隨著云計(jì)算和OTT的技術(shù)發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)的需求呈現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)，這極大地促進(jìn)了云數(shù)據(jù)中心的市場(chǎng)需求，近年來國(guó)內(nèi)外幾乎同步興起了建設(shè)云數(shù)據(jù)中心的熱潮。大規(guī)模的建設(shè)也引發(fā)了業(yè)界對(duì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)的重新思考，作為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分的供電架構(gòu)自然也不例外。

基于對(duì)投資規(guī)劃、高效低碳、安全可用、快速部署、按需擴(kuò)展等因素的不同解讀和引入互聯(lián)網(wǎng)思維的創(chuàng)新激情,產(chǎn)生了各種各樣的數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)。從傳統(tǒng)UPS到HVDC,從240VHVDC到336VHVDC,從集中式電源到分布式電源,從微軟的LES架、Facebook的OCP架構(gòu)到中國(guó)的天蝎機(jī)柜供電架構(gòu),從電源供電到市電直供等等,這讓沉肅了幾十年的電源行業(yè)出現(xiàn)了空前的“繁榮”,那些打著“高安全、高節(jié)能、易規(guī)劃、易部署、易擴(kuò)容”旗號(hào)的新方案、新架構(gòu)多得有點(diǎn)讓人眼花繚亂、應(yīng)接不暇。但是,無論供電架構(gòu)怎樣千變?nèi)f化,供電架構(gòu)用來為服務(wù)器提供“供電、備電”服務(wù)的核心思想始終不變?！肮╇姟币馕吨霸趺窗淹獠渴须娮钣行У貍鬟f到服務(wù)器”,“備電”意味著“在外部市電中斷時(shí)怎么接入第二路市電和蓄電池等廣義的備電系統(tǒng)”。為此,本文希望通過對(duì)這兩個(gè)概念的重新解讀，從構(gòu)成的邏輯上來梳理數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)變化的脈絡(luò)。本文不討論供電架構(gòu)的技術(shù)細(xì)節(jié)，后續(xù)圖中的示意也僅表示數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)的邏輯關(guān)系，并不是配電結(jié)構(gòu)的實(shí)際反映。

　　1 基于“供電”的數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)的變化模式

數(shù)據(jù)中心“供電”的概念就是把外部市電以最安全、最有效地途徑傳遞到數(shù)據(jù)中心內(nèi)部最底層的IT設(shè)備,從目前供電架構(gòu)的發(fā)展看,這些IT設(shè)備可能是服務(wù)器,也可能僅僅是服務(wù)器去除電源部件PSU后的“板卡/芯片”部件。所以,所謂的數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)模式,實(shí)際上無非是怎樣把電能送到這些“板卡/芯片”的途徑,從邏輯上看,可能的途徑無非是從集中到分散或從分散到集中的不同程度而已。

(1)數(shù)據(jù)中心電源集中供電模式

數(shù)據(jù)中心電源集中供電模式如圖1所示,采用集中的電源室將變配電室送來的外部市電經(jīng)變換后送到數(shù)據(jù)機(jī)房,在數(shù)據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)經(jīng)列頭柜將電能分配到每一個(gè)機(jī)柜,由機(jī)柜內(nèi)的PDU將電能再分送到每一臺(tái)服務(wù)器。就目前的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用來看,這一模式是行業(yè)的主流,占比至少超過95%。其主要的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力設(shè)備與數(shù)據(jù)設(shè)備的物理隔離,實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)、弱電專業(yè)管理的自然分區(qū),安全性高。缺點(diǎn)是需要單獨(dú)設(shè)立動(dòng)力室,并需要專業(yè)人員來負(fù)責(zé)維護(hù)。

(2)數(shù)據(jù)中心微模塊的分區(qū)供電模式

微模塊也是近年來數(shù)據(jù)中心行業(yè)的熱點(diǎn),該模式如圖2所示,將變配電室送來的外部市電直接分區(qū)送到每一個(gè)微模塊機(jī)房的輸入配電模塊,由微模塊內(nèi)的機(jī)柜式電源設(shè)備將變換后的電能送到輸出配電模塊,經(jīng)分配后送到每一機(jī)柜的PDU,由機(jī)柜內(nèi)的PDU將電能分送到每一臺(tái)服務(wù)器。該方案的供電架構(gòu)特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了從大電源設(shè)備到分區(qū)小電源設(shè)備的轉(zhuǎn)變,對(duì)于1000個(gè)機(jī)柜的數(shù)據(jù)中心來說,大約需要50～100套這樣的電源系統(tǒng),節(jié)省的動(dòng)力室空間,被拆分到每一個(gè)微模塊里。其主要優(yōu)點(diǎn)是可以工廠定制化,把不可控的工程時(shí)間轉(zhuǎn)換為工廠化生產(chǎn)的可控時(shí)間。主要缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)設(shè)備與動(dòng)力設(shè)備,包括電池等化學(xué)能設(shè)備混裝在一個(gè)封閉的物理空間,如果動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)生炸機(jī)起火事故,可能危及數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

(3)數(shù)據(jù)中心的機(jī)柜級(jí)分布式供電模式

數(shù)據(jù)中心的機(jī)柜級(jí)分布式供電模式如圖3所示,該模式直接將變換電源置于每個(gè)服務(wù)器機(jī)柜的底部,一般視電源大小和后備時(shí)間長(zhǎng)短(一般10kVA/10min內(nèi)),約占4～6U左右的機(jī)柜空間。來自變配電室的電能直接送到列頭柜進(jìn)行二次配電,二次配電后的電能經(jīng)機(jī)柜內(nèi)的機(jī)架式電源、PDU或匯流銅排向服務(wù)器供電。該模式既是最古老的供電方案又是最新的應(yīng)用方式,上世紀(jì)90年代,因?yàn)榇蠊β蔝PS電源設(shè)備價(jià)格奇高,很多數(shù)據(jù)機(jī)房都不得不采用這種方式,但是近年這一模式又被賦予新的技術(shù)內(nèi)涵,比如電源模塊可以采用機(jī)架式HVDC代替機(jī)架式UPS、采用鋰電池模塊代替鉛酸電池、采用市電+電源的雙路供電等。與微模塊供電架構(gòu)相比,這一方案的電源分散性更大,對(duì)于1000個(gè)機(jī)柜的數(shù)據(jù)中心來說,就需要配置1000套這樣的電源,后續(xù)運(yùn)行時(shí)的日常電源管理是很大的問題,盡管故障時(shí)可以熱插拔,但是電源系統(tǒng)偶發(fā)的短路起火、電池漏液等將是很大的安全威脅。當(dāng)然,該方案也有可快速部署、沒有承重問題等優(yōu)勢(shì)。

(4)數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器級(jí)直接供電模式

從上面三種供電模式的推演,我們完全有理由相信,肯定還有最后一種供電模式,那就是由外部市電直接向服務(wù)器供電的供電架構(gòu)模式,目前該模式只有微軟、Google試驗(yàn)過,如圖4所示。如果鋰電池在服務(wù)器等高熱環(huán)境下的安全性、工作壽命、容積比及低壓工作下的自身損耗都能得到充分的保證,這無疑是供電架構(gòu)的終極目標(biāo),不僅實(shí)現(xiàn)了外部電能向服務(wù)器最有效地直接供電,也實(shí)現(xiàn)了最短路徑的備電。所以將來數(shù)據(jù)中心的供電是否能象筆記本電腦那樣的直接,完全取決于未來電池技術(shù)的發(fā)展,最近報(bào)道的石墨烯電池的技術(shù)進(jìn)展給這一應(yīng)用創(chuàng)造了希望,但目前這一技術(shù)也還僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

2  基于“備電”的數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)的變化模式

“備電”的概念就是儲(chǔ)能設(shè)備怎樣接入“供電”系統(tǒng),來保證外部市電中斷時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)負(fù)載的繼續(xù)供電。關(guān)鍵的指標(biāo)是切換時(shí)間必須小于數(shù)據(jù)負(fù)載能承受的間斷時(shí)間。對(duì)于云數(shù)據(jù)中心來說,“備電”有兩層意義,第一層是外部市電中斷,怎樣接入儲(chǔ)能等“備電”設(shè)備;第二層是在一路供電系統(tǒng)完全中斷,怎樣接入“熱備、冷備或均載”的第二路供電系統(tǒng)。

圖5展示了數(shù)據(jù)中心的基本供電環(huán)節(jié),我們可以設(shè)想將傳統(tǒng)UPS的儲(chǔ)能設(shè)備接入點(diǎn)以圖5中的1-2-3-4順序一步一步后移,即從電源設(shè)備內(nèi)部、電源設(shè)備輸出端、機(jī)柜內(nèi)部移到服務(wù)器內(nèi)部,這不僅產(chǎn)生了全新的電源設(shè)備,還涵蓋了當(dāng)前提出過的所有供電模式。

(1)傳統(tǒng)UPS供電模式

UPS供電模式采用在AC-DC-AC的兩級(jí)變換器中間點(diǎn)接入儲(chǔ)能設(shè)備,如圖6所示。目前,傳統(tǒng)UPS還是數(shù)據(jù)中心內(nèi)應(yīng)用最廣泛的供電模式,UPS在數(shù)據(jù)中心最初有兩大作用,一是凈化電源,二是后備電源。但是隨著電網(wǎng)供電品質(zhì)的持續(xù)改善和服務(wù)器電源性能的不斷提高,UPS的凈化電源作用已經(jīng)完全失去意義。目前數(shù)據(jù)中心用UPS,基本上就是用它的后備電源的功能。近年來,以效率高達(dá)99%的UPS交流直供運(yùn)行模式來代替效率為95%或更低的傳統(tǒng)雙變換運(yùn)行模式正在成為國(guó)外許多大型數(shù)據(jù)中心的選擇。UPS不僅可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)、并機(jī)、2N供電,還可以實(shí)現(xiàn)如圖6所示的UPS工作在雙變換或交流直供模式下與市電直供模式組成的2N供電系統(tǒng)。

(2)HVDC電源供電模式

將儲(chǔ)能的接入點(diǎn)移到電源設(shè)備的輸出端,自然就誕生了基于直流輸出的HVDC電源供電模式。當(dāng)然,這一供電模式要求后續(xù)的負(fù)載能接受直流供電,但令人慶幸的是絕大部分的數(shù)據(jù)負(fù)載電源如服務(wù)器等,雖然是交流輸入設(shè)計(jì),但是交流輸入后還是通過半波或全波整流器把AC變換到DC來完成能量輸入的,所以240V的DC直接輸入,從能量供給的角度看,基本與交流一樣,這就是HVDC能作為數(shù)據(jù)中心電源的理論基礎(chǔ)。圖7為HVDC供電模式與市電直供模式組成的2N供電系統(tǒng)(注意:這一市電直供途徑并不是HVDC電源的“旁路”,它不會(huì)實(shí)現(xiàn)不間斷的自動(dòng)切換)。

HVDC電源與UPS一樣,都不是什么新的供電系統(tǒng)。就設(shè)備本身來說,一直就廣泛使用的電力系統(tǒng)變電站的二次電源就是“220V的HVDC電源”,最早代替UPS供電的HVDC設(shè)備基本都是這一電源的簡(jiǎn)單翻版。

但是將它大規(guī)模應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域,確實(shí)是國(guó)內(nèi)電源界的一大應(yīng)用創(chuàng)新,為后續(xù)供電模式的討論注入了新的活力。為了與通信用DC48V區(qū)別,加了“HV”來加以區(qū)分。早期的過度宣傳中,說HVDC“只有一級(jí)變換”、“高效節(jié)能”等,這純粹是誤導(dǎo)用戶,既不科學(xué)也不符合實(shí)際。就數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用來看,傳統(tǒng)UPS與HVDC應(yīng)該各有千秋,兩者的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)見表1,選用什么電源取決于用戶的維護(hù)水平與利益權(quán)衡。

(3)天蝎服務(wù)器機(jī)柜供電模式把一個(gè)機(jī)柜內(nèi)的所有服務(wù)器內(nèi)置電源模塊PSU取出,整合在一起構(gòu)成機(jī)柜級(jí)的DC12V電源輸出,同時(shí)把儲(chǔ)能后移到這一電源的輸出端,通過匯流銅排向不帶PSU的服務(wù)器集中供電,這就是發(fā)布的天蝎服務(wù)器機(jī)柜2.5的供電模式(目前的2.0是一路市電,一路HVDC向整合的12V輸出電源供電,儲(chǔ)能設(shè)備依然在HVDC的輸出端)。這樣的供電模式,就可省略原先的UPS或HVDC供電系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了市電向服務(wù)器機(jī)柜直接供電的供電模式轉(zhuǎn)變,圖8為采用兩路市電直接供電的天蝎2.5機(jī)柜的供電架構(gòu)。

單從電源供電和節(jié)能的角度看,如果前端的電源效率已經(jīng)達(dá)到了99%,采用這樣的電源架構(gòu)是否還真的有必要,是一個(gè)需要全面評(píng)估的問題。其它諸如儲(chǔ)能設(shè)備移到機(jī)柜內(nèi)的安全性問題,匯流排的低壓大電流問題,分布到機(jī)柜的海量集中式機(jī)柜電源的管理維護(hù)問題,將是后續(xù)應(yīng)用需要認(rèn)真關(guān)注的問題。

(4)FacebookOCP架構(gòu)供電模式

從DC電源的電壓等級(jí)看,48V是DC電源中應(yīng)用最廣的電壓等級(jí)之一,Facebook就采用這一電壓來構(gòu)成它的OCP電源架構(gòu)。這一架構(gòu)的本質(zhì)同樣也是將儲(chǔ)能移到臨近服務(wù)器機(jī)柜的專用電源柜內(nèi),消除了上一級(jí)的集中式電源設(shè)備,直接在機(jī)柜里設(shè)置48V充電器給儲(chǔ)能設(shè)備(鉛酸電池)充電。產(chǎn)生的DC48V作為備用電向服務(wù)器的PSU供電,而市電AC277V(美國(guó)制式的標(biāo)準(zhǔn)單相電壓,相當(dāng)于中國(guó)的220V)作為服務(wù)器電源的主供電,如圖9所示。OCP架構(gòu)需要定制服務(wù)器的PSU。據(jù)了解,這一模式僅僅作為Facebook對(duì)服務(wù)器供電架構(gòu)的一種有益探索,并沒有形成大范圍的推廣,Facebook主流的數(shù)據(jù)中心依然采用傳統(tǒng)的UPS模式供電。

(5)微軟OCS服務(wù)器的LES架構(gòu)供電模式和Google服務(wù)器

微軟的OCS服務(wù)器的LES架構(gòu)與Facebook不同,它是把儲(chǔ)能設(shè)備(采用鋰電池)再向后端移動(dòng)到服務(wù)器內(nèi)部PSU的380V直流母線上,實(shí)現(xiàn)了更短距離對(duì)服務(wù)器板卡的供電,消除了上一級(jí)的電源設(shè)備,如圖10所示。儲(chǔ)能設(shè)備及其外加的變換電路直接并接在標(biāo)準(zhǔn)PSU的直流母線上,采用Buck/Boost雙向變換電路從直流母線直接引入DC380V電壓來實(shí)現(xiàn)電池的充放電,電壓選為DC380V可以達(dá)到更高的變換與傳輸效率。但是電池的備電時(shí)間不長(zhǎng),據(jù)報(bào)道小于1min,這與國(guó)內(nèi)動(dòng)則10幾分鐘的后備時(shí)間相差巨大。

   作為互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的巨頭,Google當(dāng)然也不甘落后,也推出過自己的內(nèi)置電池服務(wù)器,不同的是這種定制化服務(wù)器的電池為12V,直接并接在PSU的輸出端,如圖11所示。正常情況由市電通過內(nèi)部PSU轉(zhuǎn)換成12V進(jìn)行供電,如果停電或主路供電遇到問題時(shí),則由電池放電給服務(wù)器供電。相比于LES架構(gòu),Google服務(wù)器電池的位置又往后移動(dòng)了一小段,更貼近“板/芯片”。

從目前了解的信息看,無論是微軟的LES架構(gòu)還是Google服務(wù)器,雖然理論上在供電架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了市電向服務(wù)器的直接供電,消除了中間變換環(huán)節(jié)的能源浪費(fèi)和變換過程中諸多不可控的安全因素,但是實(shí)際上把鋰電池引入到服務(wù)器內(nèi)部在目前的技術(shù)條件下可能導(dǎo)致的隱患更多,畢竟高強(qiáng)度的服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境不同于日常“休閑式”的筆記本電腦。猜測(cè)這可能也是為什么這些運(yùn)行模式并沒有在微軟和Google自身的數(shù)據(jù)中心大規(guī)模應(yīng)用推廣的原因吧。

3 結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)的本質(zhì)還是解決“供電”和“備電”的問題,對(duì)“更直接供電—市電直接向服務(wù)器供電”和“更有效備電—儲(chǔ)能設(shè)備更靠近服務(wù)器板/芯片”的不斷追求,產(chǎn)生了各種各樣看起來有點(diǎn)神秘的供電方式,但是歸結(jié)起來看,供電架構(gòu)發(fā)展的軌跡無非是集中供電和分散供電的不同表現(xiàn)形式而已,從上世紀(jì)90年代的分散供電,到2000年后的集中供電,再到現(xiàn)在業(yè)界對(duì)新的分散供電的追捧,歷史總是在驚人地輪回。至于實(shí)際建設(shè)中,選擇高度集中、微模塊集中、機(jī)柜集中還是完全服務(wù)器級(jí)分散的供電方式,需要數(shù)據(jù)中心建設(shè)者根據(jù)自己的設(shè)計(jì)定位、資金投入、近遠(yuǎn)期規(guī)劃、運(yùn)行管理等來綜合衡量,尤其是對(duì)建設(shè)成本與運(yùn)行成本予以重點(diǎn)關(guān)注。

作者簡(jiǎn)介

王偉,伊頓電氣集團(tuán)電能質(zhì)量業(yè)務(wù)部技術(shù)總監(jiān),本刊編委。

編輯：Harris

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