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本文摘自《数据中心基础设施规划设计中的若干问题》一书，本书详细介绍请点击文章下方“阅读原文”。 作者：中国移动通信集团设计院有限公司电源所 彭广香 随着移动互联网 、 物联网、 云计算的快速发展, 企业和个人对于信息化的需求持续增加, 带来了IDC 行业的快速增长。据《2013 ~2014 年度中国IDC 产业发展研究报告》显示, 中国IDC 整体市场的规模持续保持两位数增长, 其增长主要源于IT 企业、互联网企业和电信企业对自身业务支撑和拓展的强烈需求。随着手机智能终端的迅速普及, 今后几年IDC 将会继续保持每年20%以上的增长速度。 随着数据中心数量和规模的迅速增长, 其能源消耗和运营成本问题日益突出。面对日益增长的能源消耗, 绿色数据中心越来越受到人们的关注, 各种常见的节能减排和能效提升的技术手段也得到了日益普遍的应用。在现有的产品和技术已经充分得到应用的前提下, 供电方式的改变将能进一步将IDC 能效提升发挥更大的作用, 给数据中心的节能减排和能效优化提供了一个新的途径。 影响PUE 的主要因素是制冷和供电系统, 国外超低PUE 数据中心普遍直接利用自然冷源和市电直供技术, 而以上技术在国内均未得到普遍推广应用。国内建设的IDC 与国际先进IDC 的PUE 相比, 差距较大(见表1)。 表1 国内外数据中心PUE 对比 Facebook 俄勒冈州数据中心供电结构如图1 所示, 其特点如下: (1) 采用了市电直供技术, 正常供电时, 交流模块100%输出, 效率高; 蓄电池4 +1备用, 48V 整流器只满足电池充电需求; (2) 市电停电时, 备用电源只能支持60 秒~ 5 分钟, 蓄电池只能支持发电机组启动转换、ICT 设备数据备份和数据转移的时间要求; (3) 服务器设备双电源输入, 一路输入277Vac, 另一路输入48Vdc; 两个电源模块输出侧并联, 均为12Vdc。
因后备时间很短, Facebook 的供电方案需要很强的维护管理力, 对业务来说需要很强的容错设计能力。 从世界上先进数据中心的发展来看, 市电直供技术已经成为低能耗技术的必然选择,这也将是国内数据中心的未来发展方向。但由于市电直供技术与现有建设、设计标准体系、运行维护体系存在冲突, 完全采用国外技术方案有一定难度。 目前, 国内可以在不降低可用性和备用能力的前提下, 实现市电直供技术。ICT 设备采用市电和336V 直流系统混合供电的方式, 满足条件时采用市电直供, 可将电源系统能耗降到最低; 市电中断时, 采用336V 直流电源系统供电, 保障设备持续运行。 3.1336V 直流供电技术概况及特点 336V (电池额定电压336V, 电源模块输出380V ) 直流电源是中国移动提出的面向未来的供电模式, 336V 直流电源是一种集中了UPS 供电系统和- 48V 直流供电系统的优点为一体的新型供电系统, 具有电路简单、可靠性高、效率高、易于扩容等优点。(见图2、图3)
图3 336V 高压直流系统框图 3.2技术发展和应用现状 2009 年9 月~2011 年12 月, 在深圳移动进行336V 直流供电系统试点及测试; 2012 年12 月, 新型数据中心哈尔滨仓储式机房项目336V 直流电源系统投入运行; 2012 年, 中国移动四项336V 直流供电系统相关技术标准发布并实施; 2014 年, 中国移动哈尔滨和呼和浩特数据中心规模化应用336V 直流供电系统; 2015 年1 月, 工信部重点项目《336V 开关型整流器》和《336V 直流电源系统》行业标准报批。 3.3ICT 设备对336V 直流供电支持情况 ICT 设备种类众多, 以下从机架式服务器、刀片服务器、存储磁盘阵列、框式交换机、盒式交换机、路由器这几类主要ICT 设备进行说明。(见表2) 表2 ICT 设备支持336V HVDC 技术方案情况 综上所述, 数据中心的ICT 设备, 大多数都可以比较方便地更改成支持336V 直流供电: 对于交换机、服务器、存储磁阵这类设备, 设备自身有内置的AC/ DC 电源模块供电,这类设备技术上可以通过更换为支持336V 直流的电源模块来实现。 对于少数不能更改的设备, 可以通过外置336V 转48V 直流电源框的方式实现支持336V 直流供电, 即48V 输入的路由器供电架构可以按要求设计为336Vdc/12Vdc 供电。 3.4ICT 设备对交直流混合供电支持情况 从图2 和图3 可见, ICT 设备内部基础工作电压均为12V 直流, 无论外部输入是交流还是直流, 最后都需要转换成12V 直流供电。因此, 对于双电源模块, 市电直供可采用图4 方案; 对于单电源模块, 市电直供可采用图5 方案。
直流并联无频率相位等问题, 技术简单、可靠; 另外, 交流PSU 和336V 直流PSU 在DC/ DC 环节都具备电气隔离, 12V 直流输出侧并联无安全风险。 5.1市电直供技术方案一 ICT 设备的一路采用336Vdc 供电, 另一路采用~220V 供电, 可按图6 的技术方案实现市电直供。 图6 336Vdc 供电服务器市电直供技术方案示意 方案一的技术特点: (1) 对于单PSU 供电的ICT 设备, 应采用336Vdc 电源供电或采用图5 的方案。 (2) 市电侧可以提高供电效率至98%, 直流回路供电效率可以达到94%。 (3) 通过对两个PSU 的管理, 可以实现市电直供回路100% 供电, 336V 直流供电回路备份使用。 方案一的优缺点: 优点: 可以实现完整的双回路供电, 可靠性高, 运行效率高。 缺点: 单回路供电设备不能采用市电直供(或定制服务器); 该技术方案的实施和市电供电比例的调整功能依赖于ICT 设备厂家PSU 的技术改造进度。 5.2市电直供技术方案二 ICT 设备采用12Vdc 供电, 可按图7 技术方案实现市电直供。 方案二的技术特点如下: (1) 每个ICT 设备机架配置一套嵌入式电源, 每套嵌入式电源配置N 个336Vdc/12Vdc 直流直流变换模块(以下简称直流模块), 配置N 个220Vac/12Vdc 整流模块(以下简称交流模块), 直流模块和交流模块互补备用; 直流模块和交流模块不配置冗余模块。 (2) 直流模块和交流模块在12V 直流输出侧并联, 服务器采用12Vdc 电源供电。 (3) 市电侧可以提高供电效率至98%, 直流回路供电效率可以达到94%。 (4) 监控模块可以设置直流模块和交流模块的输出功率比例, 最高可设置为0%Vs 100%。 方案二的优缺点: 优点: 全部ICT 设备可实现市电直供; 可提升PSU 效率且可降低PSU 采购成本。 图7 12Vdc 供电服务器市电直供技术方案示意 缺点: 机柜内须设置12Vdc 配电母线。 6.1方案一测试情况 艾默生服务器嵌入式电源, 3kW 交流模块(AC PSU) 3 个, 3kW 直流模块(DC PSU) 3 个, 12V 直流输出侧并联。艾默生服务器嵌入式电源可以实现交流和直流带载比例的任意调整, 在实际使用时, 可以满足市电直供的使用要求。 华为服务器嵌入式电源, 3kW 交流模块(AC PSU) 3 个, 3kW 直流模块(DC PSU)3 个, 12V 直流输出侧并联。华为电源不能实现交流和直流带载比例的任意调整, 在实际使用时, 交流输入和直流输入各承担50%负载。 以上电源的技术指标和参数经过测试完全满足现行技术标准要求, 表3 是针对服务器供电要求的测试。 表3 方案一测试结果
6.2方案二测试情况 对艾默生和华为提供的双路PSU 进行了测试, 一路采用336Vdc 供电, 一路采用~220V 电源供电, 带载率分别在100% Vs 0%、70% Vs 30%、50% Vs 50%、30% Vs70%、0% Vs 100%等情况下进行供电回路的中断、恢复测试, 解释结果显示电源最大的突变值为130mV, 完全可以满足ICT 设备的使用要求。 6.3测试结论 从测试结果来看, 市电直供可以满足服务器的供电要求。 市电直供最高能效运行方式受多种因素和条件影响, 分析见表4。 表4 市电直供运行效率影响因子分析
根据实际测试和理论计算结果可知, 并不一定是市电承担100% 负载率时的综合能效最高, 总能效受制于表3 中的各项因子。如采用计算软件, 将以上因子全部考虑后, 可以计算出系统的最佳运行效率点。建议今后336V 直流/ 市电混供系统具备能效分析和自动匹配运行的能力, 系统根据ICT 设备的负荷、电源系统效率、PSU 效率和电能传输效率推算出最佳运行效率点, 主动调整系统的运行状态。 参考文献: [1] 中国IDC 圈 2013 ~2014 年度中国IDC 产业发展研究报告 [2] 艾默生服务器电源、嵌入式电源测试报告 [3] 华为服务器电源、嵌入式电源测试报告 [4] ETSI EN 300 132 -3 -1 V2.1.1.Environmental Engineering (EE); Power supply interface at the input to telecommunications and datacom (ICT) equipment; Part 3: Operated by rectified current source, alternating current source or direct current source up to 400 V; Sub-part 1: Direct current source up to 400 V (2012 -02) [5] 中国移动企业标准.336V 直流电源系统 |
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