文章介紹了數(shù)據(jù)中心市電主用+高壓直流熱備供電方案的產(chǎn)生的背景,分析了該混合供電系統(tǒng)的效率模型,說明了交直流混供方案中系統(tǒng)效率是由市電+高壓直流供電系統(tǒng)和IT設(shè)備電源模塊兩部分效率共同構(gòu)成,包含高壓直流電源的空載功耗,配電損耗,IT設(shè)備電源模塊效率與電源模塊負(fù)載率等多種因素,在不同的工作模式及電源模塊負(fù)載率情況下,整個供電系統(tǒng)的工作效率與雙路供電的負(fù)載分配比例相關(guān)。在電源模塊空載效率低于1.5%情況下,建議采用市電負(fù)擔(dān)100%,高壓直流熱備的工作模式,在此模式下整個供電系統(tǒng)處于最佳工作效率。
現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心主要通過UPS系統(tǒng)為服務(wù)器設(shè)備供電,為保證系統(tǒng)的可靠性,通常采用了2N甚至2(N+1)的UPS雙總線系統(tǒng)架構(gòu),為雙電源服務(wù)器提供兩路獨(dú)立供電電源。正常情況下服務(wù)器內(nèi)的兩個電源按均分負(fù)載模式工作,各自負(fù)擔(dān)服務(wù)器的50%工作負(fù)荷。目前數(shù)據(jù)中心計(jì)算能效指標(biāo)例如PUE等時,基本沒有考慮服務(wù)器設(shè)備自身的電源轉(zhuǎn)換損耗,因此服務(wù)器電源的節(jié)能工作一直沒有提到數(shù)據(jù)中心節(jié)能管理的目標(biāo)體系里。
隨著數(shù)據(jù)中心技術(shù)的大規(guī)模建設(shè),數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的主要發(fā)展目標(biāo)是在降低電源系統(tǒng)投資成本的同時,提高電源供電效率,減少后期運(yùn)營成本。
1數(shù)據(jù)中心供電現(xiàn)狀分析
數(shù)據(jù)中心安裝的服務(wù)器設(shè)備中使用兩個或兩個以上的電源模塊同時為服務(wù)器負(fù)載供電,負(fù)載的總負(fù)荷不大于其中一半電源模塊的額定容量,一般把這種電源系統(tǒng)成為冗余電源系統(tǒng)。冗余電源系統(tǒng)多采用輸入總線、負(fù)載總線和共享總線的“三總線”的電路結(jié)構(gòu)。電源1、電源2…電源n為熱插拔電源模塊,它們以并聯(lián)方式相連接,C1、C2…Cn為各電源模塊的控制模塊,S1、S2…Sn為受控電流調(diào)節(jié)器/隔離器。具體供電結(jié)構(gòu)如圖1所示。
數(shù)據(jù)中心雙路供電最佳效率模型分析
系統(tǒng)正常工作時,控制模塊通過調(diào)整電流調(diào)節(jié)器/隔離器的導(dǎo)通程度,使系統(tǒng)均衡地使用每個電源模塊,既每個電源模塊向系統(tǒng)提供相同的電流,這種工作模式稱為“電流共享”;或者控制受控電流調(diào)節(jié)器/隔離器使得某一組電源工作,另一組電源處于熱備份。冗余電源系統(tǒng)中的每個供電模塊均可以熱插拔,一旦某個供電模塊損壞,就能在不停電情況下完成維修工作,而絲毫不影響系統(tǒng)的正常工作。
冗余電源系統(tǒng)從性質(zhì)上可以歸結(jié)為雙電源系統(tǒng)。服務(wù)器采用雙電源設(shè)計(jì)是為了提高服務(wù)器本身供電的可靠性。如果雙電源服務(wù)器的每一路電源都能夠通過獨(dú)立的供電路由從獨(dú)立供電電源取電,就能夠獲得最高的可靠性。在這個供電系統(tǒng)架構(gòu)中,關(guān)鍵點(diǎn)是供電路由獨(dú)立和供電電源獨(dú)立。而傳統(tǒng)意義上的保障電源系統(tǒng)架構(gòu),也就是UPS系統(tǒng)(單機(jī)/串聯(lián)熱備份/N+1直接并機(jī))都不能做到供電電源相互獨(dú)立,與之相配套的供電路由也相應(yīng)的無法獨(dú)立,也就是說每個環(huán)節(jié)都存在著明顯的單點(diǎn)故障。所以,2N/2(N+1)的供電結(jié)構(gòu)正是基于服務(wù)器冗余電源結(jié)構(gòu)而興起的供電解決方案,TIA-942因此將2N/2(N+1)的供電結(jié)構(gòu)歸入Tir4(最高可靠度供電等級)。
2數(shù)據(jù)中心雙路供電模式
隨著市電供電可用度的提高,采用一路市電、一路保障電源為服務(wù)器供電的方案開始成為技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。此方案最早起源于后備式UPS設(shè)備,后備式UPS在市電正常時采用市電直接為負(fù)載供電,可以省去了UPS變換環(huán)節(jié)的損耗,當(dāng)市電停電或異常時則切換到UPS電池逆變回路保障供電。
現(xiàn)在隨著高壓直流供電系統(tǒng)的發(fā)展,一路市電+一路高壓直流保障電源的供電方案逐漸興起,該供電方案既利用了市電無轉(zhuǎn)換損耗直接為負(fù)載供電的特性,又在保障電源側(cè)由電池組直接為負(fù)載提供斷電保障,系統(tǒng)可用度比后備式UPS系統(tǒng)提高很多,互聯(lián)網(wǎng)公司已經(jīng)在自用數(shù)據(jù)中心中小批量使用。
依據(jù)市電和保障電源的不同工作模式,新的雙路供電系統(tǒng)可分為兩種工作模式:
①工作模式一(均分模式):正常狀態(tài)下市電電源與保障電源各負(fù)擔(dān)服務(wù)器設(shè)備的50%負(fù)荷,如任一路電源故障,則另一路電源負(fù)擔(dān)100%負(fù)荷;
②工作模式二(主備模式)：正常狀態(tài)下市電負(fù)擔(dān)服務(wù)器設(shè)備的100%負(fù)荷，保障電源處于熱備狀態(tài)，當(dāng)市電發(fā)生故障時，則保障電源負(fù)擔(dān)100%負(fù)荷。
依據(jù)系統(tǒng)架構(gòu),新的雙路供電系統(tǒng)可分為兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu):
①結(jié)構(gòu)一:供電端為一路市電+一路UPS系統(tǒng);
②結(jié)構(gòu)二:供電端為一路市電+一路高壓直流系統(tǒng)系統(tǒng),受電端為雙電源(一路直流型、一路交流型)服務(wù)器。
具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)演進(jìn)見圖2。
數(shù)據(jù)中心雙路供電最佳效率模型分析
3雙路供電系統(tǒng)效率分析
對于數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施,輸入的是電能,有效輸出是計(jì)算設(shè)備所消耗的電能。數(shù)據(jù)中心的模型
為一個電力系統(tǒng),其“總輸入”是其從市電消耗的電能,其“有效輸出”是它用于計(jì)算的那部分電能,這可以用提供給IT設(shè)備的電能來表示。目前數(shù)據(jù)中心服務(wù)器設(shè)備大多采用2N/2(N+1)UPS系統(tǒng)供電,市電經(jīng)變壓器降壓后,經(jīng)市油轉(zhuǎn)換、低壓配電、諧波治理后,由UPS提供不間斷電源,再由PDU分配給IT設(shè)備,每個環(huán)節(jié)都將造成電能的損耗,其中最大的損耗發(fā)生在UPS環(huán)節(jié)和IT設(shè)備的電源模塊部分。
(1)
依據(jù)式(1),提高數(shù)據(jù)中心效率的方法與供電系統(tǒng)相關(guān)的有兩個方向:
①提高電源設(shè)備(UPS類設(shè)備)轉(zhuǎn)換效率,減少其工作時的能耗;
②提高IT設(shè)備電源側(cè)的工作效率,減少其工作時的能耗。
針對電源變換環(huán)節(jié),傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心采用UPS雙總線供電系統(tǒng),系統(tǒng)架構(gòu)參見圖3。每一路UPS系統(tǒng)均為并聯(lián)冗余系統(tǒng),在實(shí)際應(yīng)用中,UPS并機(jī)系統(tǒng)并機(jī)的臺數(shù)都不會太多,一般1+1并聯(lián)或者2+1并聯(lián)情況居多。并聯(lián)冗余系統(tǒng)中,在一臺UPS設(shè)備出現(xiàn)故障時系統(tǒng)依然能夠供電,這就要使得每臺UPS在平時的單機(jī)負(fù)載率保持較低的水平,如對于一套UPS(1+1)系統(tǒng)單機(jī)負(fù)荷載最大為50%,(2+1)UPS系統(tǒng)單機(jī)負(fù)載率最大為66%,如果再考慮到負(fù)載的可能突變,系統(tǒng)就必須要保持一定的余度,按系統(tǒng)80%的容量計(jì)算,實(shí)際上每臺UPS的單機(jī)負(fù)載率最大為40%(1+1系統(tǒng))～55%(2+1系統(tǒng))。參見圖4典型UPS負(fù)載效率曲線,UPS單機(jī)設(shè)備的最佳運(yùn)行效率多數(shù)在90%～94%左右,此時UPS設(shè)備負(fù)載率為40%～70%之間。供電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中,考慮到設(shè)備雙路電源均分負(fù)荷運(yùn)行方式,單機(jī)負(fù)載率區(qū)間為20%～40%,UPS設(shè)備運(yùn)行效率多在80%～90%間。
數(shù)據(jù)中心雙路供電最佳效率模型分析
數(shù)據(jù)中心雙路供電最佳效率模型分析
如采用新的雙路供電模式,既采用一路市電、一路高壓直流電源為IT設(shè)備供電,可有效降低UPS設(shè)備的工作損耗。
①工作模式一(均分模式)情況下,市電供電回路側(cè)的電源轉(zhuǎn)換損耗將降低至最低,而高壓直流電源側(cè)的工作效率比同負(fù)載率的UPS設(shè)備高1%～2%左右,因此新的雙路供電系統(tǒng)的工作效率比UPS雙總線系統(tǒng)高3%～8%;
②工作模式二(主備模式)情況下,市電供電回路側(cè)的電源轉(zhuǎn)換損耗將降低至最低,配電線路損耗略有提高,而高壓直流電源側(cè)將處于空載運(yùn)行狀態(tài),綜合考慮新的雙路供電系統(tǒng)的工作效率比UPS雙總線系統(tǒng)高8%～12%,此時高壓直流電源設(shè)備的空載損耗將對整個系統(tǒng)的效率產(chǎn)生明顯的影響,高壓直流電源設(shè)備的空載損耗越低整個系統(tǒng)的工作效率越高,工作效率計(jì)算公式為
(2)
針對IT設(shè)備電源側(cè),忽略交流或直流配電線路上的損耗,IT設(shè)備雙路電源的整體供電效率依賴于兩路電源模塊不同工作模式及輸入電源的制式。IT設(shè)備雙路電源模塊總的效率計(jì)算公式為
(3)
式中,X—第一路電源模塊的負(fù)荷比例;
η1—第一路電源模塊的供電效率;
η2—第二路電源模塊的供電效率。
由式(3)可看出,η是由可變的帶載百分比X,以及由于X的變化導(dǎo)致的η1和η2的變化共同決定的,而η1和η2又由兩路供電線路的電源系統(tǒng)效率特性曲線所影響,當(dāng)采用市電主用高壓直流熱備的工作模式時,可簡單認(rèn)為X=1。所以要獲得η的最大,需要合理選取X(第一路電源模塊的負(fù)載比例),公式(3)中沒有體現(xiàn)電源模塊空載狀態(tài)的內(nèi)部損耗,如IT設(shè)備的電源模塊空載損耗過大,則會降低整個系統(tǒng)的輸出效率。因此不能簡單認(rèn)為100%由市電供電,即X=1就可獲得最大效率輸出。
依據(jù)式(3),影響IT設(shè)備電源模塊效率的關(guān)鍵因素包括η1,η2效率曲線及電源模塊的損耗。電源模塊的效率與負(fù)載率關(guān)聯(lián)曲線參見圖5,負(fù)載率在50%時,效率達(dá)到最高點(diǎn),因此如不考慮電源模塊的空載損耗,同時IT設(shè)備工作在電源模塊滿負(fù)荷情況下,則IT設(shè)備雙路電源模塊選擇均分工作模式時，也即每個模塊輸出50%負(fù)荷時，整體工作效率最高。
服務(wù)器電源模塊存在三種工作工況:
①銘牌功率:指的是服務(wù)器電源銘牌功率;
②最大工況:指的是服務(wù)器系統(tǒng)工作在最大用電負(fù)荷時耗電功率;
③典型工況:CPU工作在100%利用率時耗電功率。
從圖5中可以注意到服務(wù)器最大工況是銘牌額定值的80%,這是因?yàn)榉?wù)器廠家在選擇電源模塊時考慮20%的功率富余。而典型工況大概是銘牌額定值的67%。事實(shí)上服務(wù)器正常工作時的功耗小于典型工況。參見圖5,以電源模塊負(fù)載率50%為對稱軸,負(fù)載率高于50%時,效率值略有下降,但高于對稱負(fù)載率低于50%處。假定電源模塊損耗可分為固定的空載損耗和可變的負(fù)載損耗,根據(jù)實(shí)際測試數(shù)據(jù),空載損耗可控制不高于銘牌額定值的1.5%左右。基于以上三個因素,IT設(shè)備雙路電源模塊選在主備模式時(主用模塊負(fù)擔(dān)100%,熱備模塊負(fù)擔(dān)0%),整體工作效率處于最佳狀態(tài)。
4市電直供影響及對應(yīng)措施
市電直接給服務(wù)器供電的方式由于浪涌保護(hù)、諧波*、短路保護(hù)和交直流布線的復(fù)雜性增加,會給供電系統(tǒng)可靠性帶來不利的影響。因此市電直供電源系統(tǒng)的雷電過電壓保護(hù)應(yīng)使用分級保護(hù),逐級限壓的保護(hù)措施。鑒于數(shù)據(jù)設(shè)備重要性,市電直供條件下應(yīng)增加雷電過電壓精細(xì)保護(hù),做好絕緣配合。另外,市電直供系統(tǒng)與其他備用UPS(交、高壓直流)系統(tǒng)之間也應(yīng)具備相應(yīng)的等電位措施。
市電直供系統(tǒng)各級防雷器及設(shè)備抗力配置應(yīng)滿足如下技術(shù)要求:
①變壓器低壓側(cè)或者總低壓配電柜應(yīng)配置最大通流容量不小于60kA的防雷器;
②數(shù)據(jù)機(jī)房市電入口處(或總配電柜)應(yīng)配置最大通流容量不小于60kA的防雷器;
③在分配電柜應(yīng)配置最大通流容量不小于40kA的防雷器;
④數(shù)據(jù)設(shè)備等終端用電設(shè)備交流電源端口應(yīng)具備2.5kV(1.2/50μs、8/20μs組合波)的抗力水平,其包括市電供電端口和備用UPS電源端口的差模、共模以及市電和UPS電源端口之間的抗力水平。
⑤備用UPS(交、直流)供電系統(tǒng)由于具有整流和(或)逆變裝置,其具有很好的浪涌隔離作用,同時電池也具備一定的浪涌衰減作用,因此主要考慮由于等電位不均衡所導(dǎo)致的設(shè)備間電位差問題。當(dāng)IT設(shè)備分布在不同樓層或分布范圍很大時,應(yīng)在電源設(shè)備輸出端和負(fù)載端(一般是列頭柜內(nèi))安裝最大通流容量不小于15kA的防雷器。
5結(jié)束語
通過本文的分析,可以看到在市電和高壓直流混合供電的系統(tǒng)中,在電源模塊空載損耗較小的情況下,綜合考慮電源變換環(huán)節(jié)和IT設(shè)備電源模塊兩部分因素,可以推出市電負(fù)擔(dān)100%負(fù)載+高壓直流熱備時整個供電系統(tǒng)(含IT設(shè)備電源模塊)處于最佳工作效率。
但市電直供+高壓直流熱備供電系統(tǒng)引入數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域前，亟須解決一些技術(shù)問題，例如研發(fā)支持服務(wù)器電源主備工作模式的系列電源產(chǎn)品，這些問題都需要運(yùn)營商技術(shù)部門與設(shè)備廠家攜手解決。只有具備可靠、成熟的技術(shù)解決方案,市電直供混合供電系統(tǒng)才可能在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。
天下數(shù)據(jù)是國內(nèi)屈指可數(shù)的擁有多處海外自建機(jī)房的新型IDC服務(wù)商，被業(yè)界公認(rèn)為“中國IDC行業(yè)首選品牌”。天下數(shù)據(jù)與全球近120多個國家頂級機(jī)房直接合作，除提供傳統(tǒng)的IDC產(chǎn)品外，天下數(shù)據(jù)的主要職責(zé)是為大中型企業(yè)提供更精細(xì)、安全、滿足個性需求的定制化大數(shù)據(jù)解決方案，特別是在直銷、金融、視頻、流媒體、游戲、電子商務(wù)、區(qū)塊鏈、快消等諸多行業(yè)，為廣大客戶解決海外服務(wù)器租用中遇到的各種問題。
