数据中心UPS系统运行能耗优化探讨与应用

摘要：数据中心UPS系统合理的运行方式对数据中心的管理和运行具有十分重要的意义，PUE、pPUE、CLF/PLF、RER是通用的衡量数据中心的能效指标，UPS系统的构建和系统运行方式的选择能对数据中心的能效指标起到重要作用，当地市电的供电质量对UPS系统运行有重要的影响，灵活的UPS系统运行方式能大程度对数据中心能耗优化。

关键词：UPS；能效指标；设备选型；电源质量；能耗优化

一、前言

全国人大代表、中国信息通信研究院院长刘多在接受人民网财经连线采访时表示，“新基建”是构筑数字经济创新发展之基，培育新动能，推动发展方式转变的关键力量，“新基建”将为经济发展注入新动能。从新基建的系统图我们能看到数据中心的建设占用显著的位置；随着我国经济的迅猛发展，数据中心的建设也呈现爆发式增长的势头，其能耗的增长也引起了越来越多的关注，据相关机构统计，目前我国数据中心的年耗电量已超过社会总耗电量的1.5%；作为数据中心技术人员需要高度重视数据中心能耗的增加，需要全面认识数据中心能效指标，为不同类型的数据中心提供优化合理的节能减排方案；UPS系统作为数据中心关键设备电源系统的供应和保障系统，其系统的构建和运行方式对数据中心能耗有至关重要的作用。

图1新基建系统图

二、数据中心能效指标概述

降本增效是经济发展的一个重要课题，数据中心能耗的不断增加对新基建而言也是一个重要的课题，数据中心中UPS系统的构建和运行方式对其降低能耗有十分重要的意义。在对UPS系统的构建和运行方式的探讨前，对数据中心能效指标的评价体系的了解有助于我们构建更优秀的运行体系；对于不同类型的数据中心而言，不同的是用途，相同的是都有基本一致的能效指标，目前数据中心常用的有以下四种能效指标：

1. PUE：是目前国内外数据中心较流行的衡量数据中心基础设施能效的综合指标，计算方法为：PUE=PTotal/PIT。其中，PTotal为数据中心各类设备的能耗总和，PIT为IT设备能耗总和。UPS系统的能耗在基础设施中占有相当大的比重，显然，对UPS系统运行的优化能提升数据中心PUE。
2. pPUE：pPUE其实是PUE概念的进一步细分讨论，是对数据中心局部区域或设备的能效进行评估和分析。采用pPUE指标进行数据中心能效评测时，关键的一步是对数据中心的合理分区。
3. CLF/PLF：CLF/PLF分别是制冷/供电负载与IT设备能耗比值。从管理的角度来说这两个比值比PUE更能准确体现数据中心的能效。在该评价体系中PLF的大小如UPS系统息息相关。
4. RER：再生能源的利用是数据中心今后一个重要的课题，RER就是用于衡量数据中心利用可再生能源的一个指标，RER指标的提升，可以减少数据中心的碳排放。目前主要的再生能源有太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。

三、数据中心UPS系统构建及系统运行能耗优化

数据中心作为新基建的重点方向之一，机遇往往伴随挑战，新基建也对数据中心的发展提出来更高的要求，比如能耗方面，UPS系统的节能优化运行就是我们需要重点关注的一个方面；数据中心UPS系统的构建和系统优化运行，需要从UPS系统选型、IT设备供电需求、UPS运行方式、如何保证电源质量等方面进行充分的考虑；下面进行简单分析：

1. 合理的UPS系统构建

UPS系统的合理构建对于数据中心来说有至关重要的意义，目前市场上的UPS机组既有传统的高频、工频机组，也有模块化UPS的机组，高压直流供配电系统代替常规的UPS供配电系统的供配电技术也逐步被一些数据中心所接受，但高频或工频UPS供配电系统仍然是主流；合理的系统构建对数据中心的能耗体系有重大的影响，下面进行简单的分析：

1. 工频机UPS供电解决方案

目前50%以上的数据中心采用工频机UPS供电，主要原因是其采用技术较为成熟和可靠可控硅相控整流技术，同时在供配电中采用“1+1”双总线供电方案,其优点有：解决单点故障、容错能力好，可靠性高、控制简单；对各种成本越来越高的数据中心而言，工频机UPS安装占地面积大、安装场地承重要求高、功率因数低、使用成本高也制约其进一步的发展

1. 高频机UPS供电解决方案

以前对高频UPS顾虑就是大功率IGBT模块的技术瓶颈，随着大功率IGBT模块制作工艺的提高，采用IGBT整流型的高频UPS也逐渐被较多数据中心的技术人员所接受，高频机对数据中心技术人员认可的技术变化是不需要输出隔离变压器，其供配电系统和工频UPS一样采用“1+1”双总线供电方案；与工频UPS对比其占地面积小、场地承重要求低、解决单点故障瓶颈、容错能力好、功率因数高、使用成本低等优势就显得意义重大了；当然高频机UPS供电解决方案仍然有较多的缺点，比如：高频谐波多、负载端“零地”电压较高等；由于一些进口品牌服务器厂家对“零地”电压小于1V的“过份”要求，因此对于计算节点使用较多的数据中心在构建UPS系统时，对UPS选型不是特别技术人员往往容易受这点影响而坚持选用工频机；但从80%以上新建数据中心的构建选择来看，高频机系统的构建是数据中心未来供电系统的必然趋势。

1. 构建UPS系统的合理容量选择

构建一个合理容量的UPS系统对数据中心来说意义重大，UPS系统的构建需要考虑较多的因数，其效率和成本是比较重要的两个因数。从技术的角度出发，我们只对效率进行探讨，对于UPS系统的构建把握两个关键数字，50%和±15%，理解50%的关键就在于UPS系统负载在50%以上时其有比较高的效率，当低于50%负载时，其效率就急剧下降。±15%是指用户选型时选取效率与输出功率的关系曲线和直流电压变化±15%时的效率。充分理解50%和±15%技术人员就能构建合理容量的UPS系统；从成本角度讲，机器的效率高，可以节省成本，选用容量时，也可以更加优化。

（二）UPS系统运行方式选择

对于一个数据中心而言，UPS系统的运行方式是由数据中心内计算、存储、交换等IT设备的需求决定的。IT设备的总功率决定了UPS系统容量，IT设备电源输入回路需求决定了UPS系统组成方式。下面从多种因素结合讨论数据中心UPS系统运行能耗优化问题。

1.UPS单机运行

对于规模很小的数据中心，或者说有投资限制的数据中心，很多采用单机运行；对于该类型的数据中心UPS系统的节能优化很简单，设备选型很重要，选择系统效率高的高频机或模块化UPS能从根本上提升该数据中心的PUE值；如果设备选型已经为工频机的就根据市电的电源质量和设备的重要程度合理选择单机的运行模式。如果市电电源质量可靠是可以选择大多数UPS具有的经济运行模式。

图2UPS系统单机节能运行模式

2.UPS单系统并机运行

图3UPS互动热备份（ATS）运行

随着数据中心规模的扩大或IT设备重要性的增加，数据中心UPS系统的设备选型和运行方式必须转为并机运行，当然并机方式有多种，比如主从热备份、互动热备份、互动热备份（ATS）、冗余（N+X）并机；大多数数据中心会选择互动热备份（ATS）或冗余（N+X）并机；对于选择互动热备份（ATS）系统来说，优化系统能耗效率当然直接的办法是选用系统效率高的高频机组，既可以保障系统的可靠性，又可以在单机轮换运行时提升和降低机组本身的能耗。

3.UPS多系统并机运行

图4UPS冗余（N+X）运行

随着数据中心规模的进一步扩大或IT设备对电源冗余度提升，数据中心中UPS系统的构建规模是越来越大，需要解决的问题和考虑的制约因素有越多，比如说现在很多重要程度很高的数据中心中IT设备对电源的冗余度要求很高，从双电源逐步提升4电源、6电源、8电源，针对这类型的IT设备供电，单系统并机的UPS机组已经不能满足其需求，我们就需求为其设计多组如图三的N+X冗余系统来满足其需求；针对数据中心多电源设备的大量采用，其实大多数数据中心均采用AB路供电模式，即用两套或多套N+X冗余系统来保障IT设备的供电，这也为数据中心降低能耗提供了机会，在市电质量可靠的地区我们可以轮流把AB路UPS系统采用节能模式或公共旁路模式甚至直接采用可靠性较高的市电，即能保障数据中心的可靠性又能降低数据中心能耗。

四、安科瑞能耗统计分析（能源管理）解决方案

1.能效管理解决方案介绍

建立高效的能耗监测管理系统，对建筑各类耗能设备能耗数据进行实时测量，对采集数据进行统计和分析。能够合理的确定各区域建筑能耗经济指标及绩效考核指标，发现能源使用规律和能源浪费情况，提高人员主动节能的意识。

①　搭建数据中心智慧能源管理系统的基本框架，对各个用能环节进行实时监测；

②　排碳数据化：通过系统可实现建筑单位内人均能耗分析（包括水、电、能量），实现低碳办公数据化；

③　区域能效比：实现建筑单位内区域能耗对比，方便能耗考核；

④　同期能效比：实现同年、同期、同一区域能耗对比，方便节能数据分析；

⑤　能耗评估管理：按照能源消耗定额标准约束值、标准值、引导值进行分析单位面积能耗和人均能耗指标；

⑥　能耗竞争排名：各个功能区能耗对比，实现能耗排名，增强工作人员的节能意识；

⑦　对能耗的使用数据进行综合的分析、统计、打印和查询等功能，并根据能耗监测管理系统的需要可选择不同样式报表的打印。为能耗运营管理部门提供可靠的依据；

⑧　能耗数据采集，随时查询，并根据采集数据进行统计分析，监测异常能源用量，对能源智能仪表故障进行报警，提高系统信息化、自动化水平。

2.能源管理系统硬件配置

五、结语

数据中心的安全、高效、可靠运行是我们所有从业人员的首要目标，在安全、高效、可靠运行的基础上保证数据中心的绿色、低碳运行也是所有从业人员的义务。UPS系统的合理选型和系统合理构建，比如UPS系统合理容量选择、选择单机运行效率高的高频机、市电与UPS系统的混合供电、电源质量越来越高的市电直接为IT设备供电，也需要数据中心设计人员及运维工作者去推广和积累更多的经验。

【参考文献】

[1]任妍.新基建为经济发展注入新动能[J].人民网财经频道,2020,5.

[2]周鹤良.电气工程师手册[J].中国电力出版社,2010,4:223-230.

[3]李长春.数据中心关键设备电源质量探讨[J].信息系统工程,2017,12.

[4]李长春.张谦.乔蔚林，数据中心UPS系统运行能耗优化探讨

[5]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版