机房数据中心的电力供电系统设计与分析-开题报告

A.文献综述

    国内现状

随着科学技术的高速发展，大数据及物联网的迅速普及，人们对信息化网络的依赖性越来越高，而机房数据中心作为大数据和物联网的基础建设设施重要性越来越高。稳定的供电需求是机房数据中心的核心要求，亦是机房能否安全稳定工作的重要保障。

  我国现行规范对供电系统采用重要电力客户分级制度，根据客户的身份分为特级、一级、二级及临时性重要电力用户。2018年国家市场监督管理总局汇同中国国家标准化管理委员会重新发布《重要电力供电电源及自备应急电源配置技术规范》，同时《数据中心设计规范2017版》也于2018年1月正式实施。该系列规范，给数据中心的供电需求做出了明确的定位指示，即机房数据中心为电力系统重要用户，用户等级为一级。

  鉴于数据中心供电系统的重要性，国内大部分A级和B级机房数据中心在供电系统设计上采用双冗余双备份设计，能够很好的解决机房供电的安全稳定性，但随之而来的能耗利用率却一直鲜有人关注，即PUE值（PowerUsageEffectiveness电源使用效率）不被重视，如何节能成为下一代数据中心机房设计所关注的热点。

国外情况

根据Uptime Institute发布《2018数据中心调查报告》显示，2007年，全球数据中心PUE平均值为2.5，2013年PUE已经降低了1.65，最新的数据显示，2018年全球数据中心PUE为1.58，报告显示，虽然数据中心单机柜平均密度仍然很低，但呈现快速提升的趋势。2017年，67%的机柜密度低于6千瓦（KW），只有9%的单机柜密度达到10千瓦以上。而2018年，已经有69%的机柜密度达到了10-29千瓦。在2016年时，只有一些高性能数据中心的机柜密度达到了26千瓦。（参考Uptime Instiute RESEARCH <Global Data Center Survey ADVISORY 2018>）

以下为原文：

The roles of the participants range from IT and facilities management to executive, with senior-level participants at the VP level and above. Multiple geographic regions are represented, providing a global perspective. Most respondents (62%) are from the large, mature data center markets of the U.S., Canada, and Europe, with the balance spread across a mix of emerging data center markets and smaller regions.

The Green Grid’s power usage effectiveness (PUE) metric has become the industrypreferred metric for infrastructure energy efficiency for data centers. PUE does not take into account the efficiency of IT or networking equipment (or software applications), and it was designed only to benchmark efficiency gains over time at an individual site rather than to compare one facility against another. While the data center industry has long acknowledged these limitations of the metric, PUE remains the de facto efficiency standard and one that the Uptime Institute has been tracking for over the past decade. 

In 2007, average PUE was 2.5 in a survey of Uptime Institute’s Network Members (a global user group of large data center owners and operators). This improved to 1.98 in our inaugural industry survey in 2011, and to 1.65 in our 2013 survey. Improvements since then have been incremental; in 2018, the average PUE was 1.58.

Uptime Institute作为全球公认的数据中心标准组织和第三方认证机构，是数据中心业界最知名、权威的认证，在全球范围得到了高度的认可。Uptime Institute对数据中心的电气参数、冗余、地板承载、电源、冷却装备，甚至造价等等都制定了标准。其中电气部分的PEU值即是其重点关注指标之一。

综上，国外机房数据数据中心对PUE值即PowerUsageEffectiveness电源使用效率非常重视。国内近年随着各标准及规范的普及，也在逐步推崇环保节能指标，但并无官方机构或标准规范针对该能耗指标作出合理建议，而这也是本次我们对机房数据中心供电系统设计将要探讨的重要问题。

B. 论文提纲

一、机房数据中心供电系统的用户需要

机房数据中心在当前信息化建设中占据着非常重要的作用，是所有信息化设备能够正常运行的重要支撑。一个完整的机房数据中心，应当充分满足机房内计算机等信息化设备的正常供电，同时还需满足功能辅助设备如照明设备、空调制冷设备、新风设备、消防设施等的安全供电。

该处，暂以杭州市余杭区第一人民医院中心机房建设项目做案例分析，该机房数据中心承担整个医院信息化设备及下辖乡镇社区医院设备托管服务，机房数据中心定位于B级机房。

（一）用户对机房数据中心供电整体负载的需求

1. 业主对系统单柜容量需求；

2.业主对供电系统稳定性的标准性要求；

3、业主对系统供电具体技术要求

（二）用户对机房数据中心照明的要求

业主对数据中心照明系统标准要求，技术要求等。

（三）用户对机房数据中心辅助设备精密空调供电需求

1. 业主对空调系统的标准要求；

2. 结合现场场地条件和经济成本，业主对空调工艺的技术要求；

（四）用户对机房数据中心防雷接地系统需求

1、用户对机房数据中心防雷接地的标准要求；

2、结合现场供电结构及条件，业主对系统的具体技术要求；

二、机房数据中心供电系统设计与分析

  综合余杭区第一人民医院对该数据中心机房的使用需求，结合相关医院行业及同等规模同等级别数据中心实际使用情况，按照相关规范要求开展配电设计工作。

（一）确定供配电系统本身级别

根据该项目B级机房的设计级别，参照《数据中心设计规范GB20174-2017》确定供电技术要求，系统电源由双重电源供电，变压器N+1方案，末端ATS双变换。

辅助设备空调供电双重电源供电，变压器N+1方案，末端ATS双变换。

（二）供配电系统总体设计

1.根据业主使用需求，从末端服务器机柜设计容量逐步推算系统需求总容量，集合计算机设备负载特点，取值用电系数；

2.根据上述推算系统容量，设计UPS主机容量，并根据UPS容量及后备时间要求，计算后备电池容量；

3.根据系统推算容量计算场地发热量，确定精密空调冷量，选取精密空调，计算空调设备电气容量，并考虑空调冗余量的电气负载；

4.根据医院大楼建筑结构、数据中心机房位置及电源引入结构确定接地方案；

5.根据大楼供电引入结构，设计电气防雷方案。

（三）绿色节能部分及无功功率补偿

机房的建设容量往往远大于实际使用负荷。这些机房由于大量设备都在轻载运行，导致各环节的效率都远低于系统设计效率。因此，在设计建设数据中心时，应认真对近远期的发展情况进行规划或预测，然后根据近远期的发展情况，逐步、分批建设供电系统，使设备的利用率和使用效率尽量达到最优。

该医院机房设计容量较大，由于考虑8年内需要投入的信息化设备只会越来越多，但大楼供电部分属于基础设施，不可能分批投入建设。实际投入IT设备负载极有可能初期不到30%，而IT设备减少，亦会导致系统核算的发热量减少，引起多米诺骨牌连锁反应使空调负载降低，整体电气有功功率减少。

因此，合理的电气功率设计及无功功率补偿也是机房数据中心的重要组成部分。

三、机房数据中心供电设计追求指标及反思

随着信息化网络的高速发展，人们对数据信息的需求越来越多，国内大小机房数据中心越建越多，大家对机房数据中心越来越重视，展望国家135规划，大数据战略是重中之重。近年来，受国外对数据中心能耗比的要求影响，国内开始逐步追求电能利用效率PUE值。

PUE值是Power Usage Effectiveness的简写，是评价数据中心能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比，是DCIE(data center infrastructure efficiency )的反比。

PUE = 数据中心总设备能耗/IT设备能耗，PUE是一个比值，基准是2，越接近1表明能效水平越好

PUE(PowerUsageEffectiveness，电源使用效率)值已经成为国际上比较通行的数据中心电力使用效率的衡量指标。PUE值是指数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源之比。PUE值越接近于1，表示一个数据中心的绿色化程度越高。

在一个理想的情况下，所有输入数据中心的功率应用于操作IT负荷（服务器、存储设备和网络）。如果我们认为所有进入数据中心的功率均消耗到数据中心运营上面，那么由此产生的PUE即为理想状态的1。然而，实际上，这些电力的一部分要被转移到支持制冷、照明和其他支持基础设施。还有一部分剩余电量由于在电力系统的损失而消耗，然后才是那部分用于服务IT负载的电力。

目前，许多厂商大力推进模块化数据中心机房建设，号称PUE值可降至1甚至0.9，其实是完全不现实的。另一方面，盲目的追求降低PUE值而不考虑设备使用效率也是缘木求鱼本末倒置了。

例如，一家数据中心的输入功率为100千瓦，其中50KW用于提供给IT设备。正如前面所示，这将达到我们最初的PUE值2.0。　　

　　现在假设一家企业决定将一些服务器实施虚拟化。事实上，较之相同数量的数据中心的整体功耗，通过部署虚拟化能够成功减少IT设备的电源达25千瓦。PUE在这种情况下会发生什么？

　　PUE（实施虚拟化后）=75/25=3.0

　　但这一更高的数值难道不正是我们要避免的吗？任何削减IT使用实际上将导致更高的PUE值。

　　因此，当IT负载减少，基础设施负载/IT负载总是会增加，从而导致PUE的增加。相反，增加IT负载，总是会带来PUE下降。所以，如果PUE值上升就意味着数据中心现在不节能吗？相反，现在的数据中心更加注重能源效率。我们现在能够做到少花钱多办事，即：同样的工作，用更少的能源和成本。

如果我们不知道如何使用PUE来衡量数据中心的变化的结果，那么PUE将成为一个毫无意义的数字。

C. 参考文献

[1]数据中心专业术语解释：PUE  ．TechTarget数据中心

[2]Uptime Instiute  <Uptime Instiute RESEARCH  Global Data Center Survey ADVISORY 2018>

[3] 向PUE 2进化 四个分级充分改进PUE  ．TechTarget数据中心

[4] 数据中心电能利用效率指标(PUE)的应用探讨 原世杰 Broad Angle for Technology 技术广角 上海邮电设计咨询研究院有限公司

[5] 数据中心 PUE 张航瑞 数据中心运维管家

[6] 数据中心机房供配电系统设计 严宁《电子技术与软件工程》2017年第02期

[7] 王静.广州卷烟厂数据中心机房供配电及防雷接地系统设计浅析[J].智能建筑电气技术，2012，6（05）

[8] 陈金銮.某数据中心机房UPS供电系统改造设计及其可用性分析[J].智能建筑电气技术，2011，05（05）

[9] 高春荣，胡君，刘建立.谈数据中心机房配电系统设计及施工[J].山西建筑，2012，38（10）

[10] 杨晓花.谈大型数据中心的供配电系统设计 访中建国际（深圳）设计顾问有限公司上海区域电气与智能化总工程师李兴林[J].电气应用，2011（11）：6-8.

[11] 张渊，金玉龙，ZHANGYuan，等.某大型数据中心供配电系统设计[J].建筑电气，2015（08）