互聯(lián)互通三元橋國門機房，真正的雙路供電機房

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設備電源模塊兩部分效率共同構成,包含高壓直流電源的空載功耗,配電損耗,IT設備電源模塊效率與電源模塊負載率等多種因素,在不同的工作模式及電源模塊負載率情況下,整個供電系統(tǒng)的工作效率與雙路供電的負載分配比例相關。在電源模塊空載效率低于1.5%情況下,建議采用市電負擔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)為服務器設備供電,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,為雙電源服務器提供兩路獨立供電電源。正常情況下服務器內的兩個電源按均分負載模式工作,各自負擔服務器的50%工作負荷。目前數(shù)據(jù)中心計算能效指標例如PUE等時,基本沒有考慮服務器設備自身的電源轉換損耗,因此服務器電源的節(jié)能工作一直沒有提到數(shù)據(jù)中心節(jié)能管理的目標體系里。

隨著數(shù)據(jù)中心技術的大規(guī)模建設,數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的主要發(fā)展目標是在降低電源系統(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)中心安裝的服務器設備中使用兩個或兩個以上的電源模塊同時為服務器負載供電,負載的總負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、負載總線和共享總線的“三總線”的電路結構。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為受控電流調節(jié)器/隔離器。具體供電結構如圖1所示。

系統(tǒng)正常工作時,控制模塊通過調整電流調節(jié)器/隔離器的導通程度,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)從性質上可以歸結為雙電源系統(tǒng)。服務器采用雙電源設計是為了提高服務器本身供電的可靠性。如果雙電源服務器的每一路電源都能夠通過獨立的供電路由從獨立供電電源取電,就能夠獲得最高的可靠性。在這個供電系統(tǒng)架構中,關鍵點是供電路由獨立和供電電源獨立。而傳統(tǒng)意義上的保障電源系統(tǒng)架構,也就是UPS系統(tǒng)(單機/串聯(lián)熱備份/N+1直接并機)都不能做到供電電源相互獨立,與之相配套的供電路由也相應的無法獨立,也就是說每個環(huán)節(jié)都存在著明顯的單點故障。所以,2N/2(N+1)的供電結構正是基于服務器冗余電源結構而興起的供電解決方案,TIA-942因此將2N/2(N+1)的供電結構歸入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器供電的方案開始成為技術發(fā)展的熱點。此方案最早起源于后備式UPS設備,后備式UPS在市電正常時采用市電直接為負載供電,可以省去了UPS變換環(huán)節(jié)的損耗,當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換損耗直接為負載供電的特性,又在保障電源側由電池組直接為負載提供斷電保障,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擔服務器設備的50%負荷,如任一路電源故障,則另一路電源負擔100%負荷;

②工作模式二(主備模式)：正常狀態(tài)下市電負擔服務器設備的100%負荷，保障電源處于熱備狀態(tài)，當市電發(fā)生故障時，則保障電源負擔100%負荷。

依據(jù)系統(tǒng)架構,新的雙路供電系統(tǒng)可分為兩種系統(tǒng)結構:

①結構一:供電端為一路市電+一路UPS系統(tǒng);

②結構二: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)服務器。

具體系統(tǒng)結構與技術演進見圖2。

 3 雙路供電系統(tǒng)效率分析

對于數(shù)據(jù)中心基礎設施,輸入的是電能,有效輸出是計算設備所消耗的電能。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”是它用于計算的那部分電能,這可以用提供給IT設備的電能來表示。目前數(shù)據(jù)中心服務器設備大多采用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)相關的有兩個方向:

①提高電源設備(UPS類設備)轉換效率,減少其工作時的能耗;

②提高IT設備電源側的工作效率,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)架構參見圖3。每一路UPS系統(tǒng)均為并聯(lián)冗余系統(tǒng),在實際應用中,UPS并機系統(tǒng)并機的臺數(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在平時的單機負載率保持較低的水平,如對于一套UPS(1+1)系統(tǒng)單機負荷載最大為50%,(2+1)UPS系統(tǒng)單機負載率最大為66%,如果再考慮到負載的可能突變,系統(tǒng)就必須要保持一定的余度,按系統(tǒng)80%的容量計算,實際上每臺UPS的單機負載率最大為40%(1+1系統(tǒng))～55%(2+1系統(tǒng))。參見圖4典型UPS負載效率曲線,UPS單機設備的最佳運行效率多數(shù)在90%～94%左右,此時UPS設備負載率為40%～70%之間。供電系統(tǒng)實際運行中,考慮到設備雙路電源均分負荷運行方式,單機負載率區(qū)間為20%～40%,UPS設備運行效率多在80%～90%間。

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設備供電,可有效降低UPS設備的工作損耗。

①工作模式一(均分模式)情況下,市電供電回路側的電源轉換損耗將降低至最低,而高壓直流電源側的工作效率比同負載率的UPS設備高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,市電供電回路側的電源轉換損耗將降低至最低,配電線路損耗略有提高,而高壓直流電源側將處于空載運行狀態(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,工作效率計算公式為

(2)

針對IT設備電源側,忽略交流或直流配電線路上的損耗,IT設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設備雙路電源模塊總的效率計算公式為

(3)

式中,X—第一路電源模塊的負荷比例;

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,當采用市電主用高壓直流熱備的工作模式時,可簡單認為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載比例),公式(3)中沒有體現(xiàn)電源模塊空載狀態(tài)的內部損耗,如IT設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設備電源模塊效率的關鍵因素包括η1,η2效率曲線及電源模塊的損耗。電源模塊的效率與負載率關聯(lián)曲線參見圖5,負載率在50%時,效率達到最高點,因此如不考慮電源模塊的空載損耗,同時IT設備工作在電源模塊滿負荷情況下,則IT設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%負荷時，整體工作效率最高。

服務器電源模塊存在三種工作工況:

①銘牌功率:指的是服務器電源銘牌功率;

②最大工況:指的是服務器系統(tǒng)工作在最大用電負荷時耗電功率;

③典型工況:CPU工作在100%利用率時耗電功率。

從圖5中可以注意到服務器最大工況是銘牌額定值的80%,這是因為服務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%。事實上服務器正常工作時的功耗小于典型工況。參見圖5,以電源模塊負載率50%為對稱軸,負載率高于50%時,效率值略有下降,但高于對稱負載率低于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載損耗,根據(jù)實際測試數(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設備雙路電源模塊選在主備模式時(主用模塊負擔100%,熱備模塊負擔0%),整體工作效率處于最佳狀態(tài)。

4 市電直供影響及對應措施

市電直接給服務器供電的方式由于浪涌保護、諧波*、短路保護和交直流布線的復雜性增加,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)的雷電過電壓保護應使用分級保護,逐級限壓的保護措施。鑒于數(shù)據(jù)設備重要性,市電直供條件下應增加雷電過電壓精細保護,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)之間也應具備相應的等電位措施。

市電直供系統(tǒng)各級防雷器及設備抗力配置應滿足如下技術要求:

①變壓器低壓側或者總低壓配電柜應配置最大通流容量不小于60kA的防雷器;

②數(shù)據(jù)機房市電入口處(或總配電柜)應配置最大通流容量不小于60kA的防雷器;

③在分配電柜應配置最大通流容量不小于40kA的防雷器;

④數(shù)據(jù)設備等終端用電設備交流電源端口應具備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致的設備間電位差問題。當IT設備分布在不同樓層或分布范圍很大時,應在電源設備輸出端和負載端(一般是列頭柜內)安裝最大通流容量不小于15kA的防雷器。

5 結束語

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設備電源模塊兩部分因素,可以推出市電負擔100%負載+高壓直流熱備時整個供電系統(tǒng)(含IT設備電源模塊)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)中心領域前，亟須解決一些技術問題，例如研發(fā)支持服務器電源主備工作模式的系列電源產(chǎn)品，這些問題都需要運營商技術部門與設備廠家攜手解決。只有具備可靠、成熟的技術解決方案,市電直供混合供電系統(tǒng)才可能在數(shù)據(jù)中心領域大規(guī)模應用。

上一信息：互聯(lián)互通IDC/ISP經(jīng)營許可證

下一信息：暫無