數(shù)據(jù)中心電力資源規(guī)劃配置研究

　　摘　要隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等信息技術(shù)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理的需求越來越高，數(shù)據(jù)中心作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的新型基礎(chǔ)設(shè)施，其核心作用越來越突出，建設(shè)規(guī)模會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)在“碳中和、碳達(dá)峰”的新時(shí)代背景下，對(duì)數(shù)據(jù)中心建設(shè)提出了新的要求。本文分析了主要地區(qū)數(shù)據(jù)中心的能耗情況和用能結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)論述數(shù)據(jù)中心向可再生能源轉(zhuǎn)型的必要性及主要途徑;通過梳理國(guó)內(nèi)電力資源分布和消耗情況，提出了數(shù)據(jù)中心規(guī)劃選址和促進(jìn)數(shù)據(jù)中心綠色轉(zhuǎn)型的一些建議。

　　關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)中心;電力資源;節(jié)能;可再生能源;碳中和

　　5G時(shí)代下，數(shù)據(jù)將呈幾何倍率增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)的載體將迎來更加猛烈的發(fā)展，其作為國(guó)家“新基建”戰(zhàn)略舉措已進(jìn)入快速發(fā)展窗口期。據(jù)賽迪顧問公布的數(shù)據(jù)，2019年中國(guó)各類大中小微型數(shù)據(jù)中心大約有7.4萬(wàn)個(gè)，大約占全球數(shù)據(jù)中心總量的23%，機(jī)架總規(guī)模約為227萬(wàn)架。隨著數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模建設(shè)，數(shù)據(jù)中心的高能耗問題成為各地關(guān)注的重點(diǎn)。

　　以單棟?rùn)C(jī)房樓總裝機(jī)為3000機(jī)架(PUE為1.4，單機(jī)架平均運(yùn)行功率為5kW)為例，每年電能的消耗量高達(dá)1.84×108kWh。在“新基建”的熱潮下，數(shù)據(jù)中心行業(yè)的耗電量會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，因此預(yù)計(jì)未來數(shù)據(jù)中心耗電量仍將維持雙位數(shù)增速。近期我國(guó)宣布了國(guó)家“碳中和”目標(biāo)：力爭(zhēng)2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。這對(duì)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)提出了新的要求。因此在規(guī)劃、建設(shè)大型數(shù)據(jù)中心特別是超大型數(shù)據(jù)中心時(shí)，必須要結(jié)合當(dāng)?shù)氐碾娏Ψ植紬l件、可再生能源情況以及在未來幾年的業(yè)務(wù)趨勢(shì)。

　　1數(shù)據(jù)中心用能結(jié)構(gòu)和特征

　　1.1數(shù)據(jù)中心用能結(jié)構(gòu)

　　通常，數(shù)據(jù)中心內(nèi)IT設(shè)備、制冷系統(tǒng)和其它供配電設(shè)備的能耗構(gòu)成了數(shù)據(jù)中心電力能源的絕大部分。數(shù)據(jù)中心全年不間斷穩(wěn)定運(yùn)行，電力能源消耗巨大，通常采用電網(wǎng)作為主要的電力來源。對(duì)我國(guó)而言，并不缺少電力資源，但中國(guó)發(fā)電廠主要集中在西北地區(qū)，而用戶客戶主要集中在東南部，電網(wǎng)的輸送能力還存在一定瓶頸。國(guó)內(nèi)也有采用燃?xì)饫錈犭娙��?lián)供系統(tǒng)進(jìn)行供電的情況，以燃?xì)鉃橐淮文茉从糜诎l(fā)電，并利用發(fā)電后產(chǎn)生的余熱進(jìn)行制冷或供熱。我國(guó)天然氣資源分布不均，配套設(shè)施不夠完善，天然氣的供應(yīng)能力存在不穩(wěn)定性，而數(shù)據(jù)中心對(duì)電力穩(wěn)定性和可靠性有著極高的要求，因此目前采用天然氣三聯(lián)供方式的數(shù)據(jù)中心較少。通過對(duì)數(shù)據(jù)中心能源消耗結(jié)構(gòu)的分析，數(shù)據(jù)中心在設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)要重點(diǎn)考慮電力能源的供給問題。

　　1.2數(shù)據(jù)中心用能特征

　　1.2.1高耗能特征

　　數(shù)據(jù)中心用電指標(biāo)是傳統(tǒng)民用建筑的數(shù)倍甚至10倍以上。數(shù)據(jù)中心除了滿足自身服務(wù)器用電，還需提供相關(guān)制冷等輔助設(shè)備的用電。其中IT和空調(diào)制冷設(shè)備是數(shù)據(jù)中心的主要能耗來源，二者通常占數(shù)據(jù)中心總能耗的85%以上，典型PUE為1.4的數(shù)據(jù)中心能耗占比。據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)，我國(guó)在用超大型、大型數(shù)據(jù)中心的平均PUE分別為1.4和1.54。規(guī)劃在建的超大型、大型數(shù)據(jù)中心平均設(shè)計(jì)PUE進(jìn)一步降低，分別為1.32、1.4。

　　數(shù)據(jù)中心PUE與所處的地理位置和制冷形式有較大關(guān)系。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件采取相應(yīng)的制冷形式，若采用間接蒸發(fā)冷和全新風(fēng)制冷等新型制冷方式，年均PUE可低至1.25以下。近年來，部分一線城市出于節(jié)約能耗的考慮，陸續(xù)出臺(tái)了數(shù)據(jù)中心PUE限制政策，目標(biāo)為將PUE值降至1.4以下。2019年，工信部、國(guó)家能源局等發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》(工信部聯(lián)節(jié)〔2019〕24號(hào))，提出至2022年數(shù)據(jù)中心平均能耗達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，新建大型、超大型的數(shù)據(jù)中心電能使用效率值1.4以下，高能耗老舊設(shè)備基本淘汰。

　　1.2.2高可靠供電特征

　　數(shù)據(jù)中心不間斷運(yùn)行的業(yè)務(wù)特點(diǎn)要求電力供給必須具備“可持續(xù)性”�，F(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50174-2017)規(guī)定：A級(jí)數(shù)據(jù)中心應(yīng)由雙重電源供電并配置備用電源，B級(jí)數(shù)據(jù)中心宜由雙重電源供電。此外，金融行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)金融數(shù)據(jù)中心的供電要求更為嚴(yán)格，《金融業(yè)信息系統(tǒng)機(jī)房動(dòng)力系統(tǒng)規(guī)范》(JR/T0131-2015)要求A級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)雙路市電從不同的變電站引入，且預(yù)留25%的余量。

　　目前，數(shù)據(jù)中心常規(guī)的做法多采用多路雙重電源引入，市電互為備用。當(dāng)其中一回線路出故障無(wú)法供應(yīng)電力，則由剩余正常的線路承擔(dān)起全部負(fù)荷。在建設(shè)大型數(shù)據(jù)中心特別是超大型數(shù)據(jù)中心時(shí)，在規(guī)劃選址的時(shí)候必須要明確當(dāng)?shù)氐碾娏Ψ植紬l件以及在未來幾年內(nèi)的發(fā)展規(guī)劃。如果當(dāng)?shù)匚磥韼啄甑碾娏π枨筝^大，有可能數(shù)據(jù)中心的電力就會(huì)得不到充足的供應(yīng)，屆時(shí)不得不投入更多的成本來滿足電力需求。

　　2數(shù)據(jù)中心能耗發(fā)展趨勢(shì)

　　新建的數(shù)據(jù)中心大量涌現(xiàn)，已有的數(shù)據(jù)中心存在供電和制冷的限制。近年來在數(shù)據(jù)中心的發(fā)展過程中，計(jì)算與存儲(chǔ)性能的突飛猛進(jìn)也帶來了能源成本的激增，通常采用單位計(jì)算能耗來表征服務(wù)器計(jì)算力與能耗的關(guān)系。雖然單位計(jì)算能耗在相對(duì)下降，但是因?yàn)镮T爆炸性的需求，絕對(duì)能耗卻在增加。國(guó)內(nèi)一個(gè)典型的托管性數(shù)據(jù)中心，電力成本在數(shù)據(jù)中心整體成本中已經(jīng)超過50%，平均來看，4年的電費(fèi)將超過數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施投資，而數(shù)據(jù)中心的使用壽命可達(dá)到15年以上。

　　從數(shù)據(jù)中心的能源供應(yīng)側(cè)看，我國(guó)數(shù)據(jù)中心供能模式單一，數(shù)據(jù)中心的能源供應(yīng)以火電為主，綠電和其它能源的供應(yīng)占比較低。整體來看，數(shù)據(jù)中心中能耗使用比重最大的為IT設(shè)備與制冷系統(tǒng)，IT設(shè)備主要指服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)等負(fù)責(zé)進(jìn)行信息交換和存儲(chǔ)的設(shè)備。降低制冷系統(tǒng)的能耗是目前數(shù)據(jù)中心節(jié)能、提高能源效率的重點(diǎn)關(guān)注環(huán)節(jié)。在建設(shè)新型數(shù)據(jù)中心的過程中，需要在電力、制冷和能源3個(gè)層面，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性成本優(yōu)化。

　　對(duì)于各系統(tǒng)進(jìn)行分析，機(jī)電系統(tǒng)可優(yōu)化范圍不超過10%，暖通/制冷有較高改進(jìn)空間，約20%～30%。此外還可以通過云計(jì)算技術(shù)進(jìn)一步整合提高系統(tǒng)效率。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心需提高基礎(chǔ)設(shè)施和上層應(yīng)用系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)性，調(diào)高自動(dòng)化運(yùn)維水平，將基礎(chǔ)設(shè)施的冗余保障與軟件系統(tǒng)服務(wù)級(jí)別更有效的匹配對(duì)應(yīng)。將能源、設(shè)施和節(jié)能技術(shù)結(jié)合起來統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)維，結(jié)構(gòu)化調(diào)整數(shù)據(jù)中心能源構(gòu)架是數(shù)據(jù)中心演進(jìn)方向。

　　3全國(guó)電力資源分布情況

　　3.1電力資源概述

　　中國(guó)電力資源和用電負(fù)荷呈逆向分布，即電力資源主要分布在我國(guó)西部和北部地區(qū)，而用電負(fù)荷主要分布在東南部地區(qū)。傳統(tǒng)模式下，電力資源的跨區(qū)域配置主要依賴一次能源運(yùn)輸?shù)哪Ｊ絹韺?shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)的發(fā)展在一定程度上緩解了傳統(tǒng)能源運(yùn)輸通道的壓力，豐富了電力資源跨區(qū)域配置的形式。但是電力能源在傳輸過程中損耗較為嚴(yán)重，導(dǎo)致供電成本高居不下，東南部發(fā)達(dá)地區(qū)電價(jià)也“水漲船高”。在電力資源較為豐富的西部和北部地區(qū)，電力自給率通常較高，一般情況下，可以為數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)提供豐富的電力資源。其次，西部和北部地區(qū)存在數(shù)量眾多并且布局合理的220kV 及以上變電站，也可為數(shù)據(jù)中心電力供應(yīng)提供可靠的電力保障。

　　3.2電力自給率

　　電力自給率是電力能源自產(chǎn)總量與電力能源消費(fèi)總量的百分率，可用來表示一個(gè)國(guó)家或地區(qū)電力能源生產(chǎn)可以滿足消費(fèi)的程度。能源自給率越高，對(duì)外依賴性就越小，反之越大。電力自給率可在一定程度上反映當(dāng)?shù)仉娏�資源的豐富程度。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，鄂爾多斯、呼和浩特、貴陽(yáng)、成都等城市電力自給率較高，該4個(gè)城市擁有豐富的電力資源。作為一線、新一線等城市，北京、上海、廣州、深圳、天津、重慶等城市電力自給率不足80%。北京近5年的平均電力自給率僅約40.5%，上海僅為54.6%。北京、上海等重點(diǎn)城市是數(shù)據(jù)中心需求大戶，電力供應(yīng)的緊張一定程度限制了數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。

　　3.3最大用電負(fù)荷自給率

　　地區(qū)最大用電負(fù)荷自給率為發(fā)電裝置總裝機(jī)容量與最大用電負(fù)荷的比值，該值可在一定程度上反映出用電高峰時(shí)期當(dāng)?shù)氐陌l(fā)電裝機(jī)能夠?yàn)楸镜胤��?wù)的能力。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，鄂爾多斯、呼和浩特、貴陽(yáng)最大用電負(fù)荷自給率均高于300%，其中鄂爾多斯、呼和浩特高于600%。相比較發(fā)電能力較弱的北京、上海、天津位列最后3位。其中，北京僅為61%，意味著用電高峰期時(shí)，北京39%的電力需要依靠外來容量進(jìn)行補(bǔ)給，此種狀況對(duì)于數(shù)據(jù)中心這種用電大戶來說，存在一定用電緊張的風(fēng)險(xiǎn)，用電高峰期的電力短缺會(huì)造成數(shù)據(jù)中心無(wú)法依靠可靠的電力供應(yīng)保障。因此僅從電力能源配套方面分析，數(shù)據(jù)中心并不適合建設(shè)在北京、上海等電力資源匱乏地區(qū)。

　　4全國(guó)可再生能源分布情況

　　4.1可再生能源分布

　　太陽(yáng)能、風(fēng)力、潮汐能、地?zé)崮艿仁侨≈�不盡、用之不竭的清潔可再生能源。利用可再生能源進(jìn)行發(fā)電的有太陽(yáng)能(發(fā)電)裝置、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)、海洋能發(fā)電技術(shù)和地?zé)崮芰哭D(zhuǎn)換系統(tǒng)等。此類可再生能源發(fā)電成本極低，但是初期投資成本高，另一缺點(diǎn)是發(fā)電易受環(huán)境影響從而表現(xiàn)出間歇波動(dòng)特性。當(dāng)前中國(guó)數(shù)據(jù)中心可再生能源推廣處于起步階段，大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心完全采用市電進(jìn)行供能。

　　在為數(shù)據(jù)中心尋找更清潔的可再生能源、減少數(shù)據(jù)中心的碳排放方面，自2018年以來，中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)企業(yè)的可再生能源采購(gòu)規(guī)模已經(jīng)有所增長(zhǎng)，阿里巴巴、萬(wàn)國(guó)數(shù)據(jù)、百度、騰訊等數(shù)據(jù)中心在近幾年都分別實(shí)現(xiàn)了較大規(guī)模的可再生能源采購(gòu)，秦淮數(shù)據(jù)作為中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)科技行業(yè)首家提出“100%可再生能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)”。在“碳中和、碳達(dá)峰”背景下，風(fēng)電、水電、風(fēng)力發(fā)電、可再生能源發(fā)電等綠色能源會(huì)成為數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)能源的互補(bǔ)或替代，屆時(shí)可再生能源豐富的地區(qū)會(huì)受到越來越多的青睞。

　　4.2綠色數(shù)據(jù)中心建議

　　數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃選址工作，除了充分考慮影響要素外，還需要充分發(fā)揮本地化優(yōu)勢(shì)，做到“因地制宜”。數(shù)據(jù)中心對(duì)氣象條件和電力資源等要素要求較高，豐富的電力資源、優(yōu)惠的能源價(jià)格、較好的氣象條件，對(duì)于降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本起到非常重要的作用。數(shù)據(jù)中心部署立足數(shù)據(jù)中心當(dāng)?shù)刭Y源稟賦及負(fù)荷特性，因地制宜，因時(shí)制宜，充分結(jié)合自然或免費(fèi)冷源，推廣綠電在數(shù)據(jù)中心供能上的應(yīng)用，構(gòu)建數(shù)據(jù)中心多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)，推動(dòng)綠電與其它能源在數(shù)據(jù)中心供能上的多元互動(dòng)。

　　如氣象條件優(yōu)越的地區(qū)，應(yīng)盡量選擇全自然冷卻，最大限度地降低數(shù)據(jù)中心的OPEX運(yùn)營(yíng)成本;太陽(yáng)輻射資源豐富的地區(qū)，可考慮適當(dāng)?shù)夭捎霉夥�等綠色能源發(fā)電，以降低數(shù)據(jù)中心對(duì)市電的消耗和依賴，并降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本。將能源、設(shè)施和節(jié)能技術(shù)結(jié)合起來考慮系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)維。采用先進(jìn)技術(shù)最大化利用本地優(yōu)勢(shì)，針對(duì)該地區(qū)相對(duì)弱勢(shì)的要素，采用先進(jìn)的綠色節(jié)能技術(shù)加以解決，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心綜合成本的降低。

　　能源工程論文范例： 面向?qū)ο蟮男滦蜆I(yè)務(wù)綜合能源計(jì)量系統(tǒng)研究

　　5結(jié)束語(yǔ)

　　數(shù)據(jù)中心能耗強(qiáng)度高、冷負(fù)荷需求大，在建設(shè)新型數(shù)據(jù)中心過程中，需要在電力、制冷和能源3個(gè)層面，根據(jù)氣候和能源結(jié)構(gòu)建設(shè)數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性成本優(yōu)化。作為“高載能”產(chǎn)業(yè)，提高可再生能源在數(shù)據(jù)中心能源消耗中的占比，使數(shù)據(jù)中心由高能耗向綠色轉(zhuǎn)變。在促進(jìn)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，共同提高可再生能源的采購(gòu)比例，通過持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新與清潔能源應(yīng)用推進(jìn)綠色數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，積極落實(shí)“雙碳”戰(zhàn)略，踐行綠色可持續(xù)發(fā)展。

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　　作者：孫立峰，葉曉劍，張家貝

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