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數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)運行能耗優(yōu)化探討與應(yīng)用

更新時間: 2024-04-12   點擊次數(shù): 544次

摘要:數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)合理的運行方式對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心的能效指標,UPS系統(tǒng)的構(gòu)建和系統(tǒng)運行方式的選擇能對數(shù)據(jù)中心的能效指標起到重要作用,當?shù)厥须姷墓╇娰|(zhì)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(shù)據(jù)中心能耗優(yōu)化。

關(guān)鍵詞:UPS;能效指標;設(shè)備選型;電源質(zhì)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(wǎng)財經(jīng)連線采訪時表示,“新基建"是構(gòu)筑數(shù)字經(jīng)濟創(chuàng)新發(fā)展之基,培育新動能,推動發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵力量,“新基建"將為經(jīng)濟發(fā)展注入新動能。從新基建的系統(tǒng)圖我們能看到數(shù)據(jù)中心的建設(shè)占用顯著的位置;隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也呈現(xiàn)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(guān)注,據(jù)相關(guān)專業(yè)機構(gòu)統(tǒng)計,目前我國數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心技術(shù)人員需要高度重視數(shù)據(jù)中心能耗的增加,需要全面認識數(shù)據(jù)中心能效指標,為不同類型的數(shù)據(jù)中心提供優(yōu)化合理的節(jié)能減排方案;UPS系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵設(shè)備電源系統(tǒng)的供應(yīng)和保障系統(tǒng),其系統(tǒng)的構(gòu)建和運行方式對數(shù)據(jù)中心能耗有至關(guān)重要的作用。

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圖1新基建系統(tǒng)圖

二、數(shù)據(jù)中心能效指標概述

降本增效是經(jīng)濟發(fā)展的一個重要課題,數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心中UPS系統(tǒng)的構(gòu)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(gòu)建和運行方式的探討前,對數(shù)據(jù)中心能效指標的評價體系的了解有助于我們構(gòu)建更優(yōu)秀的運行體系;對于不同類型的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心常用的有以下四種能效指標:

  1. PUE:是目前國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心較流行的衡量數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效的綜合指標,計算方法為:PUE=PTotal/PIT。其中,PTotal為數(shù)據(jù)中心各類設(shè)備的能耗總和,PIT為IT設(shè)備能耗總和。UPS系統(tǒng)的能耗在基礎(chǔ)設(shè)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(shù)據(jù)中心PUE。

  2. pPUE:pPUE其實是PUE概念的進一步細分討論,是對數(shù)據(jù)中心局部區(qū)域或設(shè)備的能效進行評估和分析。采用pPUE指標進行數(shù)據(jù)中心能效評測時,關(guān)鍵的一步是對數(shù)據(jù)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(shè)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(guān)。

  4. RER:再生能源的利用是數(shù)據(jù)中心今后一個重要的課題,RER就是用于衡量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhì)能、地熱能和海洋能等。

三、數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)構(gòu)建及系統(tǒng)運行能耗優(yōu)化

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(guān)注的一個方面;數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)的構(gòu)建和系統(tǒng)優(yōu)化運行,需要從UPS系統(tǒng)選型、IT設(shè)備供電需求、UPS運行方式、如何保證電源質(zhì)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(gòu)建

UPS系統(tǒng)的合理構(gòu)建對于數(shù)據(jù)中心來說有至關(guān)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(shù)也逐步被一些數(shù)據(jù)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(gòu)建對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心采用工頻機UPS供電,主要原因是其采用技術(shù)較為成熟和可靠可控硅相控整流技術(shù),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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)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(shù)據(jù)中心的技術(shù)人員所接受,高頻機對數(shù)據(jù)中心技術(shù)人員認可的技術(shù)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(shù)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(wù)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(shù)據(jù)中心在構(gòu)建UPS系統(tǒng)時,對UPS選型不是特別專業(yè)的技術(shù)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(shù)據(jù)中心的構(gòu)建選擇來看,高頻機系統(tǒng)的構(gòu)建是數(shù)據(jù)中心未來供電系統(tǒng)的必然趨勢。

  1. 構(gòu)建UPS系統(tǒng)的合理容量選擇

構(gòu)建一個合理容量的UPS系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心來說意義重大,UPS系統(tǒng)的構(gòu)建需要考慮較多的因數(shù),其效率和成本是比較重要的兩個因數(shù)。從技術(shù)的角度出發(fā),我們只對效率進行探討,對于UPS系統(tǒng)的構(gòu)建把握兩個關(guān)鍵數(shù)字,50%和±15%,理解50%的關(guān)鍵就在于UPS系統(tǒng)負載在50%以上時其有比較高的效率,當?shù)陀?0%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(guān)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(shù)人員就能構(gòu)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(shù)據(jù)中心而言,UPS系統(tǒng)的運行方式是由數(shù)據(jù)中心內(nèi)計算、存儲、交換等IT設(shè)備的需求決定的。IT設(shè)備的總功率決定了UPS系統(tǒng)容量,IT設(shè)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(jié)合討論數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心,或者說有投資限制的數(shù)據(jù)中心,很多采用單機運行;對于該類型的數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化很簡單,設(shè)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(shù)據(jù)中心的PUE值;如果設(shè)備選型已經(jīng)為工頻機的就根據(jù)市電的電源質(zhì)量和設(shè)備的重要程度合理選擇單機的運行模式。如果市電電源質(zhì)量可靠是可以選擇大多數(shù)UPS具有的經(jīng)濟運行模式。

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圖2UPS系統(tǒng)單機節(jié)能運行模式

2.UPS單系統(tǒng)并機運行

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圖3UPS互動熱備份(ATS)運行

隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴大或IT設(shè)備重要性的增加,數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)的設(shè)備選型和運行方式必須轉(zhuǎn)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(shù)數(shù)據(jù)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

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圖4UPS冗余(N+X)運行

隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的進一步擴大或IT設(shè)備對電源冗余度提升,數(shù)據(jù)中心中UPS系統(tǒng)的構(gòu)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(xiàn)在很多重要程度很高的數(shù)據(jù)中心中IT設(shè)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(shè)備供電,單系統(tǒng)并機的UPS機組已經(jīng)不能滿足其需求,我們就需求為其設(shè)計多組如圖三的N+X冗余系統(tǒng)來滿足其需求;針對數(shù)據(jù)中心多電源設(shè)備的大量采用,其實大多數(shù)數(shù)據(jù)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(shè)備的供電,這也為數(shù)據(jù)中心降低能耗提供了機會,在市電質(zhì)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(shù)據(jù)中心的可靠性又能降低數(shù)據(jù)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(shè)備能耗數(shù)據(jù)進行實時測量,對采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟指標及績效考核指標,發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)化:通過系統(tǒng)可實現(xiàn)建筑單位內(nèi)人均能耗分析(包括水、電、能量),實現(xiàn)低碳辦公數(shù)據(jù)化;

③ 區(qū)域能效比:實現(xiàn)建筑單位內(nèi)區(qū)域能耗對比,方便能耗考核;

④ 同期能效比:實現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對比,方便節(jié)能數(shù)據(jù)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(xiàn)能耗排名,增強工作人員的節(jié)能意識;

⑦ 對能耗的使用數(shù)據(jù)進行綜合的分析、統(tǒng)計、打印和查詢等功能,并根據(jù)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(jù);

⑧ 能耗數(shù)據(jù)采集,隨時查詢,并根據(jù)采集數(shù)據(jù)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。

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五、結(jié)語

數(shù)據(jù)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(chǔ)上保證數(shù)據(jù)中心的綠色、低碳運行也是所有從業(yè)人員的義務(wù)。UPS系統(tǒng)的合理選型和系統(tǒng)合理構(gòu)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(zhì)量越來越高的市電直接為IT設(shè)備供電,也需要數(shù)據(jù)中心設(shè)計人員及運維工作者去推廣和積累更多的經(jīng)驗。



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