数据中心在建设时对于供电专项方案的一些思考

中心在建设时对于供电方案部分思索多年来，伴随互联网和计算机技术发展，基于互联网提供多种服务也变得越来越多。作为这些互联网应用服务载体数据中心，其建设需求也在不停增加。尤其是近几年来，中国三大运行商全部投入了大量资金用于数据中心建设。现在，全国已经形成了最少数百家大小不一数据中心。而且，近2年以来，各运行商为了节省成本、便于管理、形成规模化效益，数据中心建设规模逐步变得越来越大。巨大用电容量给数据中心建设和运行全部带来了巨大压力，所以，新一代或说是下一代数据中心，其发展趋势肯定是绿色数据中心。本文关键讨论是亚洲首家Tier4等级数据中心：苏州国科数据中心在建设时对于供电方案部分思索。1什么是绿色数据中心供电系统绿色数据中心本质应该是节能和可连续发展，而不应该只是简单地追求降低PUE。从供电系统角度看，关键应包含确保安全可靠性、确保节能环境保护、确保维护管理方便、降低建设成本4个方面内容。这4个方面是相互关联而又相互影响，甚至在不少情况下还是相互矛盾。比如：要确保系统安全可靠性，最简单手段就是增加备份;而增加了系统备份，首先降低了设备利用率、降低了系统效率，不利于节能减排;其次又增加了设备，不利于降低建设成本。而另部分手段在合适降低系统可靠性情况下，能够大大降低系统建设成本，不过，同时却又会增加维护管理难度。所以，建设合理绿色数据中心供电系统，不是一味追求某一项指标最优化，而是应该依据实际需要，在确保安全可靠性、确保节能环境保护、确保维护管理方便、降低建设成本这4个关键点中找出一个平衡点，建设出既节能环境保护，又安全可靠、经济适用系统。2怎样建设绿色数据中心供电系统2.1确保安全可靠性供电系统是整个通信系统动力起源，它相当于一个人“心脏和血管”，负责把能量输送到系统每一台设备。供电系统能够正常工作，是其它全部系统能够正常工作前提和基础。所以，绿色数据中心供电系统首先应该是安全可靠。然而，因为数据中心功耗巨大特点，使得数据中心供电系统整体规模和系统复杂性全部大大高于通常通信工程中供电系统，这又造成了数据中心供电系统投资规模和投资百分比快速上升。在一个数据中心建设成本中，供电系统往往是整个数据中心投资最大;假如不考虑服务器设备投资，供电系统投资甚至能超出整个数据中心建设成本50%。再考虑到部分数据中心是以盈利为目标而建设，所以，在建设数据中心供电系统时，往往又不能像一般通信工程一样，为了确保系统安全可靠性，将设备配置和备份做得过大。正因为上述原因，在现行数据中心相关标准中，不管是国际上部分标准还是中国国家标准又或是三大运行商企业标准，全部提倡依据数据中心运行业务关键性，设定不一样建设等级。依据不一样建设等级，来控制系统投资规模，区分系统安全性等级，以适应不一样业务需要。现在，在市场上各运行商及用户关键参考标准有国际标准《数据中心电信基础设施标准》(TIA942)和国家标准《电子信息系统机房设计规范》(GB50174)，另外，国际评级机构UPTIME也对数据机房等级进行了划分。TIA942和UPTIME在最近2年全部有新版公布，它们均把数据机房划分为4个等级;而GB50174是编制，则把数据机房划分为3个等级。不管哪个标准，均根据从低到高次序，对每个等级应配置设备、应进行什么样备份、应达成什么程度安全可靠性进行了具体要求。在这些标准中，GB50174编制时间相对较早，对等级划分和设备配置上全部存在不少需要改善地方，现在正处于修订阶段。而TIA942和UPTIME因为是最新修订版，它们修正了以前版本中诸如储油时间过长等不适宜要求，同时，设置4个建设等级，使层次愈加分明，含有很好参考价值。不过，这些国际标准中部分要求并不一定适合中国国情，比如蓄电池后备时间，在TIA942中根据等级从低到高要求了5、7、10和15min，共4种最少时间要求，这一项时间要求对于中国现行设备情况和维护水平而言就相对偏短。再比如T4等级中要求高达20年蓄电池使用寿命，对于中国现在运行企业采购方法和普遍所采取设备而言，又显得太长了。所以，确保数据中心供电系统安全可靠性，是一个相正确概念，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升建设等级、盲目增加备份;而是应依据所供电设备实际需求，参考相关标准，根据需要等级来设置。同时，在参考相关标按时，一定要注意结合中国国情和企业实际情况进行合适调整，使得配置出供电系统在各方面均衡协调，才能达成期望效果。2.2重视节能环境保护在不可再生能源资源日益稀缺今天，伴随数据中心能耗急剧增加和电价逐步上涨，肯定要求尽可能地采取多种必需技术方法和管理手段来建立愈加节能、环境保护数据中心。即使PUE值在衡量一个数据中心是否节能环境保护上含有一定不足，但在现在IT行业中，最常见、最关键和最直观评定数据中心是否节能指标依旧是PUE值。它代表为支持IT设备正常运行，机房所配置全部基础设施所消耗总功耗和维持IT设备本身正常运行所需功耗之间相对比值。需要说明是，有意义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)内平均值。供电系统节能效果即使不是决定一个数据中心是否节能决定原因，但其对于降低PUE值作用，一样不可或缺。我们调查了中国多个数据机房PUE值，发觉在不少实际运行机房中，PUE值竟然高达2.5以上。而其中部分机房，仅供电系统消耗就使得PUE值升高了0.3或更多。这当然和系统实际运行负荷远低于设计建设容量相关，但在供电系统设计建设时，没有充足考虑节能降耗也是一个很关键原因。另外，供电系统建设中有不少步骤包含对环境保护，比如自备发电机组废气治理和噪声降低，对铅酸蓄电池回收等，全部需要在设计建设阶段就做好对应方案和准备。所以，确保节能环境保护是供电系统设计建设时一个必需原因。在确保供电系统安全可靠性和不过多增加系统投资前提下，提升供电系统效率依旧有很多手段，关键能够分为以下多个方面。2.2.1优化系统结构在设计建设数据中心供电系统时，应依据负荷容量、供电距离及分布、用电设备特点等原因合理选择集中供电或分散供电方法，合理选择导线截面、线路敷设方案，从而降低导线使用量，降低配电线路损耗。依据机房总体布局和计划情况，合理部署电力机房，使供电电源尽可能靠近负荷中心，降低较长送电距离造成损耗。另外，在变配电系统结构和UPS系统结构等方面，合适采取新型组织结构，以合适代价获取适宜安全可靠性和节能效果。比如三母线UPS系统，其UPS设备使用率从双母线UPS系统50%以下上升到最大66.7%，从而提升了UPS系统使用效率，减小了能源消耗。2.2.2选择新产品和新技术用新产品及节能型设备可降低设备本身能耗，提升系统整体节能效果，是通信局房供电系统节能关键方法。在新兴电源产品方面，如非晶合金干式变压器，其空载损耗比一般干式变压器有很显著降低，能够节省变压器年运行费用。即使早期设备投资会比采取一般干式变压器大，但假如考虑全寿命期内综合成本，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，该供电方法因为省去了逆变步骤，节省了该项损耗，效率相对传统工频UPS大为提升;而且，直流系统维护方法对于维护人员来说比较熟悉，控制器件和模块均比UPS轻易维护;另外该系统蓄电池直接接在负载端，也提升了系统可靠性。再比如高频UPS设备(包含模块化UPS)，相对传统6脉冲、12脉冲工频UPS在效率方面有较显著优势。在新兴节能技术方面，现在部分UPS产品含有了“动态休眠”和“交流直供”技术，而部分服务器则含有了“电池内建”功效，这些技术全部改变了传统UPS系统运行方法，使得UPS系统整体效率大大得到提升，甚至最高能够提升到99%以上。新产品和新技术，是对现有产品和技术方法改善，在确保系统安全性等原因前提下，应该主动采取这些新兴产品和技术，它们往往能够对节能降耗起到很关键而显著作用。2.2.3合理进行设备配置a)合理计算、选择设备容量及配置数量。在调查中发觉，PUE值高于2.5机房建设容量往往远大于实际使用负荷。这些机房因为大量设备全部在轻载运行，造成各步骤效率全部远低于系统设计效率。所以，在设计建设数据中心时，应首先认真对近远期发展情况进行计划或估计，然后依据近远期发展情况，逐步、分批建设供电系统，使设备利用率和使用效率尽可能达成最优。b)赔偿设备配置。经过无功赔偿能够提升设备运行功率因数，降低线路运行电流。在建设供电系统时，应注意就地赔偿，集中装设。使赔偿后供电系统负荷功率因数达成0.9甚至0.95以上。2.2.4合理选择导线和布放方法a)布放导线时，应优化导线路由，尽可能降低导线长度，降低无须要浪费。b)对于供电线路较长情况，在满足敷设条件、载流量、热稳定、保护配合及电压降要求前提下，合适增加导线截面来降低线路损耗。2.3兼顾维护管理方便伴随功耗上升，供电系统整体规模也不停增加。一个一般通信机楼，其供电系统通常仅引入2路市电，配置2~5台变压器和油机和几套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数据基地，其供电系统所配置变压器、油机、UPS系统数量动辄就是几十套甚至数百套，后备蓄电池数量更是可能多达上千套和上万只。如此众多系统和设备，使得大型数据中心维护工作量比传统通信机楼维护工作量有一个飞跃性增加。所以，在设计建设数据中心供电系统时，必需考虑后期使用维护方便性。要做到后期使用维护方便，就应该在前期建设时做好以下多个方面内容。2.3.1必需提升系统自动化程度。如此众多设备和系统，一旦出现故障，完全靠人工来进行恢复需要时间能够想象肯定较长，而较长恢复时间往往轻易引发业务中止。所以，系统应能在一定情况下，自动处理和解除部分简单故障。比如一路市电中止情况，系统应能自动判定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止情况下，系统应能自动开启油机继续保障供电。2.3.2必需提升系统智能化管理如此众多设备和系统，完全靠传统人工抄表统计等模式，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、智能化监控管理系统。由智能化系统来替换人工进行抄表甚至是设备情况分析等工作。2.3.3尽可能使系统更简练清楚简练系统更方便负荷分配、也更方便故障查找和恢复，对提升系统安全性意义重大，也大大降低了维护管理难度。比如三母线UPS系统，其在节省投资和节能降耗方面全部含有很显著优势，但其在负荷分配和故障查找上比单系统和双系统UPS全部要复杂，给后期维护管理增加了一定困难。所以，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基础控制供电系统投资规模首先要把握好绿色数据中心供电系统建设理念。优异建设理念应该是定位适宜机房等级，同时在建设时应尽可能做到分步建设和确保系统灵活性。其中，分步建设关键是指要结合数据中心近远期负荷需求情况，逐步建设供电系统。计划良好分步建设能够确保每期投入资金全部是必需，确保建设供电系统无须因为空置而浪费资金、增加能耗。确保系统灵活性则关键是指使建设供电系统能够灵活地适应多种负荷需求、灵活地提升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预留和接口。2.4.2采取新技术、新思绪节减投资因为数据中心供电系统很庞大而复杂，在部分关键步骤采取部分新技术和思绪，往往能够对节省投资起到很显著作用。比如，采取变压器直接深入负荷中心系统结构在一般供电系统中对投资影响不算很大，然而，对于规模庞大数据中心供电系统则效果很显著。以一个30000m2，平均每机柜设计负荷为6kW数据中心为模型进行计算。由表1能够看出：选择变压器直接深入负荷中心系统结构，一个30000m2规模设计中心总计可节省投资在1400万元左右。另外，还节省了大量走线空间，降低了大量低压电缆走线通道需求，避免了线路交叉重合敷设，使走线路由更通畅，使施工更简练方便，对应也提升了系统安全性。再比如，采取高压油机替换低压油机方案，在一样一个30000m2，平均每机柜设计负荷为6kW数据中心里，经过计算能够节省高达约2400万元左右投资。而使用三母线UPS系统结构替换双母线UPS系统结构能够节省机房电源部分约20%左右投资。这些