數(shù)據(jù)中心在建設(shè)時對于供電專項方案的一些思考

中心在建設(shè)時對于供電方案部分思索多年來，伴隨互聯(lián)網(wǎng)和計算機技術(shù)發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)提供多種服務(wù)也變得越來越多。作為這些互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)載體數(shù)據(jù)中心，其建設(shè)需求也在不停增加。尤其是近幾年來，中國三大運行商全部投入了大量資金用于數(shù)據(jù)中心建設(shè)?，F(xiàn)在，全國已經(jīng)形成了最少數(shù)百家大小不一數(shù)據(jù)中心。而且，近2年以來，各運行商為了節(jié)省成本、便于管理、形成規(guī)?；б妫瑪?shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模逐步變得越來越大。巨大用電容量給數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運行全部帶來了巨大壓力，所以，新一代或說是下一代數(shù)據(jù)中心，其發(fā)展趨勢肯定是綠色數(shù)據(jù)中心。本文關(guān)鍵討論是亞洲首家Tier4等級數(shù)據(jù)中心：蘇州國科數(shù)據(jù)中心在建設(shè)時對于供電方案部分思索。1什么是綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)綠色數(shù)據(jù)中心本質(zhì)應(yīng)該是節(jié)能和可連續(xù)發(fā)展，而不應(yīng)該只是簡單地追求降低PUE。從供電系統(tǒng)角度看，關(guān)鍵應(yīng)包含確保安全可靠性、確保節(jié)能環(huán)境保護、確保維護管理方便、降低建設(shè)成本4個方面內(nèi)容。這4個方面是相互關(guān)聯(lián)而又相互影響，甚至在不少情況下還是相互矛盾。比如：要確保系統(tǒng)安全可靠性，最簡單手段就是增加備份;而增加了系統(tǒng)備份，首先降低了設(shè)備利用率、降低了系統(tǒng)效率，不利于節(jié)能減排;其次又增加了設(shè)備，不利于降低建設(shè)成本。而另部分手段在合適降低系統(tǒng)可靠性情況下，能夠大大降低系統(tǒng)建設(shè)成本，不過，同時卻又會增加維護管理難度。所以，建設(shè)合理綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)，不是一味追求某一項指標(biāo)最優(yōu)化，而是應(yīng)該依據(jù)實際需要，在確保安全可靠性、確保節(jié)能環(huán)境保護、確保維護管理方便、降低建設(shè)成本這4個關(guān)鍵點中找出一個平衡點，建設(shè)出既節(jié)能環(huán)境保護，又安全可靠、經(jīng)濟適用系統(tǒng)。2怎樣建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)2.1確保安全可靠性供電系統(tǒng)是整個通信系統(tǒng)動力起源，它相當(dāng)于一個人“心臟和血管”，負責(zé)把能量輸送到系統(tǒng)每一臺設(shè)備。供電系統(tǒng)能夠正常工作，是其它全部系統(tǒng)能夠正常工作前提和基礎(chǔ)。所以，綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)首先應(yīng)該是安全可靠。然而，因為數(shù)據(jù)中心功耗巨大特點，使得數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)整體規(guī)模和系統(tǒng)復(fù)雜性全部大大高于通常通信工程中供電系統(tǒng)，這又造成了數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)投資規(guī)模和投資百分比快速上升。在一個數(shù)據(jù)中心建設(shè)成本中，供電系統(tǒng)往往是整個數(shù)據(jù)中心投資最大;假如不考慮服務(wù)器設(shè)備投資，供電系統(tǒng)投資甚至能超出整個數(shù)據(jù)中心建設(shè)成本50%。再考慮到部分?jǐn)?shù)據(jù)中心是以盈利為目標(biāo)而建設(shè)，所以，在建設(shè)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)時，往往又不能像一般通信工程一樣，為了確保系統(tǒng)安全可靠性，將設(shè)備配置和備份做得過大。正因為上述原因，在現(xiàn)行數(shù)據(jù)中心相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，不管是國際上部分標(biāo)準(zhǔn)還是中國國家標(biāo)準(zhǔn)又或是三大運行商企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，全部提倡依據(jù)數(shù)據(jù)中心運行業(yè)務(wù)關(guān)鍵性，設(shè)定不一樣建設(shè)等級。依據(jù)不一樣建設(shè)等級，來控制系統(tǒng)投資規(guī)模，區(qū)分系統(tǒng)安全性等級，以適應(yīng)不一樣業(yè)務(wù)需要。現(xiàn)在，在市場上各運行商及用戶關(guān)鍵參考標(biāo)準(zhǔn)有國際標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》(TIA942)和國家標(biāo)準(zhǔn)《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》(GB50174)，另外，國際評級機構(gòu)UPTIME也對數(shù)據(jù)機房等級進行了劃分。TIA942和UPTIME在最近2年全部有新版公布，它們均把數(shù)據(jù)機房劃分為4個等級;而GB50174是編制，則把數(shù)據(jù)機房劃分為3個等級。不管哪個標(biāo)準(zhǔn)，均根據(jù)從低到高次序，對每個等級應(yīng)配置設(shè)備、應(yīng)進行什么樣備份、應(yīng)達成什么程度安全可靠性進行了具體要求。在這些標(biāo)準(zhǔn)中，GB50174編制時間相對較早，對等級劃分和設(shè)備配置上全部存在不少需要改善地方，現(xiàn)在正處于修訂階段。而TIA942和UPTIME因為是最新修訂版，它們修正了以前版本中諸如儲油時間過長等不適宜要求，同時，設(shè)置4個建設(shè)等級，使層次愈加分明，含有很好參考價值。不過，這些國際標(biāo)準(zhǔn)中部分要求并不一定適合中國國情，比如蓄電池后備時間，在TIA942中根據(jù)等級從低到高要求了5、7、10和15min，共4種最少時間要求，這一項時間要求對于中國現(xiàn)行設(shè)備情況和維護水平而言就相對偏短。再比如T4等級中要求高達20年蓄電池使用壽命，對于中國現(xiàn)在運行企業(yè)采購方法和普遍所采取設(shè)備而言，又顯得太長了。所以，確保數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)安全可靠性，是一個相正確概念，不應(yīng)為了節(jié)省投資而一味降低配置，也不能為了追求可靠性而隨意提升建設(shè)等級、盲目增加備份;而是應(yīng)依據(jù)所供電設(shè)備實際需求，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)需要等級來設(shè)置。同時，在參考相關(guān)標(biāo)按時，一定要注意結(jié)合中國國情和企業(yè)實際情況進行合適調(diào)整，使得配置出供電系統(tǒng)在各方面均衡協(xié)調(diào)，才能達成期望效果。2.2重視節(jié)能環(huán)境保護在不可再生能源資源日益稀缺今天，伴隨數(shù)據(jù)中心能耗急劇增加和電價逐步上漲，肯定要求盡可能地采取多種必需技術(shù)方法和管理手段來建立愈加節(jié)能、環(huán)境保護數(shù)據(jù)中心。即使PUE值在衡量一個數(shù)據(jù)中心是否節(jié)能環(huán)境保護上含有一定不足，但在現(xiàn)在IT行業(yè)中，最常見、最關(guān)鍵和最直觀評定數(shù)據(jù)中心是否節(jié)能指標(biāo)依舊是PUE值。它代表為支持IT設(shè)備正常運行，機房所配置全部基礎(chǔ)設(shè)施所消耗總功耗和維持IT設(shè)備本身正常運行所需功耗之間相對比值。需要說明是，有意義PUE值不應(yīng)該是一個瞬時值，而應(yīng)該是在某一個時間段(比如1年)內(nèi)平均值。供電系統(tǒng)節(jié)能效果即使不是決定一個數(shù)據(jù)中心是否節(jié)能決定原因，但其對于降低PUE值作用，一樣不可或缺。我們調(diào)查了中國多個數(shù)據(jù)機房PUE值，發(fā)覺在不少實際運行機房中，PUE值竟然高達2.5以上。而其中部分機房，僅供電系統(tǒng)消耗就使得PUE值升高了0.3或更多。這當(dāng)然和系統(tǒng)實際運行負荷遠低于設(shè)計建設(shè)容量相關(guān)，但在供電系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)時，沒有充足考慮節(jié)能降耗也是一個很關(guān)鍵原因。另外，供電系統(tǒng)建設(shè)中有不少步驟包含對環(huán)境保護，比如自備發(fā)電機組廢氣治理和噪聲降低，對鉛酸蓄電池回收等，全部需要在設(shè)計建設(shè)階段就做好對應(yīng)方案和準(zhǔn)備。所以，確保節(jié)能環(huán)境保護是供電系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)時一個必需原因。在確保供電系統(tǒng)安全可靠性和不過多增加系統(tǒng)投資前提下，提升供電系統(tǒng)效率依舊有很多手段，關(guān)鍵能夠分為以下多個方面。2.2.1優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在設(shè)計建設(shè)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)時，應(yīng)依據(jù)負荷容量、供電距離及分布、用電設(shè)備特點等原因合理選擇集中供電或分散供電方法，合理選擇導(dǎo)線截面、線路敷設(shè)方案，從而降低導(dǎo)線使用量，降低配電線路損耗。依據(jù)機房總體布局和計劃情況，合理部署電力機房，使供電電源盡可能靠近負荷中心，降低較長送電距離造成損耗。另外，在變配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面，合適采取新型組織結(jié)構(gòu)，以合適代價獲取適宜安全可靠性和節(jié)能效果。比如三母線UPS系統(tǒng)，其UPS設(shè)備使用率從雙母線UPS系統(tǒng)50%以下上升到最大66.7%，從而提升了UPS系統(tǒng)使用效率，減小了能源消耗。2.2.2選擇新產(chǎn)品和新技術(shù)用新產(chǎn)品及節(jié)能型設(shè)備可降低設(shè)備本身能耗，提升系統(tǒng)整體節(jié)能效果，是通信局房供電系統(tǒng)節(jié)能關(guān)鍵方法。在新興電源產(chǎn)品方面，如非晶合金干式變壓器，其空載損耗比一般干式變壓器有很顯著降低，能夠節(jié)省變壓器年運行費用。即使早期設(shè)備投資會比采取一般干式變壓器大，但假如考慮全壽命期內(nèi)綜合成本，反而是非晶合金干式變壓器可能更有優(yōu)勢。比如高壓直流供電系統(tǒng)，該供電方法因為省去了逆變步驟，節(jié)省了該項損耗，效率相對傳統(tǒng)工頻UPS大為提升;而且，直流系統(tǒng)維護方法對于維護人員來說比較熟悉，控制器件和模塊均比UPS輕易維護;另外該系統(tǒng)蓄電池直接接在負載端，也提升了系統(tǒng)可靠性。再比如高頻UPS設(shè)備(包含模塊化UPS)，相對傳統(tǒng)6脈沖、12脈沖工頻UPS在效率方面有較顯著優(yōu)勢。在新興節(jié)能技術(shù)方面，現(xiàn)在部分UPS產(chǎn)品含有了“動態(tài)休眠”和“交流直供”技術(shù)，而部分服務(wù)器則含有了“電池內(nèi)建”功效，這些技術(shù)全部改變了傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)運行方法，使得UPS系統(tǒng)整體效率大大得到提升，甚至最高能夠提升到99%以上。新產(chǎn)品和新技術(shù)，是對現(xiàn)有產(chǎn)品和技術(shù)方法改善，在確保系統(tǒng)安全性等原因前提下，應(yīng)該主動采取這些新興產(chǎn)品和技術(shù)，它們往往能夠?qū)?jié)能降耗起到很關(guān)鍵而顯著作用。2.2.3合理進行設(shè)備配置a)合理計算、選擇設(shè)備容量及配置數(shù)量。在調(diào)查中發(fā)覺，PUE值高于2.5機房建設(shè)容量往往遠大于實際使用負荷。這些機房因為大量設(shè)備全部在輕載運行，造成各步驟效率全部遠低于系統(tǒng)設(shè)計效率。所以，在設(shè)計建設(shè)數(shù)據(jù)中心時，應(yīng)首先認(rèn)真對近遠期發(fā)展情況進行計劃或估計，然后依據(jù)近遠期發(fā)展情況，逐步、分批建設(shè)供電系統(tǒng)，使設(shè)備利用率和使用效率盡可能達成最優(yōu)。b)賠償設(shè)備配置。經(jīng)過無功賠償能夠提升設(shè)備運行功率因數(shù)，降低線路運行電流。在建設(shè)供電系統(tǒng)時，應(yīng)注意就地賠償，集中裝設(shè)。使賠償后供電系統(tǒng)負荷功率因數(shù)達成0.9甚至0.95以上。2.2.4合理選擇導(dǎo)線和布放方法a)布放導(dǎo)線時，應(yīng)優(yōu)化導(dǎo)線路由，盡可能降低導(dǎo)線長度，降低無須要浪費。b)對于供電線路較長情況，在滿足敷設(shè)條件、載流量、熱穩(wěn)定、保護配合及電壓降要求前提下，合適增加導(dǎo)線截面來降低線路損耗。2.3兼顧維護管理方便伴隨功耗上升，供電系統(tǒng)整體規(guī)模也不停增加。一個一般通信機樓，其供電系統(tǒng)通常僅引入2路市電，配置2~5臺變壓器和油機和幾套UPS系統(tǒng)和幾套直流系統(tǒng)。而一個大型數(shù)據(jù)中心甚至是一個大型數(shù)據(jù)基地，其供電系統(tǒng)所配置變壓器、油機、UPS系統(tǒng)數(shù)量動輒就是幾十套甚至數(shù)百套，后備蓄電池數(shù)量更是可能多達上千套和上萬只。如此眾多系統(tǒng)和設(shè)備，使得大型數(shù)據(jù)中心維護工作量比傳統(tǒng)通信機樓維護工作量有一個飛躍性增加。所以，在設(shè)計建設(shè)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)時，必需考慮后期使用維護方便性。要做到后期使用維護方便，就應(yīng)該在前期建設(shè)時做好以下多個方面內(nèi)容。2.3.1必需提升系統(tǒng)自動化程度。如此眾多設(shè)備和系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障，完全靠人工來進行恢復(fù)需要時間能夠想象肯定較長，而較長恢復(fù)時間往往輕易引發(fā)業(yè)務(wù)中止。所以，系統(tǒng)應(yīng)能在一定情況下，自動處理和解除部分簡單故障。比如一路市電中止情況，系統(tǒng)應(yīng)能自動判定故障情況并自動轉(zhuǎn)換到另一路市電。再比如兩路市電全部中止情況下，系統(tǒng)應(yīng)能自動開啟油機繼續(xù)保障供電。2.3.2必需提升系統(tǒng)智能化管理如此眾多設(shè)備和系統(tǒng)，完全靠傳統(tǒng)人工抄表統(tǒng)計等模式，實在是難以很好地完成。這就要求數(shù)據(jù)中心在設(shè)計建設(shè)時，同時建立完善、智能化監(jiān)控管理系統(tǒng)。由智能化系統(tǒng)來替換人工進行抄表甚至是設(shè)備情況分析等工作。2.3.3盡可能使系統(tǒng)更簡練清楚簡練系統(tǒng)更方便負荷分配、也更方便故障查找和恢復(fù)，對提升系統(tǒng)安全性意義重大，也大大降低了維護管理難度。比如三母線UPS系統(tǒng)，其在節(jié)省投資和節(jié)能降耗方面全部含有很顯著優(yōu)勢，但其在負荷分配和故障查找上比單系統(tǒng)和雙系統(tǒng)UPS全部要復(fù)雜，給后期維護管理增加了一定困難。所以，在設(shè)計建設(shè)供電系統(tǒng)時，就要綜合考慮，合理取舍。2.4降低建設(shè)成本2.4.1建設(shè)理念是控制投資基礎(chǔ)控制供電系統(tǒng)投資規(guī)模首先要把握好綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)建設(shè)理念。優(yōu)異建設(shè)理念應(yīng)該是定位適宜機房等級，同時在建設(shè)時應(yīng)盡可能做到分步建設(shè)和確保系統(tǒng)靈活性。其中，分步建設(shè)關(guān)鍵是指要結(jié)合數(shù)據(jù)中心近遠期負荷需求情況，逐步建設(shè)供電系統(tǒng)。計劃良好分步建設(shè)能夠確保每期投入資金全部是必需，確保建設(shè)供電系統(tǒng)無須因為空置而浪費資金、增加能耗。確保系統(tǒng)靈活性則關(guān)鍵是指使建設(shè)供電系統(tǒng)能夠靈活地適應(yīng)多種負荷需求、靈活地提升安全等級或降低安全等級，這就需要在系統(tǒng)設(shè)計上做好各方面預(yù)留和接口。2.4.2采取新技術(shù)、新思緒節(jié)減投資因為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)很龐大而復(fù)雜，在部分關(guān)鍵步驟采取部分新技術(shù)和思緒，往往能夠?qū)?jié)省投資起到很顯著作用。比如，采取變壓器直接深入負荷中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在一般供電系統(tǒng)中對投資影響不算很大，然而，對于規(guī)模龐大數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)則效果很顯著。以一個30000m2，平均每機柜設(shè)計負荷為6kW數(shù)據(jù)中心為模型進行計算。由表1能夠看出：選擇變壓器直接深入負荷中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一個30000m2規(guī)模設(shè)計中心總計可節(jié)省投資在1400萬元左右。另外，還節(jié)省了大量走線空間，降低了大量低壓電纜走線通道需求，避免了線路交叉重合敷設(shè)，使走線路由更通暢，使施工更簡練方便，對應(yīng)也提升了系統(tǒng)安全性。再比如，采取高壓油機替換低壓油機方案，在一樣一個30000m2，平均每機柜設(shè)計負荷為6kW數(shù)據(jù)中心里，經(jīng)過計算能夠節(jié)省高達約2400萬元左右投資。而使用三母線UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)替換雙母線UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠節(jié)省機房電源部分約20%左右投資。這些