率當(dāng)然直接的辦法是選用系統(tǒng)效率高的高頻機(jī)組，既可以保障系統(tǒng)的可靠性，又可以在單機(jī)輪換運(yùn)行時提升和降低機(jī)組本身的能耗。

3.UPS多系統(tǒng)并機(jī)運(yùn)行

圖4UPS冗余（N+X）運(yùn)行

隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大或IT設(shè)備對電源冗余度提升，數(shù)據(jù)中心中UPS系統(tǒng)的構(gòu)建規(guī)模是越來越大，需要解決的問題和考慮的制約因素有越多，比如說現(xiàn)在很多重要程度很高的數(shù)據(jù)中心中IT設(shè)備對電源的冗余度要求很高，從雙電源逐步提升4電源、6電源、8電源，針對這類型的IT設(shè)備供電，單系統(tǒng)并機(jī)的UPS機(jī)組已經(jīng)不能滿足其需求，我們就需求為其設(shè)計多組如圖三的N+X冗余系統(tǒng)來滿足其需求；針對數(shù)據(jù)中心多電源設(shè)備的大量采用，其實大多數(shù)數(shù)據(jù)中心均采用AB路供電模式，即用兩套或多套N+X冗余系統(tǒng)來保障IT設(shè)備的供電，這也為數(shù)據(jù)中心降低能耗提供了機(jī)會，在市電質(zhì)量可靠的地區(qū)我們可以輪流把AB路UPS系統(tǒng)采用節(jié)能模式或公共旁路模式甚至直接采用可靠性較高的市電，即能保障數(shù)據(jù)中心的可靠性又能降低數(shù)據(jù)中心能耗。

四、安科瑞能耗統(tǒng)計分析（能源管理）解決方案

1.能效管理解決方案介紹

建立高效的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，對建筑各類耗能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實時測量，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及績效考核指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費(fèi)情況，提高人員主動節(jié)能的意識。

①　搭建數(shù)據(jù)中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架，對各個用能環(huán)節(jié)進(jìn)行實時監(jiān)測；

②　排碳數(shù)據(jù)化：通過系統(tǒng)可實現(xiàn)建筑單位內(nèi)人均能耗分析（包括水、電、能量），實現(xiàn)低碳辦公數(shù)據(jù)化；

③　區(qū)域能效比：實現(xiàn)建筑單位內(nèi)區(qū)域能耗對比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對比，方便節(jié)能數(shù)據(jù)分析；

⑤　能耗評估管理：按照能源消耗定額標(biāo)準(zhǔn)約束值、標(biāo)準(zhǔn)值、引導(dǎo)值進(jìn)行分析單位面積能耗和人均能耗指標(biāo)；

⑥　能耗競爭排名：各個功能區(qū)能耗對比，實現(xiàn)能耗排名，增強(qiáng)工作人員的節(jié)能意識；

⑦　對能耗的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析、統(tǒng)計、打印和查詢等功能，并根據(jù)能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的需要可選擇不同樣式報表的打印。為能耗運(yùn)營管理部門提供可靠的依據(jù)；

⑧　能耗數(shù)據(jù)采集，隨時查詢，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，監(jiān)測異常能源用量，對能源智能儀表故障進(jìn)行報警，提高系統(tǒng)信息化、自動化水平。

2.能源管理系統(tǒng)硬件配置

五、結(jié)語

數(shù)據(jù)中心的安全、高效、可靠運(yùn)行是我們所有從業(yè)人員的首要目標(biāo)，在安全、高效、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上保證數(shù)據(jù)中心的綠色、低碳運(yùn)行也是所有從業(yè)人員的義務(wù)。UPS系統(tǒng)的合理選型和系統(tǒng)合理構(gòu)建，比如UPS系統(tǒng)合理容量選擇、選擇單機(jī)運(yùn)行效率高的高頻機(jī)、市電與UPS系統(tǒng)的混合供電、電源質(zhì)量越來越高的市電直接為IT設(shè)備供電，也需要數(shù)據(jù)中心設(shè)計人員及運(yùn)維工作者去推廣和積累更多的經(jīng)驗。

【參考文獻(xiàn)】

[1]任妍.新基建為經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新動能[J].人民網(wǎng)財經(jīng)頻道,2020,5.

[2]周鶴良.電氣工程師手冊[J].中國電力出版社,2010,4:223-230.

[3]張謙.喬蔚林，數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)運(yùn)行能耗優(yōu)化探討

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.5版