数据中心直流电源运行能耗优化方法

王 涛，成 曦，李晓阳

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

数据中心作为海量数据的运营中心，不仅承载着大量的市场运营数据，更是作为信息处理的枢纽中心，负责数据的管理与集中统计处理[1]。根据大规模数据中心的典型能耗测试结果可知，现阶段数据中心中直流电源运行的耗能占整体耗能的20%以上。20%的耗能中，仅有1/3 的电能作用于信息技术设备的运行，可以认为数据中心直流电源运行过程对能量的利用率处于极低状态。在深入此方面内容的研究中发现，数据中心直流电源运行能耗优化的研究不够完善，能耗优化方法也具有一定缺陷，其主要体现在优化效果不明显。数据中心中IT 设备所消耗的电能大多由直流电源供应，数据中心内设计优化的能耗控制方法不仅可以节约能源，还可以实现对绿色能源的高效利用，这对提高直流电源的能源效率、降低电源运行中所造成的环境污染而言具有很大的帮助。数据中心是存储、管理、处理大量数据的关键基础设施，因此其能源消耗一直是一个重要的关注点。数据中心的高能耗不仅导致运营成本过高，还对环境造成不可忽视的影响。为应对这一问题，研究者们不断探索能耗优化的方法，并提出各种解决方案。传统的数据中心都采用交流电源供电，该模式在转换和分配过程中会引起能源损耗。而直流电源作为一种新兴的供电方式，具有高能效和可靠性的优势。因此，越来越多的数据中心开始采用直流电源来降低能耗并提高能源利用效率。然而，尽管直流电源具备节能的潜力，数据中心的能耗优化仍然面临一些挑战。例如，数据中心往往具有复杂的负载特征和不确定的能源需求，同时还存在着电源和负载的不匹配问题。

为满足数据中心的运行需求，运营管理方不得不增加直流电源容量，但电源容量过大，也在一定程度上增加了数据中心的管理难度。为解决这一问题，提高对电源能耗的利用率，解决直流电源的高耗能问题，开展数据中心直流电源运行能耗优化方法的设计研究，旨在提高直流电源供电系统的安全性、可靠性，提高电源维护管理的便捷性，进一步降低数据中心直流电源系统的建设成本。

1 直流电源母线与数据中心接口单元主动调控

为满足数据中心直流电源的运行能耗优化需求，开展研究前，应进行直流电源母线与数据中心接口单元的主动调控。在此过程中应明确两者之间的接口单元包括能源接口、DC/DC 接口、变换器接口，其中变换器采用稳压控制与最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制，为提供电源变换器在运行中相对良好的运行条件，需要进行电源母线在当前模态下运行时电感电流的计算，计算公式为

式中：iL(t)表示t时刻下，电源母线在当前模态下运行时的电感电流；iL(0)表示电源母线在初始化状态下运行时的电感电流；U1表示当前条件下的输出电压；U2表示电源母线在初始化状态下运行时的电压；L表示电源母线长度。为确保电源处于稳态运行条件，根据计算后得到的电感电流值，如iL(t)的输出值满足电源运行条件，将直流电源母线接入MPPT 进行控制，通过此种方式最大限度地利用能源[2]。反之，当iL(t)的输出值不满足电源运行条件时，采用另一方式进行接口对接，实现直流电源母线与数据中心接口单元的主动调控。

2 直流电源运行系统级控制与能量管理

基于数据中心直流电源的计算任务（如交互任务、批处理任务等）、可再生能源发电预测以及储能系统荷电状态等信息，对数据中心直流电源的绿色能源利用进行综合监控和集中管理[3]。管理中，应根据直流电源的运行条件，将多种内、外约束作为前提条件，科学地制定直流电源运行过程中对电能的调度方案，此过程的计算公式为

式中：K(t)表示直流电源运行过程中对电能的调度；m表示直流电源的开关序列；Vp表示调度层级。通过对直流电源电能的调度，实现直流电源的运行系统级控制与能量管理，完成数据中心直流电源运行能耗优化方法的设计研究[4]。通过此种方式，保证数据中心直流电源安全、稳定、高效地利用绿色新能源。

3 实例应用分析

为实现对数据中心直流电源运行能耗优化方法在实际应用中效果的检验，以某地区大型能源数据中心为例，采用设计实例应用实验的方式，对提出的优化方法展开测试。

测试前，为排除相关因素对实验结果的影响与干扰，对数据中心直流电源运行的基本情况展开分析，相关内容如图1 所示。

图1 数据中心直流电源运行的基本情况

考虑到此次研究的数据中心为能源数据中心，为明确能源数据中心内的发电作业工况，按照表1进行能源数据中心内发电存储一体化IT 设备参数的设计。

表1 数据中心内发电存储一体化IT 设备的参数

在上述内容的基础上，与数据中心直流电源运行管理有关部门进行交涉，通过交涉发现，数据中心直流电源在运行中存在耗能高、成本高、人力管理难度大等缺陷。为解决以上问题，有关单位开展大量研究，并投入大量资金，用于提高数据中心直流电源运行中的能量利用率[5]。但现有的工作在实施中一直未能发挥预期效果。针对此方面问题，决定使用文章设计的方法进行数据中心直流电源运行过程中的能耗优化。优化前，先进行数据中心直流电源基本参数的分析，具体内容如表2 所示。

表2 数据中心直流电源的基本参数

完成上述准备工作后，进行数据中心直流电源运行过程中的移相控制，为避免直流电源在运行中受到其他因素的干扰，进行直流电源母线与数据中心接口单元的主动调控，最后通过直流电源运行系统级控制与能量管理完成文章所提方法在测试环境中的应用。

将优化前与优化后电源运行单位时间内的能耗、能源平均利用率作为检验方法应用效果的关键指标，统计实验结果如表3 所示。

表3 数据中心直流电源运行能耗的优化效果

从表3 所示的实验结果可以看出，使用文章设计的方法进行数据中心直流电源运行能耗优化，优化后不仅可以控制电源运行单位时间内能耗，还可以提高电源在运行过程中对能源的平均利用率，解决数据中心直流电源运行管理中存在的高耗能问题。通过对电源运行的灵活调度和优化配置，能够合理安排电源的开关机时间和电源负载分配，使电源在运行过程中更加高效地利用能源资源。通过精确的能源调度和负载均衡策略，能够最大限度地减少电源的闲置时间和不必要的能源浪费，从而降低总体的能源消耗。通过优化能源利用率，能够提高电源系统的效能和可持续性。通过合理规划和协调电源的工作状态，以有效地利用已有资源，减少不必要的能源浪费。同时，能够及时检测和识别电源工作中存在的能耗问题，并采取相应措施进行优化和改进，以进一步提高整体的能源利用效率。

4 结 论

随着互联网技术、信息技术的发展与成熟，在通信、金融、工业、石油、教育以及新能源等诸多行业中，人们对数据处理、统计、运营以及管理的需求日益迫切。为满足海量数据的运营管理需求，数据中心应运而生，在接入新能源的情况下，数据中心的直流电源供电系统相当于一个直流微电网。为解决直流电源在运行中存在的高耗能问题，通过直流电源母线与数据中心接口单元的主动调控、直流电源运行系统级控制与能量管理，完成数据中心直流电源运行能耗优化方法的设计。设计后，对该方法进行检验，检验后的结果证明，文章所提方法不仅可以控制电源运行单位时间内能耗，还可以提高电源在运行过程中对能源的平均利用率。