试论数据中心电源系统的节能策略

摘要：随着信息技术迅猛发展，数据中心已变成数据储存和处理的核心枢纽，并且其能耗问题日益显著。电源系统作为数据中心的要素之一，在执行节能策略时对减少整体能耗和提升能源利用效率发挥着至关重要的作用。本篇文章主要围绕数据中心电源系统的节能策略进行论述，分析如何通过运用高效节能技术、选择合适设备、优化系统架构、进行谐波治理与无功补偿及智能照明控制等多种途径，达到降低数据中心电源系统能耗的目标。

关键词：数据中心；电源系统；节能策略；系统架构；设备选型；谐波治理

一、引言

数据中心作为现代信息技术的基石，承载着数据存储、处理、传输等重要功能。不过，数据中心的规模持续增长带来的一个副作用是能源消耗问题愈加显著。电源系统作为数据中心的关键组成部分，其能耗占整体能耗的比重较大。因此，如何优化数据中心电源系统的节能策略，降低能耗，提高能源利用效率，成为当前数据中心建设和运维的重要课题。

二、数据中心的能耗特点

（一）高能耗性

数据中心消耗大量能源，这种能源主要消耗在信息技术设备（包括但不限于计算机服务器、数据存储器、通讯装置等）、温控系统（比如冷气设备、冷却塔诸类）、各类辅助设施（譬如照明灯具、电梯等）以及在电力输送与分配环节的能源损耗上。随着数据中心规模的不断扩大和IT技术的快速发展，数据中心的能耗也在持续增长。

（二）能耗波动性

数据中心的能源消耗呈波动状。其主要原因是信息技术设备工作负荷的不稳定性。举例来说，在业务需求高涨时期，数据服务器与储存装置的作业负荷会相应增加，进而推高能源消耗。相反，在需求减弱时，这些装置的作业负荷下降，能耗也随之减少。同时，空调系统对能源的需求亦会因室内外的气温、湿度等自然环境条件的变化而产生波动。

（三）能耗密度高

信息技术设备通常在数据中心的机柜中集中安置，导致其能源使用强度极大提升，这种高耗能强度代表着需要在受限的空间范围内实施额外的电力供应和冷却措施，这对于数据中心在能源调配和热量排放设计方面的挑战更为严峻。

（四）能效提升潜力大

虽然数据中心消耗大量能源，但改善它们的能源使用效率却有巨大的空间。通过实施尖端的节能措施和工具、改良操作程序和管理方法，可以大幅提高数据中心的能源效率。举例来说，运用高效能的服务器与储存装置、利用虚拟化技术以提升装置使用的效能、改进冷却系统的设计及操作策略以及建立耗能监控系统等做法，都能显著减少数据中心的能源消耗。

（五）环境影响显著

数据中心耗能的高低直接影响着其运营成本，并对生态环境带来重大影响。电力的大量消耗势必引发温室气体的增排以及能源的更多耗费，这对地球气候的稳定构成了消极作用。鉴于此，数据中心应当采纳有效的节能对策，减少能源消耗及气体排放，努力朝着持续性发展目标迈进。

三、数据中心电源系统节能策略

（一）节能技术应用

1.配电系统节能技术

在构建数据中心的配电系统时，必须兼顾技术性能和经济效益的长效协调，同时须预留空间以适应分阶段资金投入和未来升级扩展的可能性。对于分期建设有明确规划的数据中心，建议按照扩展需求选用多变压器方案进行配备，这样可以减少因变压器低负载工作引起的不必要损耗。在设计支持多个电压等级的配电系统时，应考虑优化设计，以减少电压层次，避免因多级变压引发过多能耗。若数据中心多层布置，在布局安排上，建议将变压器直接安置于各个机房楼层，靠近负荷核心区域，从而降低低压输电过程中的线路损耗。在配电系统设计中，还应采用低损耗节能干式变压器，接线组别为D, yn11。根据数据中心的负荷性质，变压器普遍为2N或N+1冗余情况，大部分数据中心变压器长时间在低负载情况下运行。当变压器处于较低的工作负荷时，其无负载时的功耗在总有功损耗中所占的比例相对较大。

2.绿色照明及控制技术

绿色照明及控制技术即利用科学的照明设计，选用节能高效、使用寿命延长、确保安全且性能持久稳定的照明设备。基于计算机科技、自动化控制手段、互联网通讯技术、现场总线技术与集成软件技术的综合应用，构建了一个分布式的控制与管理平台，实施对照明工具的智能集中管控，能够执行联动操作、预定时控制、远程指令控制以及情境模式设定等多种职能，通过智能化、多样化的操控途径，旨在节约能源消耗，延长照明设备的使用周期，简化管理维修流程，优化作业环境，从而提升工作效率。智控照明系统在数据中心的照明设计中实施，它根据数据中心是否有人及人员活动区域自动调节亮度，目的是为了节约用电。这套系统不仅提升了数据中心照明的管理水平和节能效率，还减少了劳动力需求，降低了运维成本，同时也优化了服务品质，为信息化建设和智能化控管提供了全面的解决方案。该系统不但可以独立运作，还能通过联网的方式，加入到数据中心的智能环境监测体系或建筑自动化系统等，从而实现在现场或远端对不同照明情景进行精准控制。

（二）设备选型

1.采用低损耗、高能效的变压器

根据行业规范和标准分析得出，在功用一致的电工钢带变压器比较中，二级能效产品的无负载损耗相较于三级能效产品节能15%，在正常负载作业状态下的能源消耗亦降低了10%。与此同时，若比较同等容量与能效水平的情况，非晶合金制成的变压器在无负载状态下的能源消耗要比电工钢带变压器大幅降低达60%，但二者在负载损耗这一指标上却表现相当。一级能效标准的变压器表现出最小的空载和负载损失，而在同样能效等级和容量的条件下，非晶合金制成的变压器在空载损失方面具有显著优势，其对电力系统供电的负载因子可以提升大约0.001。相较于传统的硅钢片变压器，非晶合金变压器在减少能效损耗方面更胜一筹，尽管如此，它们也存在不足之处，诸如体积较大、成本较高和加工难度大。此外，非晶合金本身的磁致伸缩特性可能会加剧变压器的噪音。现阶段，级别为A的数据中心配电系统倾向于使用2N配置，并且变压器在常规运行时的载荷往往不超过50%，此时低空载损耗对于节能尤其重要。

2.利用变压器的过载能力降低变压器的配置容量

确定不间断电源系统的基本承载量时，应遵循以下准则：基本承载量E至少需达到电子信息设备理论负载P的1.2倍以上(E指不间断电源系统必备的容量，而P表示电子信息设备的预计负荷)。P/E≤1/1.2=83.33%，即负载率不大于83.33%。由此可见，当UPS容量与变压器容量一致时，变压器常时负载率约为45%左右；当UPS的容量高于变压器20%左右时，变压器负载率为55%左右，变压器满载时的过载率不超过10%，也处于比较合理位置。合理的变压器过载能力能够降低配电系统对变压器容量的需求，对提升系统节能降耗起到正向作用。

3.巴拿马电源

巴拿马电源引入移相变压器替代了传统的工频变压器，10千伏至240伏的电力传输途径经过了优化整合，降压和整流为直流这两个环节合二为一，这样不仅缩小了设备所需空间，还降低了低压电缆的能源损失，从而提高了整个系统的工作效率。与常规IDC供电系统相比较，巴拿马的电力模块能够实现98.5%的高效率，而在20%的低负荷情况下，其效能仍能保持在97.5%以上。相较传统数据中心电源架构，原低压配电系统中的低压母联、低压电容补偿、谐波治理等功能需要在高压侧来完成。

4.高频节能UPS

数据中心UPS建议选用节能型高频机，输入功率因数≥0.99，谐波含量≤3%。数据中心UPS长时间运行负载率低于50%，需要重点关注UPS低负载运行效率。针对分阶段实施的工程，使用配备了动态待机特性的模块机，此特性在系统运转压力不大时能与能源监控体系协同工作，依据目前的总负荷量来确定所需运行的整流模块或不间断电源的数目，从而提升整个系统的运作效能。利用UPS的ECO工作模式实现节能降耗。在UPS的旁路输入稳定并且市电品质良好的情况下，UPS会启用旁路的EMC滤波功能为负载设备提供电力，同时逆变器保持在待机状态，而若旁路输入的电压或频率偏离了规定的区间，UPS则切换至双变换(double conversion)的运作模式。

5.HVDC设备

直流高压传输装置（HVDC）主要构成包括交流配电模块、整流器、储能电池、直流配电模块、电池管理模块、绝缘监测模块以及监控单元。在市电供应无异常的情况下，整流单元把380伏的交流电转化为240伏的高压直流电，该高压直流电经由直流配电系统为信息技术设备提供动力，并对蓄电池进行充能作业。高压直流模块具备智能休眠功能，可实现热插拔。采用高压直流设备供电时，IT设备需采用定制电源模块。高压直流设备（HVDC）无旁路设置，关键部位元器件损坏会对维修造成一定困难，可通过系统架构配置来实现设备的可在线维护或容错。

（三）系统架构优化

一般情况下，设施冗余的数量增多，能够提升系统的稳定性，但相对地会降低运作效能。2N、DR系统架构可用性基本相同，但在设计规划中选用DR系统架构较2N系统架构可以进一步提高变压器及UPS的负载率，进而降低损耗，提升系统效率。常规来说，采纳DR配电体系相较于2N体系能够缩减所需变压器的数量，促进UPS负载率的上升，由此增进UPS的工作效能并减少能源消耗，实施DR电力系统架构可对供电系统的负载因子实现大约1%的效率提升。

（四）谐波治理与无功补偿

数据中心的信息技术设备、不间断电源系统、以及变频设备等经常会发出大批量的谐波。为了消弭这些谐波对配电系统的不良影响，通常会在配电间统一安装自动化补偿和谐波控制设施，比如结合SVG与APF的补偿系统，通过对谐波量的实时调控，并将功率因数提高至0.95或更高水平，以此来降低电力能源的浪费。

（五）智能照明控制

依据建筑的设计规划与照明需求地点的合理安排照明设备，挑选合适的照明手段与灯源种类，是减少能源消耗和避免能源浪费的行之有效的策略。普及高效能节电的照明设备，以电子式的稳压器替换传统的感应式稳压器，采用电子调光器、定时控制开关、光线感应开关闭合器、声音操控开关及感应器控制开关来代替传统的跷板开关，能显著削减照明系统的能源消耗及传输线路的能损。

四、结语

节能策略在数据中心电源系统中是一门既复杂又全面的技术工程，制定此策略时须综合考虑对系统结构进行改良、选择合适的设备、执行谐波治理与无功补偿以及智能照明控制与管理等多元措施。透过实施切实可行的措施，并借助像智能型照明系统和自动化管理等手段，不但能减少数据中心电源系统的能耗，而且还能提升能源效率，以此完成可持续发展和环境保护的双重目的。

参考文献

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