數據中心UPS系統(tǒng)運行能耗優(yōu)化探討與應用

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：數據中心UPS系統(tǒng)合理的運行方式對數據中心的管理和運行具有十分重要的意義，PUE、pPUE、CLF/PLF、RER是通用的衡量數據中心的能效指標，UPS系統(tǒng)的構建和系統(tǒng)運行方式的選擇能對數據中心的能效指標起到重要作用，當地市電的供電質量對UPS系統(tǒng)運行有重要的影響，靈活的UPS系統(tǒng)運行方式能大程度對數據中心能耗優(yōu)化。

關鍵詞：UPS；能效指標；設備選型；電源質量；能耗優(yōu)化

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財經連線采訪時表示，“新基建"是構筑數字經濟創(chuàng)新發(fā)展之基，培育新動能，推動發(fā)展方式轉變的關鍵力量，“新基建"將為經濟發(fā)展注入新動能。從新基建的系統(tǒng)圖我們能看到數據中心的建設占用顯著的位置；隨著我國經濟的迅猛發(fā)展，數據中心的建設也呈現爆發(fā)式增長的勢頭，其能耗的增長也引起了越來越多的關注，據相關專業(yè)機構統(tǒng)計，目前我國數據中心的年耗電量已超過社會總耗電量的1.5%；作為專業(yè)的數據中心技術人員需要高度重視數據中心能耗的增加，需要全面認識數據中心能效指標，為不同類型的數據中心提供優(yōu)化合理的節(jié)能減排方案；UPS系統(tǒng)作為數據中心關鍵設備電源系統(tǒng)的供應和保障系統(tǒng)，其系統(tǒng)的構建和運行方式對數據中心能耗有至關重要的作用。

圖1新基建系統(tǒng)圖

二、數據中心能效指標概述

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

1. PUE：是目前國內外數據中心較流行的衡量數據中心基礎設施能效的綜合指標，計算方法為：PUE=PTotal/PIT。其中，PTotal為數據中心各類設備的能耗總和，PIT為IT設備能耗總和。UPS系統(tǒng)的能耗在基礎設施中占有相當大的比重，顯然，對UPS系統(tǒng)運行的優(yōu)化能提升數據中心PUE。

2. pPUE：pPUE其實是PUE概念的進一步細分討論，是對數據中心局部區(qū)域或設備的能效進行評估和分析。采用pPUE指標進行數據中心能效評測時，關鍵的一步是對數據中心的合理分區(qū)。

3. CLF/PLF：CLF/PLF分別是制冷/供電負載與IT設備能耗比值。從管理的角度來說這兩個比值比PUE更能準確體現數據中心的能效。在該評價體系中PLF的大小如UPS系統(tǒng)息息相關。

4. RER：再生能源的利用是數據中心今后一個重要的課題，RER就是用于衡量數據中心利用可再生能源的一個指標，RER指標的提升，可以減少數據中心的碳排放。目前主要的再生能源有太陽能、風能、水能、生物質能、地熱能和海洋能等。

三、數據中心UPS系統(tǒng)構建及系統(tǒng)運行能耗優(yōu)化

數據中心作為新基建的重點方向之一，機遇往往伴隨挑戰(zhàn)，新基建也對數據中心的發(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)化運行就是我們需要重點關注的一個方面；數據中心UPS系統(tǒng)的構建和系統(tǒng)優(yōu)化運行，需要從UPS系統(tǒng)選型、IT設備供電需求、UPS運行方式、如何保證電源質量等方面進行充分的考慮；下面進行簡單分析：

1. 合理的UPS系統(tǒng)構建

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

1. 工頻機UPS供電解決方案

目前50%以上的數據中心采用工頻機UPS供電，主要原因是其采用技術較為成熟和可靠可控硅相控整流技術，同時在供配電中采用“1+1"雙總線供電方案,其優(yōu)點有：解決單點故障、容錯能力好，可靠性高、控制簡單；對各種成本越來越高的數據中心而言，工頻機UPS安裝占地面積大、安裝場地承重要求高、功率因數低、使用成本高也制約其進一步的發(fā)展

1. 高頻機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也逐漸被較多數據中心的技術人員所接受，高頻機對數據中心技術人員認可的技術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、解決單點故障瓶頸、容錯能力好、功率因數高、使用成本低等優(yōu)勢就顯得意義重大了；當然高頻機UPS供電解決方案仍然有較多的缺點，比如：高頻諧波多、負載端“零地"電壓較高等；由于一些進口品牌服務器廠家對“零地"電壓小于1V的“過份"要求，因此對于計算節(jié)點使用較多的數據中心在構建UPS系統(tǒng)時，對UPS選型不是特別專業(yè)的技術人員往往容易受這點影響而堅持選用工頻機；但從80%以上新建數據中心的構建選擇來看，高頻機系統(tǒng)的構建是數據中心未來供電系統(tǒng)的必然趨勢。

1. 構建UPS系統(tǒng)的合理容量選擇

構建一個合理容量的UPS系統(tǒng)對數據中心來說意義重大，UPS系統(tǒng)的構建需要考慮較多的因數，其效率和成本是比較重要的兩個因數。從技術的角度出發(fā)，我們只對效率進行探討，對于UPS系統(tǒng)的構建把握兩個關鍵數字，50%和±15%，理解50%的關鍵就在于UPS系統(tǒng)負載在50%以上時其有比較高的效率，當低于50%負載時，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)的技術人員就能構建合理容量的UPS系統(tǒng)；從成本角度講，機器的效率高，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)運行方式選擇

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

1.UPS單機運行

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

圖2UPS系統(tǒng)單機節(jié)能運行模式

2.UPS單系統(tǒng)并機運行

圖3UPS互動熱備份（ATS）運行

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

3.UPS多系統(tǒng)并機運行

圖4UPS冗余（N+X）運行

隨著數據中心規(guī)模的進一步擴大或IT設備對電源冗余度提升，數據中心中UPS系統(tǒng)的構建規(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，比如說現在很多重要程度很高的數據中心中IT設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設備供電，單系統(tǒng)并機的UPS機組已經不能滿足其需求，我們就需求為其設計多組如圖三的N+X冗余系統(tǒng)來滿足其需求；針對數據中心多電源設備的大量采用，其實大多數數據中心均采用AB路供電模式，即用兩套或多套N+X冗余系統(tǒng)來保障IT設備的供電，這也為數據中心降低能耗提供了機會，在市電質量可靠的地區(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，即能保障數據中心的可靠性又能降低數據中心能耗。

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)，對建筑各類耗能設備能耗數據進行實時測量，對采集數據進行統(tǒng)計和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經濟指標及績效考核指標，發(fā)現能源使用規(guī)律和能源浪費情況，提高人員主動節(jié)能的意識。

①　搭建數據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)進行實時監(jiān)測；

②　排碳數據化：通過系統(tǒng)可實現建筑單位內人均能耗分析（包括水、電、能量），實現低碳辦公數據化；

③　區(qū)域能效比：實現建筑單位內區(qū)域能耗對比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實現同年、同期、同一區(qū)域能耗對比，方便節(jié)能數據分析；

⑤　能耗評估管理：按照能源消耗定額標準約束值、標準值、引導值進行分析單位面積能耗和人均能耗指標；

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

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

⑧　能耗數據采集，隨時查詢，并根據采集數據進行統(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、結語

數據中心的安全、高效、可靠運行是我們所有從業(yè)人員的首要目標，在安全、高效、可靠運行的基礎上保證數據中心的綠色、低碳運行也是所有從業(yè)人員的義務。UPS系統(tǒng)的合理選型和系統(tǒng)合理構建，比如UPS系統(tǒng)合理容量選擇、選擇單機運行效率高的高頻機、市電與UPS系統(tǒng)的混合供電、電源質量越來越高的市電直接為IT設備供電，也需要數據中心設計人員及運維工作者去推廣和積累更多的經驗。

【參考文獻】

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