1 引言

近幾年來,中國的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施市場進(jìn)入了高速發(fā)展階段。ICT Research報告指出,2011年,整體銷售額為141.83億元,增長率為9.4%。雖然其中部分產(chǎn)品銷售額為負(fù)增長,但是為2012年的增長打下了基礎(chǔ)。2013年整體規(guī)模為157.85億元,直到2014年,基礎(chǔ)設(shè)施整體銷售額增長到182.29億元,增長率為9.5%,預(yù)計2017年將增長到220.77億元,每年保持的增速為8%～9%。大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的同時也帶來了能耗的大幅度提升的問題,目前國內(nèi)各供應(yīng)商、運營單位、研究機構(gòu)均開展節(jié)能技術(shù)以及綠色能源等技術(shù),從而達(dá)到基礎(chǔ)設(shè)施可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

本文是數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化系列講座之一,將重點研究數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施供電系統(tǒng)中應(yīng)用的主要節(jié)能技術(shù)的原理、應(yīng)用情況以及其標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展等。

2 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)架構(gòu)及節(jié)能技術(shù)

據(jù)美國采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(ASHRAE)技術(shù)委員會9.9(簡稱TC9.9)統(tǒng)計報告顯示,數(shù)據(jù)中心各部分的用電量分布大致如圖1所示。由圖可見,IT系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和供電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心能耗大戶。

供電系統(tǒng)主要由油機系統(tǒng)、高低壓變配電系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)和機房配電系統(tǒng)組成。其典型的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)供電技術(shù)

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)以及移動互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心已經(jīng)應(yīng)用到了各行各業(yè),其重要性也日益突出。目前數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域供電系統(tǒng)中,為了節(jié)能以及減少成本而提出的主流技術(shù)有高壓油機技術(shù)、高壓直流供電技術(shù)、市電與保障電源兩路供電技術(shù)和高倍率電池技術(shù),這些技術(shù)分別應(yīng)用在圖2中的各個子系統(tǒng)中。

(1)高壓直流供電技術(shù)

高壓直流供電技術(shù)作為早期應(yīng)用的技術(shù),在近一兩年呈現(xiàn)出大規(guī)模增長的態(tài)勢,圖3為某供應(yīng)商對各垂直行業(yè)高壓直流供電系統(tǒng)應(yīng)用情況做的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。由于高壓直流技術(shù)采用直流供電方式,消除了UPS中的逆變環(huán)節(jié),能夠簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高電能利用率,有效降低用戶投入成本,避免故障隱患,具有十分重要的應(yīng)用價值。

筆者認(rèn)為高壓直流供電系統(tǒng)最大的優(yōu)勢是顯著地提高了可靠性,其次才是由于采用了模塊化結(jié)構(gòu),可以采用休眠等技術(shù)改變模塊負(fù)載率,從而獲得較高的能效。與傳統(tǒng)的大容量交流塔式UPS系統(tǒng)相比,系統(tǒng)實際運行效率會高一些,但與模塊化UPS等相比,效率無明顯的差異。

中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會制定了一系列的高壓直流供電系統(tǒng)及相關(guān)配套產(chǎn)品的系列標(biāo)準(zhǔn):YD/T2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》;

YD/T2555-2013《通信用240V直流配電設(shè)備》;

YD/T2556《通信用240V直流供電系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)要求》;

YD/T2656-2013《基于240V/336V直流供電的通信設(shè)備電源輸入接口技術(shù)要求與試驗方法》;

YD/T2089-2016《通信用336V直流供電系統(tǒng)》;

YD/T2088-2016《通信用336V整流器》;

YD/T3091-2016《通信用240V/336V直流供電系統(tǒng)運行后評估要求與方法》等。

處于報批階段的標(biāo)準(zhǔn)有:

《通信用240V/336V直流-直流模塊電源》;

《通信用240V/336V直流配電單元》等。

目前正在起草一篇《信息通信用240V/336V直流供電系統(tǒng)》國家標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)于高壓直流供電技術(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)匯總表如表1所示。

從上述國內(nèi)、國際標(biāo)準(zhǔn)可以看出高壓直流系列標(biāo)準(zhǔn)的研究工作開展的比較全面,覆蓋了通信用240V/336V電壓直流供電環(huán)節(jié)中的各個單元部分,如系統(tǒng)、整流模塊、系統(tǒng)輸入輸出配電部分、與ICT設(shè)備之間接口、機柜的PDU、ICT設(shè)備內(nèi)部的PSU部分以及對整個系統(tǒng)的評估和維護(hù)等。作為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織,國際電信聯(lián)盟ITU-T非?；钴S,也制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)。而IEC目前正在制定的標(biāo)準(zhǔn)和報告有:

62040-5-3《直流UPS測試與性能》;

62040-5-1《直流UPS安全要求》標(biāo)準(zhǔn);

IECTS62735-1《直流400V插頭插座》研究報告等。

(2)市電與保障電源兩路供電技術(shù)

市電與保障電源兩路供電(以下簡稱兩路供電)技術(shù)是指一路為市電直接供電,另一路為高壓直流(240VDC)或者交流UPS供電。其配置方式具有兩種供電模式:一種為一路市電供電,另一路為高壓直流供電;另一種為一路市電供電,另一路為交流UPS供電。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4和圖5。

目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的兩路供電系統(tǒng)工作模式有兩種。模式1為市電優(yōu)先工作模式:當(dāng)市電正常時,為市電供電模式;當(dāng)市電發(fā)生故障時,切換至保障電源模式,市電恢復(fù)正常后切換回市電供電的模式;模式2為均分負(fù)載工作模式:市電回路與保障電源回路無優(yōu)先級,為平均帶載的模式,如各帶50%的負(fù)載。

在進(jìn)行實際測試中,可以發(fā)現(xiàn),兩路供電技術(shù)的應(yīng)用可以大幅度地提升系統(tǒng)的效率,達(dá)到97%～98%,同時系統(tǒng)的效率也不會因為負(fù)載率的變化而產(chǎn)生太明顯的變化,起到了高效穩(wěn)定的作用。但該項技術(shù)的應(yīng)用也應(yīng)注意到因為市電供電回路中,ICT設(shè)備電源由于市電供電存在著電壓中斷、電壓閃變、電壓不平衡、電壓諧波、電壓驟降或驟升等市電帶有的電能質(zhì)量問題。另外,當(dāng)市電中斷時,由油機系統(tǒng)直接帶ICT設(shè)備。ICT設(shè)備電源模塊由于呈現(xiàn)容性特性,在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮油機系統(tǒng)帶容性負(fù)載的特性,如油機容量的配置等。

中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會于2014-2015年立項研究協(xié)會研究報告《針對服務(wù)器市電加保障電源的兩路供電模式研究報告》,在此研究報告的基礎(chǔ)上,2016年底提出了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)立項申請,正在完成相關(guān)手續(xù)。該研究報告主要研究了服務(wù)器設(shè)備供電現(xiàn)狀及存在的問題、市電直供系統(tǒng)(含市電直供可行性、系統(tǒng)架構(gòu)、工作模式等)、節(jié)能效果、可靠性分析和兩路供電模式優(yōu)勢分析等。

此外,中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會2016年已立項研究行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)項目《電信互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心用交直流智能切換模塊》,研究主要用于交流和直流兩路供電系統(tǒng)中的切換模塊。該切換模塊是指在IT機架的一路交流(如市電)、另一路高壓直流供電場景下進(jìn)行切換的轉(zhuǎn)換開關(guān),適用于各類數(shù)據(jù)中心、各類呼叫中心、各類營業(yè)中心、各類監(jiān)控中心、各類金融證券中心、部隊裝備中心、OA系統(tǒng)等大量使用IT設(shè)備的場景。當(dāng)市電與高壓直流兩路供電系統(tǒng)工作在均分負(fù)載工作模式時,系統(tǒng)不需要此類開關(guān),但系統(tǒng)運行效率相比于市電優(yōu)先模式要低一些;而市電優(yōu)先模式下,需要此類開關(guān)進(jìn)行切換。如當(dāng)市電發(fā)生故障時,由此轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至直流供電回路;而市電恢復(fù)正常時,再切回直流供電模式。

關(guān)于此項技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)化方面,2015年由中國信息通信研究院提出文稿,把市電與高壓直流兩路供電技術(shù)寫入了ITU-TL.1204標(biāo)準(zhǔn)中,具體的描述以及電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

當(dāng)ICT設(shè)備具有冗余的電源模塊時,可采用交流和直流兩路混合供電技術(shù),在大部分時間由市電供電,從而獲得更高的效率。

此外,ITU-TSG5在2016年10月全會中,提出立項研究L.dualpowerinput《多路交流或高達(dá)400V直流輸入的ICT設(shè)備電源影響》標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)將分為四種情況進(jìn)行分析:帶有轉(zhuǎn)換開關(guān)的兩路交流電源模塊、帶有轉(zhuǎn)換開關(guān)的兩路直流電源模塊、具有內(nèi)置電路但無轉(zhuǎn)換開關(guān)的兩路直流電源模塊以及帶有轉(zhuǎn)換開關(guān)的交直流電源模塊,分別對傳送線纜、插頭插座、隔離裝置、電流均分方式、電池配置方式等方面進(jìn)行深入研究。

(3)高壓油機供電技術(shù)

信息通信領(lǐng)域高壓油機是指輸出電壓為10kV的油機系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)提高了輸出電壓,減少了傳輸線路上的損耗,并隨著數(shù)據(jù)中心的容量大型化而得到了廣泛的應(yīng)用。表2是針對低壓和高壓油機組的簡單對比。由此表可見,雖然在復(fù)雜度和技術(shù)層次上高壓油機有著其較高的難度,但是一旦搭建出完善的供電系統(tǒng),高壓油機無論是在輸送距離、線損還是容量密度等方面都有著明顯的優(yōu)勢。

工業(yè)和信息化部發(fā)布了YD/T2888-2015《通信用10kV高壓發(fā)電機組》,該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了由往復(fù)式內(nèi)燃(RIC)柴油發(fā)動機、交流(a.c)發(fā)電機、控制裝置和輔助設(shè)備組成的工頻高壓發(fā)電機組的技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運輸和貯存。該標(biāo)準(zhǔn)適用于通信用輸出電壓為10kV電壓等級、額定頻率為50Hz的發(fā)電機組,3kV和6kV發(fā)電機組也可參照執(zhí)行。與低壓油機相比,此標(biāo)準(zhǔn)去掉了原低壓油機的電話諧波因數(shù)、不對稱負(fù)載下的線電壓偏差等指標(biāo),并在并聯(lián)運行要求上提出,兩臺以上型號規(guī)格相同的機組應(yīng)能穩(wěn)定地并聯(lián)運行,且可平穩(wěn)地轉(zhuǎn)移負(fù)載的有功功率和無功功率,其有功功率和無功功率的分配差度應(yīng)不大于單臺機組功率的3%,而原低壓油機的標(biāo)準(zhǔn)要求是不大于單臺機組功率的10%。此外,針對機組的燃油消耗率和機油消耗率上要求與低壓機組有所差異。在安全性要求中,由于高壓輸出設(shè)備與低壓電壓等級不同,因此針對輸出安全性要求有所不同,明確提出“高壓輸出設(shè)備應(yīng)符合GB/T11022-2011中對高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的技術(shù)要求”。

(4)高倍率電池技術(shù)

電池的放電倍率是指電池在規(guī)定的時間內(nèi)放出其額定容量時所需要的電流值,在數(shù)據(jù)值上等于電池額定容量的倍數(shù),通常以字母C表示。如電池的標(biāo)稱額定容量為600mAh為1C(1倍率),300mAh則為0.5C,6Ah為10C,以此類推。高倍率電池能大電流放電與其極板設(shè)計有關(guān),能在大電流放電之后依然能放出電池容量的很大一部分。而普通電池在大電流放電時,只能放出很少一部分能量。圖7為某供應(yīng)商提供的高倍率電池與普通的閥控式密封鉛酸蓄電池進(jìn)行放電功率的比較。從數(shù)據(jù)中可以明顯看出,在相同的備電時間,高倍率電池比普通電池的功率值大。

電池的倍率與電池的原材料和工藝有關(guān),電池的倍率特性是指電池的充放電性能,倍率越高,能夠承受的放電電流就越大。且在大電流放電倍率下的發(fā)熱問題也是高倍率電池所要面臨的重點問題。

中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會已立項研究行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《通信用高倍率閥控式密封鉛酸蓄電池》。該標(biāo)準(zhǔn)適用于通信機房、數(shù)據(jù)機房,放電倍率大于1C10的閥控式密封鉛酸蓄電池。此標(biāo)準(zhǔn)目前的討論稿中要求按照蓄電池在標(biāo)稱功率下的放電時間應(yīng)大于15min,且針對功率密度系數(shù)、連接條壓降和溫升等特殊指標(biāo)均提出了要求,建議業(yè)界給予關(guān)注。

4 結(jié)束語

本文對數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施供電系統(tǒng)中所涉及的節(jié)能以及減少初期投資成本的新技術(shù)進(jìn)行了分析,并對與此相對應(yīng)的國內(nèi)國際標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行了介紹和解讀,希望給數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域內(nèi)研發(fā)和應(yīng)用工作人員提供參考和相關(guān)依據(jù)。

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