大家都知道,電子產(chǎn)品內(nèi)部的絕大部分器件都必須使用直流電來(lái)供電,因此,不管供電系統(tǒng)如何變化,最終都要將電源轉(zhuǎn)換成直流12V、5V等不同的電壓,IT設(shè)備同樣不能例外。

雖然數(shù)據(jù)中心的各種供電架構(gòu)方案五花八門,新產(chǎn)品層出不窮,但其實(shí)整個(gè)供電系統(tǒng)只為了解決兩個(gè)問(wèn)題:在哪里把交流電轉(zhuǎn)換成直流電?在哪里接入備電系統(tǒng)?本文將從這兩個(gè)方面進(jìn)行分析,對(duì)數(shù)據(jù)中心目前流行的供電架構(gòu)進(jìn)行解析,并分享一些技術(shù)發(fā)展的個(gè)人觀點(diǎn)。大家會(huì)發(fā)現(xiàn),基于位置選擇的不同會(huì)演化出不同的供電架構(gòu),所以可將這些年數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)的演進(jìn)戲稱為基于位置(供備電節(jié)點(diǎn))選擇的“供電架構(gòu)進(jìn)化論”。

1   供電系統(tǒng):交流電與直流電的角色扮演游戲

先來(lái)看看交直流轉(zhuǎn)換的問(wèn)題,目前數(shù)據(jù)中心采用較多的主要有四種供電方式(見(jiàn)圖1)。

(1) 傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)

UPS系統(tǒng)作為目前應(yīng)用最成熟的不間斷電源產(chǎn)品在各行各業(yè)都有廣泛應(yīng)用,對(duì)數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō),目前的主流產(chǎn)品是在線雙變換UPS。

(2) HVDC供電系統(tǒng)

HVDC并非一種新的供電系統(tǒng),長(zhǎng)期以來(lái)海外都有少量應(yīng)用,2007年江蘇電信最早在國(guó)內(nèi)嘗試這種供電方式。目前國(guó)內(nèi)共有兩種制式:電信標(biāo)準(zhǔn)輸出240VDC額定電壓和移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)輸出336VDC額定電壓。因?yàn)?40VDC在經(jīng)過(guò)大部分服務(wù)器電源(電信認(rèn)為超過(guò)96%)的整流橋后可以直接使用,所以目前在互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)中應(yīng)用較多。而336VDC的HVDC需要采用定制服務(wù)器,雖然效率高,但目前應(yīng)用較少。具體分析可參考圖2。

第一代HVDC來(lái)源于電力操作電源,所以在效率、精度、監(jiān)控等方面表現(xiàn)較差,目前主流HVDC均基于通信電源進(jìn)行開發(fā)(-48V輸出),所以在應(yīng)用上,這種供電架構(gòu)與通信電源有很大的共同點(diǎn)。

在各廠家的宣傳中,HVDC通常具備以下優(yōu)勢(shì):

①效率高,節(jié)能環(huán)保。通常宣稱的效率在94%以上,比早期工頻UPS高,但與目前主流廠家的高頻UPS相比,并無(wú)明顯差別。

②少一級(jí)變換,可靠性高。早期的推廣者通常會(huì)告訴用戶,HVDC只有AC/DC一級(jí)變換,而UPS是AC/DC+DC/AC的兩級(jí)變換,所以HVDC更加可靠,效率也更高。但實(shí)際上并非如此,HVDC的拓?fù)淙鐖D2所示,其內(nèi)部同樣需要兩級(jí)變換(實(shí)際電路當(dāng)然并非如此簡(jiǎn)單,但包括服務(wù)器電源在內(nèi)的大部分開關(guān)電源產(chǎn)品都是這種原理),所以其外在表現(xiàn)出的效率與可靠性指標(biāo)都與UPS差別不大。

③電池在輸出端,備電系統(tǒng)更可靠。UPS的電池在斷電時(shí)需要通過(guò)逆變電路進(jìn)行輸出，而HVDC與通信電源類似，電池與輸出共母排，理論上備電系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單可靠。但與通信電源類似，電池長(zhǎng)期浮充(熱備份)同樣會(huì)對(duì)電池壽命造成影響，所以HVDC對(duì)電池管理也會(huì)有更高要求。

④模塊化結(jié)構(gòu),擴(kuò)容維護(hù)方便。相比傳統(tǒng)的塔式UPS,HVDC模塊可支持熱插拔,所以擴(kuò)容與維護(hù)都比較方便。但與模塊化UPS相比,二者差異不大。

綜上所述,HVDC產(chǎn)品本身并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)(與模塊化UPS相比,上述①、②、④均無(wú)明顯差別),其價(jià)值主要還是體現(xiàn)在由HVDC構(gòu)成的供電系統(tǒng)以及后端服務(wù)器的變化上,HVDC+定制服務(wù)器才能最大限度地體現(xiàn)其價(jià)值,而短期內(nèi)HVDC的應(yīng)用主要還是會(huì)集中在電信與互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

3) ECO供電方式

在圖3中,④ECO又稱為經(jīng)濟(jì)模式,即UPS通過(guò)旁路來(lái)進(jìn)行供電,在停電或電網(wǎng)波動(dòng)超過(guò)設(shè)定的上限時(shí)自動(dòng)切換回雙變換模式。這種方式幾乎沒(méi)有損耗,效率可以達(dá)到99%以上,所以在歐洲等電網(wǎng)環(huán)境比較好的地區(qū)有不少應(yīng)用。那么,為什么數(shù)據(jù)中心可以采用這種供電方式,其他場(chǎng)景下是否可以使用?如果把UPS看做黑盒的話,其輸入與輸出都是是交流電,似乎并沒(méi)有變化,但UPS解決了兩個(gè)問(wèn)題:儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入與提供穩(wěn)定輸出。UPS可以保證IT設(shè)備在斷電時(shí)繼續(xù)工作,這一點(diǎn)大家都清楚,但雙變換拓?fù)涞姆€(wěn)壓、濾波功能卻常常被忽略。在交通、通信等行業(yè)以及其他惡劣的使用環(huán)境中(工礦、工廠),UPS的抗*能力尤為重要,而且電網(wǎng)質(zhì)量較差,所以不適合采用ECO模式。

但在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場(chǎng)景中,情況有些不同。早期的服務(wù)器是名副其實(shí)的“貴族”,使用UPS就是為了保護(hù)服務(wù)器遠(yuǎn)離來(lái)自電網(wǎng)的危害,如今數(shù)據(jù)中心的電網(wǎng)環(huán)境通常較好,而且目前服務(wù)器本身的電源也有較高的抗*能力(通常自帶PFC校正功能),還有X86服務(wù)器低廉的價(jià)格,這些因素導(dǎo)致服務(wù)器沒(méi)那么“金貴”了,所以數(shù)據(jù)中心才敢于采用ECO這種近似市電直供的方式來(lái)給服務(wù)器供電。順便說(shuō)一句,金融等行業(yè)對(duì)傳統(tǒng)UPS的青睞也是基于上述歷史的慣性,因?yàn)槟壳安簧俸诵臉I(yè)務(wù)還是在使用比較“金貴”的IBM大型機(jī)。

目前用戶對(duì)于ECO模式最主要的擔(dān)心是“斷電后能否快速切換回來(lái)?”理論上,服務(wù)器電源在斷電后可以依靠自身的電容儲(chǔ)能維持短暫的輸出(大概十幾毫秒,負(fù)載率越高時(shí)間越短),而所有廠家宣稱的回切時(shí)間都不會(huì)超過(guò)10ms。所以該模式的安全性是可以保證的,但實(shí)際應(yīng)用中可能還是需要與其他供電方式配合使用才能完全打消用戶的顧慮。

(4)市電直供

這種方式就不需要細(xì)說(shuō)了,它是目前損耗最小(主要在線纜與銅排等傳輸路徑上)、最簡(jiǎn)單的供電方式,當(dāng)然同時(shí)因?yàn)闆](méi)有備電系統(tǒng)也無(wú)法進(jìn)行斷電保護(hù)。在實(shí)際應(yīng)用中,市電直供主要配合其他供電方式來(lái)為IT設(shè)備提供電力(如圖1③中所示)。

小結(jié)從上述幾種供電方式的分析來(lái)看,未來(lái)將呈現(xiàn)以下趨勢(shì):

①產(chǎn)品效率越來(lái)越高。就UPS來(lái)說(shuō),目前主流產(chǎn)品效率已高達(dá)95%,未來(lái)可以提升的空間已經(jīng)非常有限;

②從關(guān)注產(chǎn)品到關(guān)注方案。迫于低成本、高效率等方面的壓力,越來(lái)越多的用戶會(huì)嘗試更加高效的供電架構(gòu)而非僅僅關(guān)注產(chǎn)品本身;

③新技術(shù)帶來(lái)系統(tǒng)可用性的提升,同時(shí)對(duì)硬件可靠性的要求逐漸降低;

④在效率提升有限的情況下,其他特性如智能特性、適用性(與其他方案的融合能力)將更加突出。

總體來(lái)看,越來(lái)越多的用戶會(huì)要求設(shè)備廠家具備提供綜合解決方案的能力。目前大多數(shù)的UPS、HVDC等供電產(chǎn)品廠家都開始推廣微模塊等整體解決方案,而未來(lái)技術(shù)的發(fā)展可能還會(huì)推動(dòng)這種融合向供電鏈路的上下游推進(jìn)。

2 存在于供電架構(gòu)領(lǐng)域的誤區(qū)

目前在供電架構(gòu)領(lǐng)域,因?yàn)楦鞣N方式并存,所以各位專家也是眾說(shuō)紛紜。在筆者看來(lái),目前該領(lǐng)域經(jīng)常存在以下幾個(gè)誤區(qū)。

(1) 誤區(qū)一:HVDC過(guò)度宣傳近年來(lái),HVDC發(fā)展較為迅速,其推動(dòng)力主要來(lái)源于國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商與BAT等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)。但從整體趨勢(shì)來(lái)看,目前仍非市場(chǎng)主流,其銷售額仍不到UPS的10%。HVDC之所以首先在電信行業(yè)中應(yīng)用,很大程度上也是源自運(yùn)營(yíng)商的維護(hù)人員對(duì)通信電源的熟悉。經(jīng)過(guò)二、三十年的實(shí)際應(yīng)用,通信電源的模塊化架構(gòu)已經(jīng)十分成熟,運(yùn)營(yíng)商的維護(hù)人員也積累了大量的維護(hù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)比只能找供應(yīng)商來(lái)維修的UPS,模塊化的HVDC顯然更符合維護(hù)人員的使用習(xí)慣。而模塊化的結(jié)構(gòu)將UPS原來(lái)的成本黑盒變成了白盒(機(jī)框+模塊),技術(shù)門檻更低,也更利于大客戶通過(guò)集采招標(biāo)來(lái)壓低成本。

(2)而在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),HVDC的發(fā)展還有賴于產(chǎn)業(yè)鏈的成熟、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。未來(lái)隨著電信行業(yè)自身轉(zhuǎn)型的訴求,傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)范圍將從語(yǔ)音向數(shù)據(jù)過(guò)渡,并逐漸形成圍繞數(shù)據(jù)中心建設(shè)的新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在ICT融合的大趨勢(shì)下,交直流混供、一體化設(shè)備、CT設(shè)備的改造將為HVDC帶來(lái)更多機(jī)會(huì)。所以,HVDC雖不能包治百病,但未來(lái)可能更適合電信行業(yè)。

(2)誤區(qū)二:標(biāo)稱效率不代表實(shí)際效率這里存在兩個(gè)問(wèn)題:①UPS的標(biāo)稱效率與實(shí)際效率的差別;

②產(chǎn)品效率與系統(tǒng)效率的差別。

UPS和HVDC因?yàn)樨?fù)載率的不同會(huì)呈現(xiàn)出不同的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率。通常來(lái)說(shuō),負(fù)載率越低,效率也越低,所以即便廠家宣稱的UPS效率(標(biāo)稱效率)高達(dá)95%,在數(shù)據(jù)中心實(shí)際應(yīng)用中(業(yè)務(wù)初期負(fù)載率通常低于20%)可能只有90%。所以在選擇UPS時(shí)還需要考慮其不同負(fù)載率下的效率。當(dāng)然,選擇模塊化結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品(UPS或HVDC)也可以提高供電效率,因?yàn)檫@類產(chǎn)品通常具備模塊休眠功能,可以通過(guò)休眠部分模塊的方式來(lái)提供系統(tǒng)整體負(fù)載率。

另外一個(gè)問(wèn)題是產(chǎn)品效率與系統(tǒng)效率的關(guān)系。即便選擇了高效的UPS系統(tǒng),數(shù)據(jù)中心的實(shí)際供電效率仍偏低,主要瓶頸來(lái)自服務(wù)器電源的效率。表1是國(guó)際機(jī)構(gòu)80PLUS對(duì)服務(wù)器電源效率的分級(jí),可以看出“黃金級(jí)”的服務(wù)器電源實(shí)際運(yùn)行效率也只有90%左右。所以對(duì)用戶來(lái)說(shuō),有時(shí)選擇更高效率的供電設(shè)備,可能還不如想辦法提高服務(wù)器的供電效率(這也是為什么上文小結(jié)中得出以上結(jié)論的原因)。實(shí)際運(yùn)行中的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心,大量服務(wù)器電源都處于比較低的負(fù)載率,而從表1數(shù)據(jù)可以看出,20%負(fù)載率時(shí)的效率與50%負(fù)載率時(shí)的效率差值超過(guò)4%,所以提高服務(wù)器電源的負(fù)載率可能比單純提升前端UPS效率更有效。

通過(guò)上述分析可以得出一個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)論:供電系統(tǒng)的整體效率要考慮各個(gè)節(jié)點(diǎn)的效率,這也是為什么最近幾年互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的大型數(shù)據(jù)中心越來(lái)越喜歡“折騰”各種創(chuàng)新供電架構(gòu)與定制服務(wù)器,目的就是為了提升整體效率(市電主供可以降低系統(tǒng)損耗,虛擬化技術(shù)提升服務(wù)器使用效率)。

3  各種備電方式的應(yīng)用

(1) 備電系統(tǒng):電池的一小步,服務(wù)器架構(gòu)的一大步

備電系統(tǒng)目前主流采用的是電池儲(chǔ)能，除此之外還有飛輪儲(chǔ)能等方式。目前國(guó)內(nèi)IDC主要以電池儲(chǔ)能為主，飛輪方式因初期投資較高、備電時(shí)間短等原因采用較少，本文不做贅述。根據(jù)備電系統(tǒng)接入點(diǎn)的不同，同樣也導(dǎo)致了不同的服務(wù)器供電架構(gòu)。

(2)供電系統(tǒng)內(nèi)部備電(供電鏈路最前端)

這種方式主要應(yīng)用于UPS系統(tǒng)中,如前所述,電池組屬于UPS系統(tǒng)的一部分,在斷電后為系統(tǒng)提供備電。對(duì)于小型UPS,電池通常會(huì)置于UPS內(nèi)部。數(shù)據(jù)中心等中大容量UPS應(yīng)用場(chǎng)合中,電池一般會(huì)獨(dú)立放置(獨(dú)立的電池房間或微模塊內(nèi)部)。這種備電方式將電池組置于整個(gè)供電鏈路的最前端(不考慮飛輪等場(chǎng)景),適用于傳統(tǒng)的集中式供電方案(置于微模塊內(nèi)部也可以認(rèn)為是相對(duì)于單個(gè)微模塊的集中式供電)。其后端的服務(wù)器應(yīng)用主要是傳統(tǒng)的服務(wù)器。

(3)供電系統(tǒng)外部備電(供電系統(tǒng)與IT機(jī)柜之間)

這種方式主要應(yīng)用于HVDC系統(tǒng)中，電池組位于供電系統(tǒng)與IT機(jī)柜之間。如前所述，通信電源也采用同樣的備電方式，這種方式的優(yōu)勢(shì)在于備電系統(tǒng)可靠性更高，其次是直流電輸入到服務(wù)器電源內(nèi)部可以減少一級(jí)變換(需要定制)，以便提高整體效率。

但需要指出的是,為兼容現(xiàn)有服務(wù)器,實(shí)際應(yīng)用中,大多采用240VDC的系統(tǒng),所以其整體效率優(yōu)勢(shì)并不明顯。

與這種供電方式對(duì)應(yīng)的是國(guó)內(nèi)的天蝎機(jī)柜,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

天蝎供電系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)機(jī)架服務(wù)器的每個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)配備單獨(dú)的供電模塊的設(shè)計(jì),整柜的供電子系統(tǒng)(電源框)位于整機(jī)柜的中間部位,占用3U空間,供電系統(tǒng)有兩路輸入,組成一主一備份的架構(gòu)(各由一半數(shù)量的整流模塊組成N+N備份),其中的主輸入回路一般采用市電直供連接,取消傳統(tǒng)供電系統(tǒng)中的UPS等中間電能變換環(huán)節(jié),得到最高的電網(wǎng)到IT設(shè)備的供電效率。備電回路則將市電經(jīng)過(guò)HVDC系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為高壓直流(天蝎規(guī)范定義為240VDC)接入電池組作為備電,當(dāng)主供回路異常時(shí),備電經(jīng)過(guò)支持HVDC的整流模塊變換后供應(yīng)機(jī)柜保證正常運(yùn)行。

簡(jiǎn)而言之,天蝎機(jī)柜就是將原本各自分散在服務(wù)器中的獨(dú)立電源模塊集中到了機(jī)柜中,為所有服務(wù)器單板供電。對(duì)供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō),其主要價(jià)值是提高了服務(wù)器電源的供電效(負(fù)載率提升)并降低了成本。

如果讀者對(duì)前文還有印象的話,會(huì)發(fā)現(xiàn)這與HVDC的思路很接近,都是借用了通信電源的架構(gòu),所以說(shuō)在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域,未來(lái)IT和CT技術(shù)的融合將會(huì)成為常態(tài)。但是將之前“分散”到各個(gè)服務(wù)器的電源模塊“集中”到機(jī)架內(nèi),是否有悖IT設(shè)備供電日益分散化的演進(jìn)趨勢(shì)?并非如此,任何一種供電架構(gòu)都需要考慮可靠性與效率的平衡,集中化是為了提升效率,分散化是為了提升可靠性。

(4)服務(wù)器外部備電(IT機(jī)柜內(nèi)部)

這種方式主要通過(guò)IT設(shè)備自身來(lái)備電,所以前端使用何種供電方式都影響不大,不過(guò)為降低成本,通常是市電直供的方式。對(duì)應(yīng)的服務(wù)器機(jī)柜架構(gòu)主要包括微軟的LES電源與facebook的OCP。

①微軟LES電源(見(jiàn)圖5)

微軟在2014年正式加入OCP(開放硬件)計(jì)劃,在2015年的OCP峰會(huì)上,進(jìn)一步貢獻(xiàn)了其OCS開放服務(wù)器與LES(本地能源存儲(chǔ))分布式供電架構(gòu)。

LES架構(gòu)在服務(wù)器標(biāo)準(zhǔn)電源模塊內(nèi)增加了鋰電池包(BBU),鋰電池通過(guò)低成本小電流的380V充放電DC/DC電路并聯(lián)到PSU的PFC母線上,實(shí)現(xiàn)市電正常下的充電,以及市電異常下的備電供應(yīng)。一個(gè)LES電源模塊就相當(dāng)于一臺(tái)UPS。因?yàn)槊總€(gè)電源模塊都自帶電池,所以理論上LES的服務(wù)器并不需要像其他市電主供的方案那樣,要在斷電時(shí)進(jìn)行切換,可靠性應(yīng)該更高。但因?yàn)榧闪虽囯姵?這種服務(wù)器電源的成本顯然也更高。

據(jù)說(shuō)LES供電架構(gòu)因?yàn)椴恍枰猆PS和鉛酸蓄電池組,可以節(jié)省25%的機(jī)房面積與15%的PUE,而且鋰電池采用業(yè)界應(yīng)用最成熟的18650鋰電芯,所以不用擔(dān)心電池故障造成服務(wù)器損壞。

②Facebook的OCPV1.0(見(jiàn)圖6)

Facebook的定制服務(wù)器同樣是在服務(wù)器電源上打主意。這種服務(wù)器支持交流和直流48V兩種輸入,正常情況下由市電進(jìn)行主供來(lái)消除UPS轉(zhuǎn)換帶來(lái)的能量損失,利用277V輸入的PSU(服務(wù)器電源)來(lái)消除原本PDU(將480V轉(zhuǎn)換為208V)帶來(lái)的損耗。而在停電時(shí),則由電池組提供48V直流給另外一路服務(wù)器電源,該路服務(wù)器電源將48VDC轉(zhuǎn)換成12VDC直接向服務(wù)器供電。Facebook宣稱采用更高效的VR和PSU,所以整個(gè)供電系統(tǒng)效率更高(Facebook的OCP電源采用的UPS和PDU的效率數(shù)據(jù)分別為86%和97%,這與現(xiàn)實(shí)情況差距較大)。

(5)服務(wù)器內(nèi)部備電這種方式主要對(duì)應(yīng)Google的內(nèi)置電池服務(wù)器(見(jiàn)圖7)。

這種定制化服務(wù)器每臺(tái)內(nèi)部都有一塊12V內(nèi)置電池,正常情況由市電通過(guò)服務(wù)器電源轉(zhuǎn)換成12V進(jìn)行供電,如果停電或主路供電遇到問(wèn)題,則由電池直接給服務(wù)器供電。因?yàn)閮?nèi)置電池的成本很低,有多少服務(wù)器,就配多少塊電池,所以安裝比較靈活,只要供電系統(tǒng)總?cè)萘吭试S,擴(kuò)容時(shí)基本不用考慮備電的問(wèn)題。因?yàn)槭鞘须娭苯庸╇?所以系統(tǒng)的整體效率就是服務(wù)器的效率。

小結(jié)

從備電系統(tǒng)的位置來(lái)看,隨著電池組一步步向后端延伸,供電架構(gòu)也從完全的集中式過(guò)渡到完全的分布式(數(shù)據(jù)中心→微模塊→機(jī)柜→服務(wù)器),單個(gè)服務(wù)器本身的可用性也逐步提高。

通過(guò)對(duì)各種定制服務(wù)器架構(gòu)的分析可以發(fā)現(xiàn):

①BAT天蝎:定制化程度最低,對(duì)現(xiàn)有架構(gòu)的變化最小,服務(wù)器電源從各自分散變成了集中到整機(jī)柜中(目的是提升供電效率與部署速度),定制服務(wù)器僅保留原來(lái)的單板、CPU等核心部件;也正因?yàn)槿绱?相比更早開展的OCP項(xiàng)目,天蝎項(xiàng)目反而進(jìn)展更快。

②facebook:需要對(duì)服務(wù)器電源進(jìn)行定制(可支持48VDC),而儲(chǔ)能系統(tǒng)則可以利用現(xiàn)有的通信電源(鉛酸電池成熟度較高),對(duì)服務(wù)器改動(dòng)較小,僅需要更換部分服務(wù)器電源模塊;facebook的這種架構(gòu)其實(shí)對(duì)通信運(yùn)營(yíng)商非常適合,尤其是現(xiàn)網(wǎng)存在大量傳統(tǒng)CT設(shè)備的時(shí)候(采用48VDC供電),更適合ICT設(shè)備融合改造的場(chǎng)景。

③微軟的LES電源:其本質(zhì)是把鋰電池與服務(wù)器電源集成到一個(gè)模塊里面,而其定制服務(wù)器本質(zhì)上與天蝎服務(wù)器一致;LES定制化程度稍高,優(yōu)點(diǎn)是備電系統(tǒng)與供電系統(tǒng)結(jié)合,隨負(fù)載靈活擴(kuò)容,可保持固定的備電時(shí)間(換句話說(shuō),想增加備電時(shí)間必須同時(shí)增加電源模塊)。

④Google:其服務(wù)器定制化程度最高,是徹底的分布式架構(gòu),相當(dāng)于每臺(tái)服務(wù)器都自帶UPS,結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單;但I(xiàn)T設(shè)備使用壽命有限,設(shè)備更換后電池?zé)o法利舊,造成浪費(fèi)(網(wǎng)上資料不多,據(jù)猜測(cè),也可能可以通過(guò)拆除電池來(lái)利舊)。而為了降低成本不可能配置高容量電池,因此備電時(shí)間有限(只有幾分鐘),對(duì)油機(jī)切換速度要求較高。

⑤組合方式:市電最高效,但提升效率并非唯一目的。

通過(guò)供電方式與備電方式(不同服務(wù)器電源架構(gòu))的自由組合,就形成了不同的數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu),簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)可以分為三類:

①傳統(tǒng)的UPS/HVDC系統(tǒng)

傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)為保證供電可靠性,普遍會(huì)采用2N、N+1的供電架構(gòu)(這種架構(gòu)大家應(yīng)該都非常熟悉,這里不做過(guò)多解釋)。如果再配合前端的雙路市電引入,后端的雙路供電服務(wù)器,理論上說(shuō)幾乎不存在業(yè)務(wù)中斷的可能。但可靠性提升的同時(shí)也帶來(lái)了投資的增長(zhǎng),所以除了只看重可靠性的金融行業(yè)之外,國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)中心很少會(huì)采用最高規(guī)格的Tier4系統(tǒng)。而隨著云計(jì)算、虛擬化等技術(shù)的普及,如兩地三中心、同城雙活等災(zāi)備方案也大幅提升了業(yè)務(wù)的連續(xù)性,單個(gè)數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備本身對(duì)供電可靠性的要求也有所降低。另外互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品對(duì)業(yè)務(wù)中斷的抵抗力也較強(qiáng),也是大家敢于不斷嘗試新架構(gòu)的原因之一。比如近期的*、支付寶故障也只是讓大家感覺(jué)不方便而已,并未導(dǎo)致重大的損失(相比金融、通信、交通等行業(yè))。

正是在這種大環(huán)境下,互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)才出現(xiàn)了越來(lái)越多的新的供電架構(gòu)。但對(duì)于其他行業(yè),以UPS為主的供電架構(gòu)仍然是當(dāng)前的主流方案。

②市電+UPS/HVDC系統(tǒng)(包括ECO)

首先要強(qiáng)調(diào),所有采用市電直供的IT設(shè)備都必須滿足一個(gè)大前提,即支持雙路輸入。兩路輸入互為備份,一路斷電后由另外一路供電,切換過(guò)程不會(huì)影響業(yè)務(wù)的運(yùn)行。對(duì)單路供電的設(shè)備,則只能采用不間斷電源系統(tǒng)(UPS或HVDC)或使用STS在斷電時(shí)及時(shí)進(jìn)行電路切換。

采用這種供電架構(gòu)一般會(huì)有兩種形式:負(fù)載均衡方式和主備方式。

幾乎所有模塊化電源(模塊化UPS、HVDC、通信電源、服務(wù)器電源)在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)要求每個(gè)模塊可實(shí)現(xiàn)均流,即按相同比例平均分擔(dān)整個(gè)負(fù)載。對(duì)于普通服務(wù)器來(lái)說(shuō),兩路輸入分別來(lái)自市電/ECO和UPS/HVDC,雙方各自承擔(dān)50%的負(fù)載。比如,市電效率為100%,UPS效率為94%,則供電系統(tǒng)整體效率(不考慮服務(wù)器電源轉(zhuǎn)換效率)則是97%。

通過(guò)對(duì)服務(wù)器電源軟件的更改,可以調(diào)整各電源模塊承擔(dān)負(fù)載的比例,比如讓市電承擔(dān)100%的比例(即市電主供),另外一路UPS/HVDC作為備份,只在市電故障時(shí)才對(duì)服務(wù)器供電。

其實(shí)這種方式在整體效率上已經(jīng)與互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的各種定制化方案沒(méi)有太大差異了,在正常情況下都是由市電來(lái)供電。所以對(duì)于比較重視效率,又不希望有太大改動(dòng)的用戶比較合適。但實(shí)際上愿意采用這種供電架構(gòu)的用戶并不多,用戶通常還是更愿意采用傳統(tǒng)的方式。

③市電+定制服務(wù)器(市電主供+電池?zé)醾?

互聯(lián)網(wǎng)公司的大規(guī)模采購(gòu)量與技術(shù)實(shí)力使得他們可以進(jìn)行更多的嘗試。這種架構(gòu)一般需要配合定制服務(wù)器,以使用市電為主,其他方式僅作為備份。對(duì)供電架構(gòu)來(lái)說(shuō),總的趨勢(shì)是從集中到分布式供電。需要特別提出的是,市電主供+電池備份(或UPS、HVDC等)在可靠性上顯然不如傳統(tǒng)的UPS+UPS(2N或N+1)方式,但隨著備電系統(tǒng)下沉到微模塊內(nèi)、機(jī)柜內(nèi)、甚至服務(wù)器內(nèi),服務(wù)器本身的可靠性在提升,所以綜合來(lái)看,市電+定制服務(wù)器的方式并不一定比傳統(tǒng)方式的可靠性更低。

上文提到,如果僅比較供電系統(tǒng)整體效率的話,互聯(lián)網(wǎng)的各種定制方案并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)(都采用市電主供的前提下)。其優(yōu)勢(shì)主要還是體現(xiàn)在整體方案的部署速度、空間利用率、服務(wù)器電源效率、后期維護(hù)、綜合成本等方面。

各種定制服務(wù)器供電架構(gòu)的比較見(jiàn)表2。

需要指出的是,采用這類供電架構(gòu)時(shí)必須具備一些前提,譬如:

①大型IDC普遍具備大容量油機(jī),可以保證在市電斷電后短時(shí)間內(nèi)切換到油機(jī)供電。所以電池備電時(shí)間可以較短,以便降低采購(gòu)成本,同時(shí)也節(jié)省機(jī)房空間,甚至將電池集成到服務(wù)器內(nèi)部;

②采購(gòu)量較大,人員素質(zhì)高,同時(shí)具備較強(qiáng)的方案設(shè)計(jì)能力與議價(jià)能力。所以可以得到供應(yīng)商的配合來(lái)嘗試各種創(chuàng)新方案,可以從整個(gè)供電鏈路來(lái)進(jìn)行方案整合,可以利用規(guī)模效應(yīng)影響、推動(dòng)行業(yè)的變化;

③業(yè)務(wù)單一,可復(fù)制性強(qiáng),上層業(yè)務(wù)連續(xù)性有保證(災(zāi)備、虛擬化、快速遷移)。所以可以允許部分基礎(chǔ)設(shè)施可靠性的降低來(lái)提升效率、降低成本。

　　小結(jié):

互聯(lián)網(wǎng)的“去中心化”思想對(duì)數(shù)據(jù)中心的發(fā)展影響深刻。十幾年來(lái),從集中到分散的轉(zhuǎn)變一直是數(shù)據(jù)中心發(fā)展的大趨勢(shì):從傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心到云數(shù)據(jù)中心,再到分布式云數(shù)據(jù)中心;從傳統(tǒng)集中式供電和制冷到微模塊的分布式供電和制冷。由此可見(jiàn),其本質(zhì)就是把一個(gè)復(fù)雜的、不可復(fù)制的、串聯(lián)的系統(tǒng)拆分成若干個(gè)簡(jiǎn)單的、可替換的、并聯(lián)的系統(tǒng),由此來(lái)降低TCO與維護(hù)難度,提升系統(tǒng)的可靠性。

但互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)有其特殊性,這些創(chuàng)新供電架構(gòu)往往需要其他產(chǎn)品與方案的配合,目前來(lái)看尚不具備最廣泛的普適性,至于未來(lái)是否能成為主流,現(xiàn)在下結(jié)論還為時(shí)尚早。

　　后記:

無(wú)獨(dú)有偶,在本文完成一周之后,網(wǎng)上傳來(lái)消息:Google在比利時(shí)的數(shù)據(jù)中心因連續(xù)遭遇四次雷擊而導(dǎo)致電力中斷,造成0.000001%的數(shù)據(jù)永久丟失。其原因在上文中已經(jīng)提到,即數(shù)據(jù)中心采用創(chuàng)新供電架構(gòu)的大前提:

①備電系統(tǒng)(油機(jī))及時(shí)切換是降低電池備電時(shí)間的前提。電池系統(tǒng)后移→備電時(shí)間降低→對(duì)油機(jī)的依賴程度提升→油機(jī)切換時(shí)間要求更快。以上這條邏輯鏈路說(shuō)明了二者的關(guān)系。顯然,這次Google的油機(jī)并未在市電中斷后發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

②保證上層業(yè)務(wù)連續(xù)性是提升效率、降低成本的前提Google用自身的教訓(xùn)告訴我們,再完備的硬件架構(gòu)都可能存在風(fēng)險(xiǎn),所以數(shù)據(jù)的備份是必不可少的。

另外需要指出的是,因?yàn)槿鄙僦虚g變換設(shè)備的隔離與保護(hù),在采用市電直供方式提高供電效率的同時(shí),來(lái)自電網(wǎng)的*也會(huì)對(duì)服務(wù)器產(chǎn)生影響(尤其是在雷擊等極端情況下)。媒體并未報(bào)道Google電力故障的具體原因,筆者猜測(cè):在市電中斷的同時(shí),很可能因?yàn)槔讚粼斐闪擞蜋C(jī)/市電切換系統(tǒng)、配電防雷系統(tǒng)、甚至服務(wù)器電源本身的故障,這才導(dǎo)致油機(jī)無(wú)法及時(shí)啟動(dòng)或啟動(dòng)后無(wú)法給服務(wù)器正常供電。所以在采用市電直供方式時(shí),需要更多考慮如何屏蔽來(lái)自電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。

【本文僅代表個(gè)人觀點(diǎn),不代表業(yè)內(nèi)各公司與機(jī)構(gòu)觀點(diǎn)。部分圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)公開資料,版權(quán)歸原作者所有?！?/p>

本文寫作時(shí)參考了以下文章,在此對(duì)原作者一并表示感謝:

《微軟LES供電架構(gòu)介紹》-騰訊數(shù)據(jù)中心

《數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)》-朱永忠

《大話數(shù)據(jù)中心之UPS電源發(fā)展》-陳炎昌韓玉

作者簡(jiǎn)介

李晶晶,十余年電源領(lǐng)域工作經(jīng)驗(yàn)，曾長(zhǎng)期從事通信能源與數(shù)據(jù)中心能源產(chǎn)品的研發(fā)，維護(hù)等技術(shù)工作。目前主要負(fù)責(zé)華為數(shù)據(jù)中心能源產(chǎn)品的市場(chǎng)工作。

編輯：Harris

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