數(shù)據(jù)中心配電能效精細化建設策略研究與趨勢分析

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：通過分析用戶需求、建設和運維等多方對數(shù)據(jù)中心建設的要求；結合國家政策、數(shù)據(jù)中心發(fā)展趨勢，創(chuàng)新性地引入關鍵因素多角度分析法。同時系統(tǒng)性地提出數(shù)據(jù)中心高質量發(fā)展中如何進行精細化建設的策略。

關鍵詞：數(shù)據(jù)中心；數(shù)字化；精細化；上架率；PUE

0引言

近年來，全球數(shù)字化轉型帶來了數(shù)據(jù)的爆炸式增長。數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)的載體，承載了千行百業(yè)數(shù)字化轉型信息系統(tǒng)基礎的重任，已經(jīng)成為社會不可或缺的“數(shù)字底座”。在國家十四五規(guī)劃、新基建、東數(shù)西算與行業(yè)數(shù)字化的驅動下，數(shù)據(jù)中心進入持續(xù)高速發(fā)展期；同時也正由高速發(fā)展向高質量發(fā)展全面演進。數(shù)據(jù)中心需面對需求多樣化、質量高要求、運營智能化和建設綠色低碳等多種重要因素，其精細化建設變得越來越重要。

1需求分析

數(shù)據(jù)中心的精細化建設需要對政策與趨勢、用戶需求和建設與運維要求進行綜合分析。

1.1政策與趨勢分析

目前，數(shù)據(jù)中心在規(guī)?；l(fā)展的基礎上，其布局和發(fā)展進入了政策和行業(yè)驅動的新階段。首先，一體化大數(shù)據(jù)中心政策推動數(shù)據(jù)中心布局優(yōu)化，促進數(shù)據(jù)中心協(xié)同發(fā)展。全國一體化大數(shù)據(jù)中心、新型數(shù)據(jù)中心等政策文件的出臺及東數(shù)西算工程的實施，為數(shù)據(jù)中心協(xié)同、一體化發(fā)展指明方向。數(shù)據(jù)中心的布局應結合國家的政策進行統(tǒng)籌和適度集約，并根據(jù)建設的需求對布局不斷優(yōu)化。其次，新型數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)中心高質量發(fā)展的重要方向。高技術、高算力、高能效和高安全成為信息數(shù)據(jù)中心的新特征，同時也提出了數(shù)云協(xié)同、數(shù)網(wǎng)協(xié)同和云邊協(xié)同等協(xié)同新要求。通過對以上重要政策和發(fā)展趨勢的分析掌握，能在數(shù)據(jù)中心的布局優(yōu)化、網(wǎng)絡建設、算力配置、產(chǎn)業(yè)協(xié)同、綠色低碳和安全可信等方面更好地把控重點和關鍵點。

1.2用戶需求分析

首先，我國數(shù)據(jù)中心的用戶需求迎來了行業(yè)增長、技術驅動和區(qū)域轉移新機遇。

①數(shù)據(jù)中心機架規(guī)模持續(xù)穩(wěn)步增長。大型以上數(shù)據(jù)中心規(guī)模增長迅速，2021年底我國在用數(shù)據(jù)中心機架規(guī)模近五年年均復合增速超過30%。

②儲能、蓄冷、高密度、算力網(wǎng)絡、智能運維、超融合架構等技術的創(chuàng)新，加速推動數(shù)據(jù)中心向大型化、智能化、綠色化方向發(fā)展。

③東數(shù)西算工程的實施，推動了市場熱點的新布局和區(qū)域轉移。

其次，用戶需求也面臨著增速放緩、需求轉變和競爭白熱化的挑戰(zhàn)。

①互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)用戶仍占據(jù)主導地位，IDC行業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)共振效應；但市場飽和度變大，增速已放緩。

②用戶需求由傳統(tǒng)IDC業(yè)務的服務器租用為主，逐步轉變?yōu)槠髽I(yè)上云對算、存力和運力的不同需求。

③運營商、第三方及互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心業(yè)務得到規(guī)模發(fā)展，行業(yè)的競爭加劇。

再次，用戶需求需要直面多樣化新趨勢。用戶的需求呈現(xiàn)出了以下新特點：

①安全可靠要求。黨政軍、金融等用戶對安全性、可靠性提出了更高的要求，不僅要求基礎設施安全、信息安全、網(wǎng)絡安全，對安全專享也提出更高的要求。

②定制化需求。根據(jù)用戶對算力、網(wǎng)絡、存儲的不同需求，要求數(shù)據(jù)中心具備一定的定制化能力。滿足不同功率、機架數(shù)、基礎設施、網(wǎng)絡、彈性和安全的要求。

③快速上架。標準化與定制化共存。標準化推動快速上架對用戶和建設方均有益，不僅能滿足用戶業(yè)務快速啟動的需求，也有利于建設方對上架率的控制，滿足各級部門的考核。

④智能化提升。金融、政企等部分用戶要求快速、實時掌握自有設備及相關基礎設施信息。

⑤云需求變大。中小型用戶逐漸向云遷移，算力需求迅速發(fā)展，對云需求越來越大。其中，AI等高算力需求增加顯著，對配套設施也提出更高要求。

⑥高性價比。功能相近的情況下，大規(guī)模用戶對成本會越來越重視，低PUE的綠色數(shù)據(jù)中心不僅節(jié)約能源，還擁有更低的成本，對大規(guī)模用戶具備很好的吸引力。

1.3建設與運維要求

數(shù)據(jù)中心的方案應重點分析滿足建設的需求和運營維護的需要。包括以下方面：

①滿足綠色低碳。實現(xiàn)PUE、WUE（水資源利用率）等綠色節(jié)能指標，系統(tǒng)安全可靠，便于后期運維。

②降低TCO（總擁有成本）。綜合考慮前期投資和后期運維費用，在滿足綠色低碳、用戶需求的前提下，實現(xiàn)整體TCO*低。

③規(guī)劃與定制結合。機房統(tǒng)一規(guī)劃不能滿足部分用戶定制化需求，對于需要物理安全專享需求的用戶，后期改造難度大、浪費機柜位置、不美觀，要求分期建設、規(guī)劃與定制結合，減少后期改造，滿足各類用戶需求。

④提高機架利用率?？梢酝ㄟ^機架利用率=可用機架數(shù)/總機架數(shù)進行測算。高機架利用率有利于提高投資效益，用戶機架需求變化、規(guī)劃分配不合理都會導致零散機架增多，難以后續(xù)使用的情況，可通過合理規(guī)劃機房布局、分配用戶區(qū)域方法提升機架利用率。

⑤提高上架率。合理分期配置和建設，配合高機架利用率，有利于上架率的提升。提高上架率是企業(yè)和社會資源的節(jié)約。國家也在“東數(shù)西算”中，要求樞紐節(jié)點的上架率大于等于65%。

⑥提升負載率。設計時進行合理的計算，根據(jù)用戶對功率需求特點進行合理的分配，并預留低壓端子，剩余容量通過分布式不間斷電源方式，實現(xiàn)適度的彈性，即滿足負載率要求，又滿足用戶彈性需求。

2數(shù)據(jù)中心精細化建設策略研究

2.1滿足統(tǒng)籌要求

數(shù)據(jù)中心將形成國家樞紐節(jié)點、省數(shù)據(jù)中心、邊緣數(shù)據(jù)中心的梯次布局。首先，建設策略應滿足國家統(tǒng)籌布局的要求，對擬選址所在區(qū)域的網(wǎng)絡、能源、算力、數(shù)據(jù)、應用進行調(diào)研，確保符合國家，當?shù)卣咭蠛蛿?shù)字經(jīng)濟發(fā)展趨勢。其次，根據(jù)目標用戶及其業(yè)務特點，選擇與其適配的機房標準和機房等級進行建設，如有必要，可將不同等級的機房分區(qū)建設。

2.2用戶需求驅動

根據(jù)用戶合同、協(xié)議、意向及目標用戶群分析，合理預測數(shù)據(jù)中心總體規(guī)模，確?？傮w規(guī)模與用戶需求相匹配。考慮到用戶需求的不確定性，數(shù)據(jù)中心的建設和配置可采用分期建設。前期建設確定性需求和少量不確定需求，并預留機房空間進行定制化建設，后期循環(huán)前期過程，遇到重大變化時及時糾偏。

2.3精細化方案選擇

2.3.1關鍵因素多角度分析法

關鍵因素多角度分析法結合技術分析和工程實踐，針對數(shù)據(jù)中心的精細化建設提出關鍵因素多角度分析法。該分析方法是主要聚焦用戶需求和建設方案兩大方面；根據(jù)滿足需求和對建設方案影響的不同，重點考慮部分數(shù)據(jù)中心精細化建設的關鍵因素；通過分析和優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)建設方案的精細化。該分析法示意如圖1所示。

圖1關鍵因素多角度分析法示意圖

其中，用戶需求方面重點聚焦在彈性配置、快速交付、運維信息共享和安全專享等關鍵因素。目前，用戶需求主要分為傳統(tǒng)IDC業(yè)務和上云服務業(yè)務，但兩種業(yè)務對數(shù)據(jù)中心建設實現(xiàn)的要求和成本影響差異較大。上云服務業(yè)務能很好地實現(xiàn)彈性配置、運維信息共享和快速交付，但其安全專享比例低；傳統(tǒng)IDC業(yè)務安全專享比例高，但彈性配置、運維信息共享和快速交付較差。因此，同時考慮上云服務需求增加迅速，數(shù)據(jù)中心機房在建設和配置時，應結合傳統(tǒng)IDC業(yè)務和上云服務業(yè)務的不同比重，綜合整體的建設成本和周期，設置目標值和實現(xiàn)的*佳值。例如，客戶對快速交付期望值肯定是越快越好，但可能帶來的是建設成本的增加和資源配置的不合理?？梢葬槍ι显茦I(yè)務實現(xiàn)天或周交付為目標，傳統(tǒng)IDC以月或季度為目標，再按上云業(yè)務和IDC業(yè)務的比例確定建設方案，實現(xiàn)快速交付的*佳值。

建設方案方面需重點關注綠色低碳PUE、智慧運營、可定制程度和TCO控制等因素。根據(jù)國家標準、企業(yè)的要求，確定關鍵因素的范圍和目標值。例如，數(shù)據(jù)中心能效PUE應 滿 足 即 將 實 施 的 國 家 標 準 中 要 求：1級 * 高PUE1.20，2級PUE1.30，3級 限 定 值1.50?？?將1.20-1.50設為關鍵因素的數(shù)值范圍，建設方案的設計值作為目標值。

該分析方法應用時，*外圍設置為客戶或行業(yè)的理想值，第二圈設置為企業(yè)的目標值。建設方案的關鍵因素的數(shù)值測算出來后在圖上顯示，隨后可針對性地進行判斷和優(yōu)化調(diào)整。

如 圖1中 模 型 數(shù) 值 所 示，其 快 速 交 付 優(yōu) 于 目 標 值；PUE、可定制率和TCO偏差符合目標值；智慧運營、運維信息共享、彈性比例和安全專享比例明顯低于目標值。那么，下一步結合用戶需求的具體業(yè)務類型和比重，結合建設方案的實施難度，加上對建設成本投資和TCO的整體控制，可以針對性地優(yōu)化建設方案，或者調(diào)整安全專享比例的目標值。通過多次優(yōu)化后，得到相對優(yōu)化和合理的建設方案。

2.3.2建設方案的精細化

首先，建設方案應堅持綠色發(fā)展，滿足PUE的要求。

①通過節(jié)能新產(chǎn)品、新技術、新工藝的應用，充分利用風、光等可再生能源，輔以儲能技術、余熱回收等手段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心綠色低碳的目標。數(shù)據(jù)中心合理的PUE實現(xiàn)TCO*低才更佳，水資源缺乏的地區(qū)應嚴控WUE。數(shù)據(jù)中心的綠色發(fā)展應結合發(fā)展趨勢，高效利用資源。綠色評價會從PUE逐步走向xUE，即包含1CUE1（碳使用效率）、PUE、WUE、GUE（出電率）等多維的評價體系。

②根據(jù)用戶需求降低能耗提高電源利用率。合理預估總用電和各區(qū)域用電容量，取定合理的綜合系數(shù)，匹配配電系統(tǒng)設備容量；通過電源和暖通技術實現(xiàn)機房間、模塊間、模塊內(nèi)的功率調(diào)整；通過預留低壓端子方式便于后期使用剩余容量。運營過程中應合理分配用戶區(qū)域；并對用電情況進行監(jiān)控，提高各區(qū)域負載率。

其次，建設方案要提高數(shù)據(jù)中心智能運營水平。對運維數(shù)據(jù)輔以AI算法，實時分析和處理運維問題。通過對數(shù)據(jù)中心智能化系統(tǒng)升級，向用戶推送其相關的告警信息、能耗信息、動環(huán)信息；實時呈現(xiàn)和查詢，便于用戶快速了解機房和設備情況。

再次，建設方案要平衡和控制可定制率。合理地實現(xiàn)可定制化和標準化并存，同時滿足可定制、彈性化和快速交付。

①采用數(shù)據(jù)中心模塊化設計并提高數(shù)據(jù)中心預制化水平和彈性能力，滿足用戶業(yè)務快速上架的要求。

②適量擴大數(shù)據(jù)中心定制化服務范圍，不僅能滿足用戶電源、暖通、工藝和布線的要求，還能擴展網(wǎng)絡、信息安全、云定制的相關功能，實現(xiàn)一套完整的數(shù)據(jù)中心用戶解決方案。

③根據(jù)用戶有無物理安全專享需求不同可分為兩類采用分樓棟、分樓層、分區(qū)域設置。為提高機架利用率和上架率，無物理安全專享的機房可根據(jù)其預測規(guī)模分期建設，并設置合理的銷售策略，減少用戶業(yè)務變化后零散機架的產(chǎn)生。有物理安全專享區(qū)域涉及機房出租將影響機架利用率。在滿足消防與用戶要求的情況下，選擇合理的安全專享方案、優(yōu)化用戶組合是提高機架利用率和上架率的關鍵。

然后，建設方案要細化和嚴控TCO。對方案進行技術分析和投資效益分析，在滿足綠色低碳、用戶需求的前提下，實現(xiàn)整體TCO*低。

*后，建設方案可逐步實施全流程數(shù)字化服務。現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心智能化系統(tǒng)主要為系統(tǒng)運行和維護服務，未來可面向設計、實施、驗收、運維、運營的全流程數(shù)字化服務。

3安科瑞數(shù)據(jù)中心綜合能效管理系統(tǒng)

3.1數(shù)據(jù)中心精密配電監(jiān)控系統(tǒng)

3.1.1主頁及系統(tǒng)介紹

開機進入主頁，包含進線參數(shù)、開關狀態(tài)、出線參數(shù)、報警查詢等功能，按按鈕可進入各功能界面查看。

數(shù)據(jù)中心IT服務器配電傳統(tǒng)采用精密配電柜，占用空間較大，配電線纜多，新增設備不便，為了節(jié)省面積，智能小母線方案由于不占用機房面積、可按需靈活插拔，受到很多數(shù)據(jù)中心的青睞，被越來越多的應用。

安科瑞智能母線監(jiān)控產(chǎn)品分為交流和直流母線監(jiān)控兩類，包括始端箱監(jiān)測模塊、插接箱監(jiān)測模塊以及觸摸屏，另外還可以搭配母線槽連接器紅外測溫模塊用于監(jiān)測母線槽的運行溫度，確保母線槽配電安全。通過標準網(wǎng)線手拉手簡單組網(wǎng)，可以實現(xiàn)任意插接箱檢修或更換時不影響其他在線運行的插接箱的數(shù)據(jù)上傳通訊。

3.1.2系統(tǒng)硬件配置

3.2變電站運維系統(tǒng)

3.2.1系統(tǒng)結構及介紹

Acrel-1000變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)在邏輯功能上由站控層、間隔層二層設備組成，并用分層、開放式網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)連接。站控層設備包括監(jiān)控主機，提供站內(nèi)運行的人機聯(lián)系界面，實現(xiàn)管理控制間隔層設備等功能，形成全站監(jiān)控，并與遠方監(jiān)控、調(diào)度通信；間隔層由若干個二次子系統(tǒng)組成，在站控層及站控層網(wǎng)絡失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設備的就地監(jiān)控功能。

針對工程具體情況，設計方案具有高可靠性，易于擴充和友好的人機界面，性能價格比優(yōu)越，監(jiān)控系統(tǒng)由站控層和間隔層兩部分組成，采用分層分布式網(wǎng)絡結構，站控層網(wǎng)絡采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)。站控層網(wǎng)絡采用單網(wǎng)雙機熱備配置。

3.2.2系統(tǒng)硬件配置

3.3智能小母線監(jiān)測系統(tǒng)

3.3.1系統(tǒng)概述

數(shù)據(jù)中心IT服務器配電傳統(tǒng)采用精密配電柜，占用空間較大，配電線纜多，新增設備不便，為了節(jié)省面積，智能小母線方案由于不占用機房面積、可按需靈活插拔，受到很多數(shù)據(jù)中心的青睞，被越來越多的應用。

安科瑞智能母線監(jiān)控產(chǎn)品分為交流和直流母線監(jiān)控兩類，包括始端箱監(jiān)測模塊、插接箱監(jiān)測模塊以及觸摸屏，另外還可以搭配母線槽連接器紅外測溫模塊用于監(jiān)測母線槽的運行溫度，確保母線槽配電安全。通過標準網(wǎng)線手拉手簡單組網(wǎng)，可以實現(xiàn)任意插接箱檢修或更換時不影響其他在線運行的插接箱的數(shù)據(jù)上傳通訊。

3.3.2系統(tǒng)硬件配置

3.4蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)

3.4.1系統(tǒng)介紹

安科瑞公司ABAT系列鉛酸蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)是在線電池監(jiān)測產(chǎn)品，可以提前對失效的鉛酸蓄電池進行預警及電池均衡，符合ANSI/TIA-942標準要求。

該系統(tǒng)具有監(jiān)測電池的電壓、內(nèi)阻與內(nèi)部溫度功能，安裝、維護與接入非常方便。系統(tǒng)主要由ABAT-S模塊、ABAT-C模塊及ABAT-M采集器組成，可通過采集器查詢告警與實時數(shù)據(jù)、設置參數(shù)等，可選配監(jiān)測平臺實現(xiàn)網(wǎng)絡化集中管理。

3.4.2系統(tǒng)硬件配置

3.5動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)

3.5.1系統(tǒng)介紹及功能

通過數(shù)據(jù)中心動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)中心的門禁狀態(tài)、水浸狀態(tài)，煙霧狀態(tài)，視頻狀態(tài)，環(huán)境狀態(tài)，高低壓配電狀態(tài)，設備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并進行實時報警，保障數(shù)據(jù)中心正常運行，避免運行環(huán)境的失控導致配電設備運行故障，保證維護人員安全，延長設備使用壽命，減少配電室粗放式管理導致成本過高。同時實現(xiàn)動環(huán)監(jiān)控并對各用能耗能進行能效分析，幫助用戶實現(xiàn)用能效率的優(yōu)化。

系統(tǒng)功能

1）展示當前數(shù)據(jù)中心總能耗，IT能耗，空調(diào)能耗，及其他能耗并且計算出當前數(shù)據(jù)中心實時PUE值，通過儀表盤形式直觀展示。

2）選擇查看數(shù)據(jù)中心的中低壓配電系統(tǒng)主接線圖，并在一次圖顯示配電系統(tǒng)當前遙測、遙信數(shù)據(jù)和狀態(tài)。實時監(jiān)測各配電柜的電壓、電流等電力參數(shù)，變電站的溫濕度、煙感、水浸、門禁等環(huán)境情況。

3）電氣接點溫度實時監(jiān)測，斷路器觸頭、觸臂、母排和線纜連接等位置安裝無線測溫傳感器監(jiān)測接點溫度，便于提前發(fā)現(xiàn)溫度異常導致的事故。

4）監(jiān)測各變壓器各項參數(shù)，包括負載率、頻率、功率因數(shù)、三相不平衡度等，并且顯示歷時曲線圖，數(shù)據(jù)實時變化。幫助用戶直

5）電能質量在線監(jiān)測，可以監(jiān)測電流和電壓諧波畸變率、電壓暫升暫降暫中斷等暫態(tài)事件記錄、ITIC容忍曲線等

6）系統(tǒng)采集UPS輸入、輸出端和旁路三相電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)頻率，同時監(jiān)測UPS溫度、蓄電池電壓、當前負載下的剩余時間等數(shù)據(jù)。

7）展示單體電池電壓、內(nèi)阻和溫度，預測電池帶載時剩余時間，每節(jié)電池數(shù)據(jù)均可以設置異常報警，及時發(fā)現(xiàn)蓄電池異常。

8）展示精密配電柜內(nèi)進線和饋線回路電氣參數(shù)，包括電流電壓功率電能以及開關狀態(tài)，并可以對數(shù)據(jù)進行報警設置和分級，數(shù)據(jù)取自精密配電柜測量模塊。

9）展示智能小母線的始端箱和插接箱電氣參數(shù)，包括電流電壓、開關狀態(tài)、插接點溫度，并對數(shù)據(jù)進行報警設置和分級。

10）通過平面圖顯示數(shù)據(jù)中心能源分布，設備分布情況，并顯示設備能耗數(shù)據(jù)，點擊平面圖上設備可以進入具體設備監(jiān)控界面。

11）實時顯示當前數(shù)據(jù)中心PUE值以及歷史PUE曲線。并且顯示各分項用能的用能情況及用能排行。監(jiān)測各變壓器運行及負載情況，給出本月變壓器輸出電能排行。

12）顯示電能消耗日/月/年報表，并可對具體回路選擇曲線圖、餅圖進行展示。對數(shù)據(jù)中心用電數(shù)據(jù)進行同比、環(huán)比分析比較，查看用電趨勢。

13）監(jiān)測精密空調(diào)的回風溫濕度，出回水溫度，并可以設定精密空調(diào)的溫濕度，達到更好的控制效果。

14）監(jiān)測數(shù)據(jù)中心溫濕度、開關門、水浸、煙霧、噪聲、氣體濃度狀態(tài)等參數(shù)。曲線圖直觀明了，同時支持歷史數(shù)據(jù)查詢

15）通過列表顯示各類報警事件數(shù)量，通過柱狀圖顯示逐日報警數(shù)量，提供報警總數(shù)以及增長趨勢。

16）維管理功能，可針對數(shù)據(jù)中心各主要設備進行巡檢派工，消缺，搶修等維護工作。

審核編輯 黃宇