數據中心UPS係統運行能耗優化探討與應用

摘要：數據中心UPS係統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(yi) ，PUE、pPUE、CLF/PLF、RER是通用的衡量數據中心的能效指標，UPS係統的構建和係統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係統運行有重要的影響，靈活的UPS係統運行方式能大程度對數據中心能耗優(you) 化。

關(guan) 鍵詞：UPS；能效指標；設備選型；電源質量；能耗優(you) 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"是構築數字經濟創新發展之基，培育新動能，推動發展方式轉變的關(guan) 鍵力量，“新基建"將為(wei) 經濟發展注入新動能。從(cong) 新基建的係統圖我們(men) 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展，數據中心的建設也呈現爆發式增長的勢頭，其能耗的增長也引起了越來越多的關(guan) 注，據相關(guan) 專(zhuan) 業(ye) 機構統計，目前我國數據中心的年耗電量已超過社會(hui) 總耗電量的1.5%；作為(wei) 專(zhuan) 業(ye) 的數據中心技術人員需要高度重視數據中心能耗的增加，需要全麵認識數據中心能效指標，為(wei) 不同類型的數據中心提供優(you) 化合理的節能減排方案；UPS係統作為(wei) 數據中心關(guan) 鍵設備電源係統的供應和保障係統，其係統的構建和運行方式對數據中心能耗有至關(guan) 重要的作用。

圖1新基建係統圖

二、數據中心能效指標概述

降本增效是經濟發展的一個(ge) 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(ge) 重要的課題，數據中心中UPS係統的構建和運行方式對其降低能耗有十分重要的意義(yi) 。在對UPS係統的構建和運行方式的探討前，對數據中心能效指標的評價(jia) 體(ti) 係的了解有助於(yu) 我們(men) 構建更優(you) 秀的運行體(ti) 係；對於(yu) 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(nei) 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(wei) ：PUE=PTotal/PIT。其中，PTotal為(wei) 數據中心各類設備的能耗總和，PIT為(wei) IT設備能耗總和。UPS係統的能耗在基礎設施中占有相當大的比重，顯然，對UPS係統運行的優(you) 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(guan) 鍵的一步是對數據中心的合理分區。

3. CLF/PLF：CLF/PLF分別是製冷/供電負載與(yu) IT設備能耗比值。從(cong) 管理的角度來說這兩(liang) 個(ge) 比值比PUE更能準確體(ti) 現數據中心的能效。在該評價(jia) 體(ti) 係中PLF的大小如UPS係統息息相關(guan) 。

4. RER：再生能源的利用是數據中心今後一個(ge) 重要的課題，RER就是用於(yu) 衡量數據中心利用可再生能源的一個(ge) 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係統構建及係統運行能耗優(you) 化

數據中心作為(wei) 新基建的重點方向之一，機遇往往伴隨挑戰，新基建也對數據中心的發展提出來更高的要求，比如能耗方麵，UPS係統的節能優(you) 化運行就是我們(men) 需要重點關(guan) 注的一個(ge) 方麵；數據中心UPS係統的構建和係統優(you) 化運行，需要從(cong) UPS係統選型、IT設備供電需求、UPS運行方式、如何保證電源質量等方麵進行充分的考慮；下麵進行簡單分析：

1. 合理的UPS係統構建

UPS係統的合理構建對於(yu) 數據中心來說有至關(guan) 重要的意義(yi) ，目前市場上的UPS機組既有傳(chuan) 統的高頻、工頻機組，也有模塊化UPS的機組，高壓直流供配電係統代替常規的UPS供配電係統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供配電係統仍然是主流；合理的係統構建對數據中心的能耗體(ti) 係有重大的影響，下麵進行簡單的分析：

1. 工頻機UPS供電解決(jue) 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(wei) 成熟和可靠可控矽相控整流技術，同時在供配電中采用“1+1"雙總線供電方案,其優(you) 點有：解決(jue) 單點故障、容錯能力好，可靠性高、控製簡單；對各種成本越來越高的數據中心而言，工頻機UPS安裝占地麵積大、安裝場地承重要求高、功率因數低、使用成本高也製約其進一步的發展

1. 高頻機UPS供電解決(jue) 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模塊製作工藝的提高，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，其供配電係統和工頻UPS一樣采用“1+1"雙總線供電方案；與(yu) 工頻UPS對比其占地麵積小、場地承重要求低、解決(jue) 單點故障瓶頸、容錯能力好、功率因數高、使用成本低等優(you) 勢就顯得意義(yi) 重大了；當然高頻機UPS供電解決(jue) 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；由於(yu) 一些進口品牌服務器廠家對“零地"電壓小於(yu) 1V的“過份"要求，因此對於(yu) 計算節點使用較多的數據中心在構建UPS係統時，對UPS選型不是特別專(zhuan) 業(ye) 的技術人員往往容易受這點影響而堅持選用工頻機；但從(cong) 80%以上新建數據中心的構建選擇來看，高頻機係統的構建是數據中心未來供電係統的必然趨勢。

1. 構建UPS係統的合理容量選擇

構建一個(ge) 合理容量的UPS係統對數據中心來說意義(yi) 重大，UPS係統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(liang) 個(ge) 因數。從(cong) 技術的角度出發，我們(men) 隻對效率進行探討，對於(yu) UPS係統的構建把握兩(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵數字，50%和±15%，理解50%的關(guan) 鍵就在於(yu) UPS係統負載在50%以上時其有比較高的效率，當低於(yu) 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(yu) 輸出功率的關(guan) 係曲線和直流電壓變化±15%時的效率。充分理解50%和±15%專(zhuan) 業(ye) 的技術人員就能構建合理容量的UPS係統；從(cong) 成本角度講，機器的效率高，可以節省成本，選用容量時，也可以更加優(you) 化。

（二）UPS係統運行方式選擇

對於(yu) 一個(ge) 數據中心而言，UPS係統的運行方式是由數據中心內(nei) 計算、存儲(chu) 、交換等IT設備的需求決(jue) 定的。IT設備的總功率決(jue) 定了UPS係統容量，IT設備電源輸入回路需求決(jue) 定了UPS係統組成方式。下麵從(cong) 多種因素結合討論數據中心UPS係統運行能耗優(you) 化問題。

1.UPS單機運行

對於(yu) 規模很小的數據中心，或者說有投資限製的數據中心，很多采用單機運行；對於(yu) 該類型的數據中心UPS係統的節能優(you) 化很簡單，設備選型很重要，選擇係統效率高的高頻機或模塊化UPS能從(cong) 根本上提升該數據中心的PUE值；如果設備選型已經為(wei) 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係統單機節能運行模式

2.UPS單係統並機運行

圖3UPS互動熱備份（ATS）運行

隨著數據中心規模的擴大或IT設備重要性的增加，數據中心UPS係統的設備選型和運行方式必須轉為(wei) 並機運行，當然並機方式有多種，比如主從(cong) 熱備份、互動熱備份、互動熱備份（ATS）、冗餘(yu) （N+X）並機；大多數數據中心會(hui) 選擇互動熱備份（ATS）或冗餘(yu) （N+X）並機；對於(yu) 選擇互動熱備份（ATS）係統來說，優(you) 化係統能耗效率當然直接的辦法是選用係統效率高的高頻機組，既可以保障係統的可靠性，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多係統並機運行

圖4UPS冗餘(yu) （N+X）運行

隨著數據中心規模的進一步擴大或IT設備對電源冗餘(yu) 度提升，數據中心中UPS係統的構建規模是越來越大，需要解決(jue) 的問題和考慮的製約因素有越多，比如說現在很多重要程度很高的數據中心中IT設備對電源的冗餘(yu) 度要求很高，從(cong) 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，單係統並機的UPS機組已經不能滿足其需求，我們(men) 就需求為(wei) 其設計多組如圖三的N+X冗餘(yu) 係統來滿足其需求；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(liang) 套或多套N+X冗餘(yu) 係統來保障IT設備的供電，這也為(wei) 數據中心降低能耗提供了機會(hui) ，在市電質量可靠的地區我們(men) 可以輪流把AB路UPS係統采用節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、安科瑞能耗統計分析（能源管理）解決(jue) 方案

1.能效管理解決(jue) 方案介紹

建立高效的能耗監測管理係統，對建築各類耗能設備能耗數據進行實時測量，對采集數據進行統計和分析。能夠合理的確定各區域建築能耗經濟指標及績效考核指標，發現能源使用規律和能源浪費情況，提高人員主動節能的意識。

①　搭建數據中心智慧能源管理係統的基本框架，對各個(ge) 用能環節進行實時監測；

②　排碳數據化：通過係統可實現建築單位內(nei) 人均能耗分析（包括水、電、能量），實現低碳辦公數據化；

③　區域能效比：實現建築單位內(nei) 區域能耗對比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實現同年、同期、同一區域能耗對比，方便節能數據分析；

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麵積能耗和人均能耗指標；

⑥　能耗競爭(zheng) 排名：各個(ge) 功能區能耗對比，實現能耗排名，增強工作人員的節能意識；

⑦　對能耗的使用數據進行綜合的分析、統計、打印和查詢等功能，並根據能耗監測管理係統的需要可選擇不同樣式報表的打印。為(wei) 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，並根據采集數據進行統計分析，監測異常能源用量，對能源智能儀(yi) 表故障進行報警，提高係統信息化、自動化水平。

2.能源管理係統硬件配置

五、結語

數據中心的安全、高效、可靠運行是我們(men) 所有從(cong) 業(ye) 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(cong) 業(ye) 人員的義(yi) 務。UPS係統的合理選型和係統合理構建，比如UPS係統合理容量選擇、選擇單機運行效率高的高頻機、市電與(yu) UPS係統的混合供電、電源質量越來越高的市電直接為(wei) 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。

安科瑞侯文莉