数据中心电源系统节能方案设计

李 想

（国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

互联网数据中心是以网络资源与通信网络机房为基础平台，向各个领域提供稳定的互联网接入服务，并且自身具备足够的网络资源的集成平台[1-4]。目前，各国政府及运营商等都在规划建设数据中心。数据中心虽然具有高密度功率和高集中化的优点，但是其正常工作与不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）密不可分。此外，数据中心由于需要处理大量数据，常年面临着互联网技术（Internet Technology，IT）负荷过载的问题，且电费成本较高。基于该背景，如何降低数据中心能耗，设计相应的不间断电源的节能方案，成为了一个关键难题[5-8]。文章基于中国移动通信集团有限公司（以下简称中国移动）数据中心的设备选型和不间断电源节能方案设计展开分析，旨在进一步降低数据中心电源系统的能源消耗。

1 数据中心电源能耗测试

目前，常用的不间断电源包括高压直流电源、高频UPS、工频UPS 以及模块化UPS[9,10]。这几类不间断电源都被中国移动的各个数据中心所使用，如中国移动通信集团广东有限公司三水数据中心（以下简称三水移动数据中心）。基于该数据中心，比较这几种不间断电源（测试状态为零负载）的效率差异，进而制定相应的节能策略。

1.1 测试方案

1.1.1 测试环境

基于三水移动数据中心进行测试实验，测试人员是移动维护人员。该实验中，全部电源都处于零负载状态，设置高压直流电源工作模式为单机供电模式，设置交流UPS 工作模式为“1+1”供电模式，设置机房的温度为（23±2） ℃。

1.1.2 测试对象

测试对象如表1 所示。

表1 测试对象

1.1.3 测试工具介绍

测试的目标主要集中于高压直流电源、高频UPS、工频UPS 以及模块化UPS 输入输出端之间的功率因数和失真度等参数，因此测试时需要采用各类相关仪器设备，如放电仪器和防护工具等。

1.1.4 测试数据内容

测试内容包括功率因数、空载损耗、输入转换效率，以便更完整地实现电源测试策略，更好地达到测试目的和得到更加丰富的电源具体数据。

（1）功率因数。输入功率因数一般指不间断电源的功率因数。对电网而言，不间断电源既是电源又是负载，一直处于消耗无功功率和吸收有功功率的并行状态，因此必须增大系统的配置容量。如果电源输入功为率100 kVA，输入功率因数为0.8，那么其消耗60 KVA 的无功功率时会吸收80 kW 的有功功率，相应的配电系统需要配备140 kVA 的容量，大幅度提高了数据中心系统的设备成本。因此，对电源而言，输入功率因数接近1 时最佳。福禄克1730 仪器是经典的测试设备，也是本次测试所选用的设备。该设备可以直接连接电源的输入端，通过仪器屏幕，可以读取每一相电路的平均输入功率值和其最大最小值，以及总输入功率因数的平均值和其最大最小值等。

（2）空载损耗。由于业务部门和建设部门未能达成统一，不间断电源通上电后，总是不能立马加载。但是，由于不间断电源的全部部件已经运作，此时数据中心开始产生损耗，该损耗称之为空载损耗。空载损耗由电阻和电感等相关设备元件产生，其可以直接反映电源自身的能耗水平。

（3）输入转换效率。电源正式开始工作时，此时的输出功率与输入功率的比值称为不间断电源的效率。由于电源本身会损耗一部分输入电能，要等到设备确定运行后才能确定效率。文章重点测试不间断电源的转换效率，由于测试结果会影响后期选择设备，要求测试仔细且精准。

1.1.5 测试方法

测试目标是位于的三水移动数据中心的不间断电源（无负载状态）。测试前，需要在输出端接入虚拟负载，接入后便开始测试。

通过电能质量分析仪，可以测量不间断电源的各相线路。例如，用分析仪的电压夹夹住A 相线路，同时用电流互感圈套住A 相线路，即可测得A 相线路的电能质量。电源能效测试接线如图1 所示。其他3 相线路也是同样的操作。基于电能质量分析仪记录和分析测试数据。

图1 电源能效测试接线

1.2 测试结果

经过测试，记录不同电源对应的空载损耗，对比分析各项测试指标，分析结果如下。

1.2.1 功率因数

不间断电源功率曲线如图2 所示。分析可知，由于设备带载率的差异，功率因数会变得不同。低载工作状态时，电源的功率因数较低，其中工频UPS的功率因数不超过0.8。

图2 不间断电源功率曲线

1.2.2 空载损耗

不间断电源空载输入功率对比如图3 所示。

图3 不间断电源空载输入功率对比

通过图3 可以得知，工频UPS 空载时消耗的能量最大，高压直流消耗的能量最小，高频UPS 和工频UPS 的空载能耗要比模块化UPS 的高。

1.2.3 转换效率

调节不同电源的负载率，并绘制该情况下每个电源的负载率和功率的比值所构成的效率曲线，得到的不间断电源效率曲线如图4 所示。该曲线即电源效率曲线，其可以直接反映不间断电源的工作效率，进而可以对比不同不间断电源的工作效率高低等数据。

图4 不间断电源效率曲线

基于4 种不间断电源及其不同的负载条件，并考虑其直流和交流输出性质，可以得出交流UPS 的效率要比直流类型的不间断电源低。其中：模块化UPS 效率要高于高频UPS 与工频UPS；工频UPS 效率最低。不同负载率下的各个不间断电源的工作效率参差不齐。对于模块化UPS，当负载率超过60%时，效率高达95%；对于高压直流电源，当负载率超过30%时，效率高达95%。

1.2.4 选型及使用建议

考虑减少能源损耗，提出以下4 点建议。

（1）建议不再使用工频UPS。测试4 类不同的不间断电源时，工频UPS 的各项指标相较于其他3个都差，功率因数不超过0.8，且空载的时候损耗最高，转换效率低于0.9。可以得出，工频UPS 是4 种电源中最不符合节能要求的电源，因此不建议继续投入数据中心使用。

（2）应及时关闭电源主机，避免不间断电源产生空载损耗。空载时，一台高压直流电源损耗产生的电费需要67.82 元，而工频UPS 需要花费高达386.36 元。

（3）由于高压直流设备工作效率要远高于UPS不间断电源，在机房中使用不间断电源时，应优先选择高压直流设备。

（4）轻载时，优先考虑高压直流电源和模块化UPS。这2 个电源负载率超过60%时，效率均可以高达95%。

1.3 工程应用

经过测试实验可以得出，高压直流电源具有最佳的节能效果。因此，根据分析结果和节能建议，在新一期三水数据中心更新建设时，优先使用了高压直流电源。数据中心里的2N 系统由10 套中达HVP-240/40 A 高压直流电源组成，经统计，使用高压直流电源替代UPS 之后，机房的月耗电量减少了约13%，证明了该节能策略的有效性。

2 结 论

为进一步响应节能环保的号召，基于中国移动数据中心的设备选型和不间断电源节能方案设计展开分析，旨在进一步减少数据中心电源系统的能源消耗。基于该节能方案，通过对比分析节能方案实施后数据中心实际的用电情况与实施前的用电情况，证明了该节能方案的有效性。