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绿色节能 - 正文 运营商投稿当日通信资讯

绿色数据中心供电系统分析

http://www.c114.com.cn ( 2013/5/2 11:14 )

摘    要:提出了绿色数据中心供电系统应具备的特点和优点,并对这些特点和优点逐一进行分析,指出在设计建设绿色数据中心供电系统时,应如何考虑各环节的方案,如何选择各方面的平衡,才能建设出合理的绿色数据中心供电系统。

关键词:绿色数据中心;供电系统;安全可靠性;节能环保;维护;建设成本

中图分类号:TN86

文献标识码:A           

文章编号:1007-3043(2012)09-0001-04

0  前言

近年来,随着互联网计算机技术的发展,基于互联网提供的各种服务也变得越来越多。作为这些互联网应用服务载体的数据中心,其建设需求也在不断增加。特别是近几年来,我国三大运营商都投入了大量的资金用于数据中心的建设。目前,全国已经形成了至少数百家大小不一的数据中心。而且,近2年以来,各运营商为了节约成本、便于管理、形成规模化效益,数据中心的建设规模逐渐变得越来越大。

巨大的用电容量给数据中心的建设和运营都带来了巨大的压力,因此,新一代或者说是下一代的数据中心,其发展趋势必然是绿色数据中心。本文将主要从供电系统的角度出发,分析如何建设绿色数据中心。

1  什么是绿色数据中心的供电系统

绿色数据中心的本质应该是节能和可持续发展,而不应该只是简单地追求降低PUE。从供电系统的角度看,主要应包括保证安全可靠性、保证节能环保、保证维护管理方便、降低建设成本4个方面的内容。
        这4个方面是相互关联而又互相影响的,甚至在不少情况下还是相互矛盾的。比如:要保证系统的安全可靠性,最简单的手段就是增加备份;而增加了系统的备份,一方面降低了设备的利用率、降低了系统的效率,不利于节能减排;另一方面又增加了设备,不利于降低建设成本。而另一些手段在适当降低系统可靠性的情况下,可以大大降低系统的建设成本,但是,同时却又会增加维护管理的难度。

因此,建设合理的绿色数据中心供电系统,不是一味追求某一项指标的最优化,而是应该根据实际的需要,在保证安全可靠性、保证节能环保、保证维护管理方便、降低建设成本这4个要点中找出一个平衡点,建设出既节能环保,又安全可靠、经济适用的系统。

2  如何建设绿色数据中心的供电系统

2.1  保证安全可靠性

供电系统是整个通信系统的动力来源,它相当于一个人的“心脏和血管”,负责把能量输送到系统的每一台设备。供电系统能够正常工作,是其他所有系统能够正常工作的前提和基础。因此,绿色数据中心的供电系统首先应该是安全可靠的。

然而,由于数据中心功耗巨大的特点,使得数据中心供电系统的整体规模和系统复杂性都大大高于一般通信工程中的供电系统,这又导致了数据中心供电系统的投资规模和投资比例迅速上升。在一个数据中心的建设成本中,供电系统往往是整个数据中心投资最大的;如果不考虑服务器设备的投资,供电系统的投资甚至能超过整个数据中心建设成本的50%。再考虑到一些数据中心是以盈利为目标而建设的,所以,在建设数据中心的供电系统时,往往又不能像普通的通信工程一样,为了保证系统安全可靠性,将设备配置和备份做得过大。

正因为上述因素,在现行的数据中心相关标准中,不论是国际上的一些标准还是我国的国家标准又或是三大运营商的企业标准,都提倡根据数据中心运营业务的重要性,设定不同的建设等级。根据不同的建设等级,来控制系统的投资规模,区分系统的安全性级别,以适应不同的业务需要。

目前,在市场上各运营商及客户主要参照的标准有国际标准《数据中心电信基础设施标准》(TIA942)和国标《电子信息系统机房设计规范》(GB 50174),另外,国际评级机构UPTIME也对数据机房的等级进行了划分。TIA942和UPTIME在最近2年均有新版发布,它们均把数据机房划分为4个等级;而GB 50174是2008年编制的,则把数据机房划分为3个等级。不论哪个标准,均按照从低到高的顺序,对每个等级应配置的设备、应进行什么样的备份、应达到什么程度的安全可靠性进行了详细的规定。

在这些标准中,GB 50174的编制时间相对较早,对等级划分和设备配置上都存在不少需要改进的地方,目前正处于修订阶段。而TIA942和UPTIME由于是最新修订版,它们修正了以前版本中诸如储油时间过长等不合适的要求,同时,设置4个建设级别,使层次更加分明,具备较好的参考价值。但是,这些国际标准中的一些要求并不一定适合中国的国情,比如蓄电池的后备时间,在TIA942中按照等级从低到高规定了5、7、10和15 min,共4种最少时间要求,这一项时间要求对于中国的现行设备状况和维护水平而言就相对偏短。再比如T4级别中要求的高达20年的蓄电池使用寿命,对于中国目前运营企业的采购方式和普遍所采用的设备而言,又显得太长了。

因此,保证数据中心供电系统的安全可靠性,是一个相对的概念,不应为了节省投资而一味降低配置,也不能为了追求可靠性而随意提高建设等级、盲目增加备份;而是应根据所供电设备的实际需求,参考相关标准,按照需要的等级来设置。同时,在参考相关标准时,一定要注意结合中国国情和企业的实际情况进行适当调整,使得配置出的供电系统在各方面均衡协调,才能达到希望的效果。

2.2  重视节能环保

在不可再生能源资源日益稀缺的今天,随着数据中心能耗的急剧增加和电价的逐渐上涨,必然要求尽可能地采取各种必要的技术措施和管理手段来建立更加节能、环保的数据中心。

虽然PUE值在衡量一个数据中心是否节能环保上具有一定的局限性,但在目前的IT行业中,最常用、最重要和最直观的评估数据中心是否节能的指标仍旧是PUE值。它代表为支持IT设备的正常运行,机房所配置的所有基础设施所消耗的总功耗与维持IT设备本身的正常运行所需的功耗之间的相对比值。需要说明的是,有意义的PUE值不应该是一个瞬时值,而应该是在某一个时间段(比如1年)内的平均值。

供电系统的节能效果虽然不是决定一个数据中心是否节能的决定因素,但其对于降低PUE值的作用,同样不可或缺。我们调查了国内多个数据机房的PUE值,发现在不少实际运行的机房中,PUE值竟然高达2.5以上。而其中一些机房,仅供电系统的消耗就使得PUE值升高了0.3或更多。这固然和系统实际运行负荷远低于设计建设容量有关,但在供电系统设计建设时,没有充分考虑节能降耗也是一个非常重要的原因。另外,供电系统建设中有不少环节涉及对环境的保护,比如自备发电机组废气的治理和噪声的降低,对铅酸蓄电池的回收等,都需要在设计建设阶段就做好相应的方案和准备。因此,保证节能环保是供电系统设计建设时的一个必要因素。

在保证供电系统安全可靠性和不过多增加系统投资的前提下,提高供电系统的效率仍旧有许多手段,主要可以分为以下几个方面。

2.2.1  优化系统结构

在设计建设数据中心供电系统时,应根据负荷容量、供电距离及分布、用电设备特点等因素合理选择集中供电或分散供电方式,合理选择导线截面、线路敷设方案,从而降低导线的使用量,降低配电线路损耗。根据机房的总体布局以及规划情况,合理布置电力机房,使供电电源尽量靠近负荷中心,减少较长送电距离造成的损耗。

另外,在变配电系统结构以及UPS系统结构等方面,适当采用新型的组织结构,以适当的代价获取合适的安全可靠性和节能效果。比如三母线UPS系统,其UPS设备的使用率从双母线UPS系统的50%以下上升到最大66.7%,从而提高了UPS系统的使用效率,减小了能源消耗。

2.2.2  选用新产品和新技术

用新产品及节能型设备可减少设备的自身能耗,提高系统的整体节能效果,是通信局房供电系统节能的重要措施。

在新兴的电源产品方面,如非晶合金干式变压器,其空载损耗比普通干式变压器有非常明显的降低,可以节省变压器年运行费用。虽然初期设备投资会比采用普通干式变压器大,但如果考虑全寿命期内的综合成本,反而是非晶合金干式变压器可能更有优势。比如高压直流供电系统,该供电方式由于省去了逆变环节,节约了该项损耗,效率相对传统的工频UPS大为提高;而且,直流系统的维护方式对于维护人员来说比较熟悉,控制器件和模块均比UPS容易维护;另外该系统的蓄电池直接接在负载端,也提高了系统的可靠性。再比如高频UPS设备(包括模块化UPS),相对传统的6脉冲、12脉冲工频UPS在效率方面有较明显的优势。

在新兴的节能技术方面,目前一些UPS产品具备了“动态休眠”和“交流直供”技术,而一些服务器则具备了“电池内建”的功能,这些技术都改变了传统的UPS系统运行方式,使得UPS系统的整体效率大大得到提升,甚至最高能够提高到99%以上。

新产品和新技术,是对现有的产品和技术措施的改进,在保证系统安全性等因素的前提下,应该积极采用这些新兴的产品和技术,它们往往能够对节能降耗起到非常重要而显著的作用。

2.2.3  合理进行设备配置

a) 合理计算、选择设备的容量及配置数量。在调查中发现,PUE值高于2.5的机房的建设容量往往远大于实际使用负荷。这些机房由于大量设备都在轻载运行,导致各环节的效率都远低于系统设计效率。因此,在设计建设数据中心时,应首先认真对近远期的发展情况进行规划或预测,然后根据近远期的发展情况,逐步、分批建设供电系统,使设备的利用率和使用效率尽量达到最优。

b) 补偿设备的配置。通过无功补偿可以提高设备的运行功率因数,降低线路的运行电流。在建设供电系统时,应注意就地补偿,集中装设。使补偿后供电系统的负荷功率因数达到0.9甚至0.95以上。

2.2.4  合理选择导线和布放方式

a) 布放导线时,应优化导线路由,尽量减少导线长度,减少不必要的浪费。

b) 对于供电线路较长的情况,在满足敷设条件、载流量、热稳定、保护配合及电压降要求的前提下,适当增加导线截面来降低线路损耗。

2.3  兼顾维护管理方便

随着功耗的上升,供电系统的整体规模也不断增加。一个普通的通信机楼,其供电系统一般仅引入2路市电,配置2~5台变压器和油机以及几套UPS系统和几套直流系统。而一个大型数据中心甚至是一个大型的数据基地,其供电系统所配置的变压器、油机、UPS系统的数量动辄就是几十套甚至数百套,后备蓄电池的数量更是可能多达上千套和上万只。如此众多的系统和设备,使得大型数据中心维护工作量比传统通信机楼的维护工作量有一个飞跃性的增长。

因此,在设计建设数据中心供电系统时,必须考虑后期使用维护的方便性。要做到后期使用维护方便,就应该在前期建设时做好如下几个方面的内容。

2.3.1  必须提高系统的自动化程度。

如此众多的设备和系统,一旦出现故障,完全靠人工来进行恢复需要的时间可以想象肯定较长,而较长的恢复时间往往容易引起业务中断。因此,系统应能在一定情况下,自动处理和解除一些简单的故障。比如一路市电中断的情况,系统应能自动判断故障情况并自动转换到另一路市电。再比如两路市电全部中断的情况下,系统应能自动启动油机继续保障供电。

2.3.2  必须提高系统的智能化管理

如此众多的设备和系统,完全靠传统的人工抄表记录等模式,实在是难以很好地完成。这就要求数据中心在设计建设时,同时建立完善的、智能化的监控管理系统。由智能化的系统来替代人工进行抄表甚至是设备状况分析等工作。

2.3.3  尽量使系统更简洁清晰

简洁的系统更方便负荷分配、也更方便故障的查找和恢复,对提高系统安全性的意义重大,也大大降低了维护管理的难度。比如三母线的UPS系统,其在节约投资和节能降耗方面都具有非常明显的优势,但其在负荷分配和故障查找上比单系统和双系统UPS都要复杂,给后期维护管理增加了一定的困难。因此,在设计建设供电系统时,就要综合考虑,合理取舍。

2.4  降低建设成本

2.4.1  建设理念是控制投资的基础

控制供电系统的投资规模首先要把握好绿色数据中心供电系统的建设理念。先进的建设理念应该是定位合适的机房等级,同时在建设时应尽量做到分步建设和保证系统的灵活性。其中,分步建设主要是指要结合数据中心的近远期负荷需求情况,逐步建设供电系统。规划良好的分步建设可以保证每期投入的资金都是必须的,保证建设的供电系统不必因为空置而浪费资金、增加能耗。保证系统灵活性则主要是指使建设的供电系统能够灵活地适应各种负荷需求、灵活地提高安全等级或降低安全等级,这就需要在系统设计上做好各方面的预留和接口。

2.4.2  采用新技术、新思路节减投资

由于数据中心的供电系统非常庞大而复杂,在一些关键环节采用一些新的技术和思路,往往能够对节省投资起到非常明显的作用。比如,采用变压器直接深入负荷中心的系统结构在普通的供电系统中对投资的影响不算很大,然而,对于规模庞大的数据中心供电系统则效果非常明显。

以一个30 000 m2,平均每机柜设计负荷为6 kW的数据中心为模型进行计算。由表1可以看出:选择变压器直接深入负荷中心的系统结构,一个30 000 m2规模的设计中心总计可节约的投资在1 400万元左右。另外,还节约了大量的走线空间,减少了大量低压电缆的走线通道需求,避免了线路的交叉重叠敷设,使走线路由更通畅,使施工更简洁方便,相应也提高了系统的安全性。

再比如,采用高压油机替代低压油机的方案,在同样一个30 000 m2,平均每机柜设计负荷为6 kW的数据中心里,经过计算可以节省高达约2 400万元左右的投资。而使用三母线的UPS系统结构替代双母线的UPS系统结构能够节省机房电源部分约20%左右的投资。这些新思路、新理念对于节省投资、控制成本的作用是不可忽视的。

3  结束语

数据中心的供电系统庞大而复杂,它是由高压配电系统、变压器、低压配电系统、备用机组系统、UPS系统、直流系统、后备电池系统、监控管理系统等十多个子系统、上百种、成千上万台设备组成的。这其中影响供电系统建设投资和使用效果的关键因素数不胜数,甚至是任一个环节出现瓶颈或者不协调,都会影响到供电系统的整体效果。因此,要建设合理的绿色数据中心供电系统,必须从实际需求出发、认真细致地进行规划设计、把握好保证安全可靠性、重视节能环保、兼顾维护管理方便、降低建设成本4个关键目标的协调和统一。

作者:滕达,杨瑛洁   来源:邮电设计技术

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