学文网摘 要 互联网时代条件下，兴建数据中心的需求浪潮式兴起，也由此带来数据中心行业对电力供应的庞大需求。本文从电能的传入、传输、使用和备份四个维度来分析数据中心各部分子系统的能效，力求从系统级的层面呈现数据中心的耗能情况，为业界进行数据中心节能减排、提升数据中心运营能力提供参考。
关键词 数据中心；供电系统；负载率；效率
中***分类号U223.6 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）118-0247-02
0 引言
数据中心是计算机集群化运作能力的物质载体，在全球化、信息化发展过程中发挥了重要作用，但一直被带上“耗能大户”的帽子。数据中心对能源的高消耗、对环境的高污染等严重问题已受到全球性关注，解决数据中心的耗能、污染问题已经迫在眉睫。本文系统性地梳理数据中心供电系统的能耗情况、性能特性，力求全景式呈现数据中心能耗相关的各系统能效，为数据中心节能设计提供参考
1 数据中心供电系统能效分析
本文将其分为电能的传入、传输、使用和备份进行论述。
1.1 电能的接入
电能接入数据中心的第一个设备是变压器，在供电系统的下游各环节也存在着变压器。无论哪种变压器，其原理均为利用导磁回路在一次侧和二次侧传递交变电能，进而实现两种功能：电压变换和电气隔离。其中，电气隔离的含义是：一次侧的故障不会通过“电连接”影响到二次侧。
1.1.1 变压器的经济运行区间
在交流频率、最大磁感应强度、变压器材料和外型确定的情况下，导磁材料的磁滞损耗、涡流损耗的大小与变压器的负载电流无关，是个固定值（空载损耗，俗称“铁损”）。而由于电流流过变压器内的铜导线会产生发热损耗（俗称“铜损”），这是一个与负载电流I的平方成正比的量。
经分析，当且仅当铜损与铁损相等时变压器的电能损耗率最低。这种情况一般对应于变压器的负载为额定容量的40%～60%，依变压器的不同而不同，也就是变压器的经济运行区间。
在最优工作点上，大型变压器的效率可达99.5%以上，小型变压器也可达98%以上。另外，通过采用非晶材料来制作变压器的铁芯，可以有效减小变压器的“铁损”，进而更为提高变压器的效率。
1.1.2 变压器的工作频率与体积、损耗的关系
根据分析，当变压器的工作频率变高时，感应出同样大小的电动势只需要比较少的线圈和较弱的磁场，进而一般情况下高频变压器的体积比工频变压器小。
不过，变压器铁损与工作频率呈正相关性，提高变压器的工作频率到一定程度会带来铁损的可观增加，故而也不能无限度地提高变压器的工作频率和减小体积。
1.2 电能的传输
1.2.1 线路损耗
线路损耗包括电力传递环节上的ATS开关损耗、低压配电系统损耗、供电电缆损耗等，统计表明这几个环节的损耗率为2%。
***路环节，ATS和配电系统基本不可更改，仅能***缆损耗上作局部改进。为了降低供电线缆上的电能损耗，应：
1）尽量加大高压（U高）线路长度，变压器进楼层；
2）采用足够粗（S大）的线缆；
3）减小无功功率，降低总体电流。
1.2.2 UPS（主机部分）
即不间断电源，是一种以整流和逆变器为主要组成部分的恒压恒频电源，在数据中心主要用于服务器的不间断的、清洁的、与电网隔离的电力供应。UPS系统电能损耗高达10%～20%，是数据中心供电系统节能设计革新的焦点之一。
当外电供应正常时，交流电能通过整流和逆变环节完全再生输出到用户侧，这整个再生过程既隔离了上游电力的杂质、又保持输出交流频率、相位同步于外市电（如果外市电频偏太多则同步于内部晶振）。这种情况下，电池挂接在整流器输出端进行浮充。
当外市电发生断电时，整流器无电能输入，原本在浮充状态的电池立即向逆变器供应能量，并持续约15分钟。这时，由于逆变器之前一直与外市电同步，故而输出的电压并没有相位的突变。
当逆变器发生故障时，UPS立即向静态开关发出触发信号（高速可控硅制成，可实现3ms内的倒换），切换到外市电旁路继续供电，同样没有电压相位的突变（因为正常时保持着相位同步）。
UPS的损耗与效率
半导体电力电子器件（UPS正是此例）中存在通态损耗和开关损耗两种，分别与输出电流I或者说输出功率P=U*I成平方关系（平方损耗）和线形关系（比例损耗），另外，由于工频UPS中含有诸如电容、逻辑板和通信卡等设备，这些设备的运行需要的功率称之为空载（固定）损耗。
经分析，当且仅当平方损耗等于空载损耗时取最小值，这时UPS接近满负荷工作点，故而可大致认为负载率越高则电能效率越高。另外，需要指出的是，损耗的能量将变成热量，需要额外的制冷能耗来将其驱散到机楼外。
1.3 电能的使用
数据中心的主要负载是服务器。服务器主板的主供电直流电压为12V，而实现将220V交流电转换为12V直流的组件即为开关电源。在该开关电源中，输入电能经过了AC（220V、50HZ）-DC（400V）、DC（400V）-DC（12V）两个步骤才送向负载：
开关电源在低负载率的条件下效率极大地下降（其原理与UPS情况一致），而现实中服务器恰恰工作在低负载率的情况：较大的设计额定功率、双电源模块热分流，导致单电源模块负载率一般不足20%，效率降到80%左右。
值得一提的是，尽管开关电源交直流转换损失了一部分电能，但是衡量数据中心效能的指标PUE的计算过程把这部分电能算作了服务器功耗，而没有算作附属系统能耗，使得这部分被浪费的能量较为隐蔽。
1.4 电能的备份
电能的备份解决的是当外市电中断时服务器的应急问题，分为立即供电恢复和长期应急供应两种。
1.4.1 立即供电恢复
传统供电系统的立即供电恢复依靠的蓄电池放电，在数据中心中这部分组件消耗了40%的机房面积。本部分按照前文1.3中所列维度比较当前主流的三种蓄电池的优缺点。
1）铅酸电池
化学安全性：稳定、但有酸雾，不能过充过放。
比能量：30Wh/kg～45Wh/kg、60Wh/L～90Wh/L。
最大持续放电电流：1C，对应放电容量为50%。
循环寿命：300～500次。
2）钴酸锂电池
化学安全性：过充放、大电流充放电时会爆炸。
比能量：105Wh/kg～140Wh/kg、300Wh/L。
最大持续放电电流：0.5C。
循环寿命：500次。
3）磷酸铁锂电池
化学安全性：耐高温、抗火、抗摔、可放电到零伏
比能量：110Wh/kg～130Wh/kg、180Wh/L～220Wh/L
最大持续放电电流：5～10C，对应放电容量接近100%。
循环寿命：2000次以上。
1.4.2 长期应急供应
为防止外部供电中断，数据中心需配置发电机来作为长时电力备份。同时，为满足大负荷工作的要求，数据中心供电系统常常需要把几台发电机的输出汇聚到一起，这称之为发电机的并机过程。如果两台发电机的电参数没有达到一致，那么并机时就会在两台发电机之间产生环流，即一台发电机成为了另一台发电机的负载，这是不允许的。
并机的自动操作过程一般为：启动所有发电机（实测需要30秒左右）；将第一台发电机接入输出母排；检测已并、待并发电机之间在输出电压、频率、相位上的差别，机械调整待并发电机的转速；当参数差符合误差要求时，待并机接入母排；继续其他发电机的并机操作。整个并机过程实测至少需要3分钟（有厂商宣称可达到60秒）。
2 结论
供电系统是支撑数据中心正常运作的重要基础设施，其在电能的传入、传输、使用和备份均存在可进行节能优化、安全提升、效率增强之处。在进行数据中心设计时，须采用针对性的节能措施来降低数据中心能耗。
参考文献
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[2]Richard L.使大型UPS系统更有效[DB].APC公司108号白皮书.
[3]李艳华.论铅酸蓄电池[J].现代商贸工业，2010，9：382-383.
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