數(shù)據(jù)中心在建設(shè)時(shí)對(duì)于供電專項(xiàng)方案的一些思考

中心在建設(shè)時(shí)對(duì)于供電方案部分思索多年來，伴隨互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)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(guó)三大運(yùn)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(guó)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(yùn)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(yùn)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(shì)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(jí)數(shù)據(jù)中心：蘇州國(guó)科數(shù)據(jù)中心在建設(shè)時(shí)對(duì)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(jiǎn)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(hù)、確保維護(hù)管理方便、降低建設(shè)成本4個(gè)方面內(nèi)容。這4個(gè)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(jiǎn)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(shí)卻又會(huì)增加維護(hù)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(xiàng)指標(biāo)最優(yōu)化，而是應(yīng)該依據(jù)實(shí)際需要，在確保安全可靠性、確保節(jié)能環(huán)境保護(hù)、確保維護(hù)管理方便、降低建設(shè)成本這4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)中找出一個(gè)平衡點(diǎn)，建設(shè)出既節(jié)能環(huán)境保護(hù)，又安全可靠、經(jīng)濟(jì)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(gè)通信系統(tǒng)動(dòng)力起源，它相當(dāng)于一個(gè)人“心臟和血管”，負(fù)責(zé)把能量輸送到系統(tǒng)每一臺(tái)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?yàn)閿?shù)據(jù)中心功耗巨大特點(diǎn)，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(gè)數(shù)據(jù)中心建設(shè)成本中，供電系統(tǒng)往往是整個(gè)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(gè)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(shí)，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?yàn)樯鲜鲈颍诂F(xiàn)行數(shù)據(jù)中心相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，不管是國(guó)際上部分標(biāo)準(zhǔn)還是中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)又或是三大運(yùn)行商企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，全部提倡依據(jù)數(shù)據(jù)中心運(yùn)行業(yè)務(wù)關(guān)鍵性，設(shè)定不一樣建設(shè)等級(jí)。依據(jù)不一樣建設(shè)等級(jí)，來控制系統(tǒng)投資規(guī)模，區(qū)分系統(tǒng)安全性等級(jí)，以適應(yīng)不一樣業(yè)務(wù)需要?，F(xiàn)在，在市場(chǎng)上各運(yùn)行商及用戶關(guān)鍵參考標(biāo)準(zhǔn)有國(guó)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50174)，另外，國(guó)際評(píng)級(jí)機(jī)構(gòu)UPTIME也對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房等級(jí)進(jìn)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(jī)房劃分為4個(gè)等級(jí);而GB50174是編制，則把數(shù)據(jù)機(jī)房劃分為3個(gè)等級(jí)。不管哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，均根據(jù)從低到高次序，對(duì)每個(gè)等級(jí)應(yīng)配置設(shè)備、應(yīng)進(jìn)行什么樣備份、應(yīng)達(dá)成什么程度安全可靠性進(jìn)行了具體要求。在這些標(biāo)準(zhǔn)中，GB50174編制時(shí)間相對(duì)較早，對(duì)等級(jí)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?yàn)槭亲钚滦抻啺?，它們修正了以前版本中諸如儲(chǔ)油時(shí)間過長(zhǎng)等不適宜要求，同時(shí)，設(shè)置4個(gè)建設(shè)等級(jí)，使層次愈加分明，含有很好參考價(jià)值。不過，這些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中部分要求并不一定適合中國(guó)國(guó)情，比如蓄電池后備時(shí)間，在TIA942中根據(jù)等級(jí)從低到高要求了5、7、10和15min，共4種最少時(shí)間要求，這一項(xiàng)時(shí)間要求對(duì)于中國(guó)現(xiàn)行設(shè)備情況和維護(hù)水平而言就相對(duì)偏短。再比如T4等級(jí)中要求高達(dá)20年蓄電池使用壽命，對(duì)于中國(guó)現(xiàn)在運(yùn)行企業(yè)采購方法和普遍所采取設(shè)備而言，又顯得太長(zhǎng)了。所以，確保數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)安全可靠性，是一個(gè)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(jí)、盲目增加備份;而是應(yīng)依據(jù)所供電設(shè)備實(shí)際需求，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)需要等級(jí)來設(shè)置。同時(shí)，在參考相關(guān)標(biāo)按時(shí)，一定要注意結(jié)合中國(guó)國(guó)情和企業(yè)實(shí)際情況進(jìn)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(dá)成期望效果。2.2重視節(jié)能環(huán)境保護(hù)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(jià)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(hù)數(shù)據(jù)中心。即使PUE值在衡量一個(gè)數(shù)據(jù)中心是否節(jié)能環(huán)境保護(hù)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(píng)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(yùn)行，機(jī)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(yùn)行所需功耗之間相對(duì)比值。需要說明是，有意義PUE值不應(yīng)該是一個(gè)瞬時(shí)值，而應(yīng)該是在某一個(gè)時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)中心是否節(jié)能決定原因，但其對(duì)于降低PUE值作用，一樣不可或缺。我們調(diào)查了中國(guó)多個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房PUE值，發(fā)覺在不少實(shí)際運(yùn)行機(jī)房中，PUE值竟然高達(dá)2.5以上。而其中部分機(jī)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(shí)際運(yùn)行負(fù)荷遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)建設(shè)容量相關(guān)，但在供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)，沒有充足考慮節(jié)能降耗也是一個(gè)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(duì)環(huán)境保護(hù)，比如自備發(fā)電機(jī)組廢氣治理和噪聲降低，對(duì)鉛酸蓄電池回收等，全部需要在設(shè)計(jì)建設(shè)階段就做好對(duì)應(yīng)方案和準(zhǔn)備。所以，確保節(jié)能環(huán)境保護(hù)是供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)一個(gè)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(gè)方面。2.2.1優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)建設(shè)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)依據(jù)負(fù)荷容量、供電距離及分布、用電設(shè)備特點(diǎn)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(jī)房總體布局和計(jì)劃情況，合理部署電力機(jī)房，使供電電源盡可能靠近負(fù)荷中心，降低較長(zhǎng)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(jià)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(yùn)行費(fèi)用。即使早期設(shè)備投資會(huì)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(shì)。比如高壓直流供電系統(tǒng)，該供電方法因?yàn)槭∪チ四孀儾襟E，節(jié)省了該項(xiàng)損耗，效率相對(duì)傳統(tǒng)工頻UPS大為提升;而且，直流系統(tǒng)維護(hù)方法對(duì)于維護(hù)人員來說比較熟悉，控制器件和模塊均比UPS輕易維護(hù);另外該系統(tǒng)蓄電池直接接在負(fù)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(duì)傳統(tǒng)6脈沖、12脈沖工頻UPS在效率方面有較顯著優(yōu)勢(shì)。在新興節(jié)能技術(shù)方面，現(xiàn)在部分UPS產(chǎn)品含有了“動(dòng)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(yùn)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(duì)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(dòng)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(jìn)行設(shè)備配置a)合理計(jì)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(jī)房建設(shè)容量往往遠(yuǎn)大于實(shí)際使用負(fù)荷。這些機(jī)房因?yàn)榇罅吭O(shè)備全部在輕載運(yùn)行，造成各步驟效率全部遠(yuǎn)低于系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。所以，在設(shè)計(jì)建設(shè)數(shù)據(jù)中心時(shí)，應(yīng)首先認(rèn)真對(duì)近遠(yuǎn)期發(fā)展情況進(jìn)行計(jì)劃或估計(jì)，然后依據(jù)近遠(yuǎn)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(dá)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(yùn)行功率因數(shù)，降低線路運(yùn)行電流。在建設(shè)供電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意就地賠償，集中裝設(shè)。使賠償后供電系統(tǒng)負(fù)荷功率因數(shù)達(dá)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(shí)，應(yīng)優(yōu)化導(dǎo)線路由，盡可能降低導(dǎo)線長(zhǎng)度，降低無須要浪費(fèi)。b)對(duì)于供電線路較長(zhǎng)情況，在滿足敷設(shè)條件、載流量、熱穩(wěn)定、保護(hù)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(hù)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(gè)一般通信機(jī)樓，其供電系統(tǒng)通常僅引入2路市電，配置2~5臺(tái)變壓器和油機(jī)和幾套UPS系統(tǒng)和幾套直流系統(tǒng)。而一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心甚至是一個(gè)大型數(shù)據(jù)基地，其供電系統(tǒng)所配置變壓器、油機(jī)、UPS系統(tǒng)數(shù)量動(dòng)輒就是幾十套甚至數(shù)百套，后備蓄電池?cái)?shù)量更是可能多達(dá)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(hù)工作量比傳統(tǒng)通信機(jī)樓維護(hù)工作量有一個(gè)飛躍性增加。所以，在設(shè)計(jì)建設(shè)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)時(shí)，必需考慮后期使用維護(hù)方便性。要做到后期使用維護(hù)方便，就應(yīng)該在前期建設(shè)時(shí)做好以下多個(gè)方面內(nèi)容。2.3.1必需提升系統(tǒng)自動(dòng)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(jìn)行恢復(fù)需要時(shí)間能夠想象肯定較長(zhǎng)，而較長(zhǎng)恢復(fù)時(shí)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(dòng)處理和解除部分簡(jiǎn)單故障。比如一路市電中止情況，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)判定故障情況并自動(dòng)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(dòng)開啟油機(jī)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(jì)等模式，實(shí)在是難以很好地完成。這就要求數(shù)據(jù)中心在設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)，同時(shí)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(jìn)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(jiǎn)練清楚簡(jiǎn)練系統(tǒng)更方便負(fù)荷分配、也更方便故障查找和恢復(fù)，對(duì)提升系統(tǒng)安全性意義重大，也大大降低了維護(hù)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(shì)，但其在負(fù)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(hù)管理增加了一定困難。所以，在設(shè)計(jì)建設(shè)供電系統(tǒng)時(shí)，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(jī)房等級(jí)，同時(shí)在建設(shè)時(shí)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(yuǎn)期負(fù)荷需求情況，逐步建設(shè)供電系統(tǒng)。計(jì)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?yàn)榭罩枚速M(fèi)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(fù)荷需求、靈活地提升安全等級(jí)或降低安全等級(jí)，這就需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?yàn)閿?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(fù)荷中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在一般供電系統(tǒng)中對(duì)投資影響不算很大，然而，對(duì)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(gè)30000m2，平均每機(jī)柜設(shè)計(jì)負(fù)荷為6kW數(shù)據(jù)中心為模型進(jìn)行計(jì)算。由表1能夠看出：選擇變壓器直接深入負(fù)荷中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一個(gè)30000m2規(guī)模設(shè)計(jì)中心總計(jì)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(jiǎn)練方便，對(duì)應(yīng)也提升了系統(tǒng)安全性。再比如，采取高壓油機(jī)替換低壓油機(jī)方案，在一樣一個(gè)30000m2，平均每機(jī)柜設(shè)計(jì)負(fù)荷為6kW數(shù)據(jù)中心里，經(jīng)過計(jì)算能夠節(jié)省高達(dá)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(jī)房電源部分約20%左右投資。這些