隨著云計算和OTT的技術發展，互聯網對數據的需求呈現爆炸式的增長，這極大地促進了云數據中心的市場需求，近年來國內外幾乎同步興起了建設云數據中心的熱潮。大規模的建設也引發了業界對數據中心基礎架構的重新思考，作為數據中心基礎設施重要組成部分的供電架構自然也不例外。

基于對投資規劃、高效低碳、安全可用、快速部署、按需擴展等因素的不同解讀和引入互聯網思維的創新激情,產生了各種各樣的數據中心供電架構。從傳統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架構到中國的天蝎機柜供電架構,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出現了空前的“繁榮”,那些打著“高安全、高節能、易規劃、易部署、易擴容”旗號的新方案、新架構多得有點讓人眼花繚亂、應接不暇。但是,無論供電架構怎樣千變萬化,供電架構用來為服務器提供“供電、備電”服務的核心思想始終不變。“供電”意味著“怎么把外部市電最有效地傳遞到服務器”,“備電”意味著“在外部市電中斷時怎么接入第二路市電和蓄電池等廣義的備電系統”。為此,本文希望通過對這兩個概念的重新解讀，從構成的邏輯上來梳理數據中心供電架構變化的脈絡。本文不討論供電架構的技術細節，后續圖中的示意也僅表示數據中心供電架構的邏輯關系，并不是配電結構的實際反映。

　　1 基于“供電”的數據中心供電架構的變化模式

數據中心“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據中心內部最底層的IT設備,從目前供電架構的發展看,這些IT設備可能是服務器,也可能僅僅是服務器去除電源部件PSU后的“板卡/芯片”部件。所以,所謂的數據中心供電架構模式,實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)數據中心電源集中供電模式

數據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變換后送到數據機房,在數據機房內經列頭柜將電能分配到每一個機柜,由機柜內的PDU將電能再分送到每一臺服務器。就目前的數據中心應用來看,這一模式是行業的主流,占比至少超過95%。其主要的優點是實現了動力設備與數據設備的物理隔離,實現了強、弱電專業管理的自然分區,安全性高。缺點是需要單獨設立動力室,并需要專業人員來負責維護。

(2)數據中心微模塊的分區供電模式

微模塊也是近年來數據中心行業的熱點,該模式如圖2所示,將變配電室送來的外部市電直接分區送到每一個微模塊機房的輸入配電模塊,由微模塊內的機柜式電源設備將變換后的電能送到輸出配電模塊,經分配后送到每一機柜的PDU,由機柜內的PDU將電能分送到每一臺服務器。該方案的供電架構特點是實現了從大電源設備到分區小電源設備的轉變,對于1000個機柜的數據中心來說,大約需要50～100套這樣的電源系統,節省的動力室空間,被拆分到每一個微模塊里。其主要優點是可以工廠定制化,把不可控的工程時間轉換為工廠化生產的可控時間。主要缺點是數據設備與動力設備,包括電池等化學能設備混裝在一個封閉的物理空間,如果動力系統發生炸機起火事故,可能危及數據系統。

(3)數據中心的機柜級分布式供電模式

數據中心的機柜級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服務器機柜的底部,一般視電源大小和后備時間長短(一般10kVA/10min內),約占4～6U左右的機柜空間。來自變配電室的電能直接送到列頭柜進行二次配電,二次配電后的電能經機柜內的機架式電源、PDU或匯流銅排向服務器供電。該模式既是最古老的供電方案又是最新的應用方式,上世紀90年代,因為大功率UPS電源設備價格奇高,很多數據機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內涵,比如電源模塊可以采用機架式HVDC代替機架式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。與微模塊供電架構相比,這一方案的電源分散性更大,對于1000個機柜的數據中心來說,就需要配置1000套這樣的電源,后續運行時的日常電源管理是很大的問題,盡管故障時可以熱插拔,但是電源系統偶發的短路起火、電池漏液等將是很大的安全威脅。當然,該方案也有可快速部署、沒有承重問題等優勢。

(4)數據中心的服務器級直接供電模式

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器供電的供電架構模式,目前該模式只有微軟、Google試驗過,如圖4所示。如果鋰電池在服務器等高熱環境下的安全性、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,這無疑是供電架構的終極目標,不僅實現了外部電能向服務器最有效地直接供電,也實現了最短路徑的備電。所以將來數據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的發展,最近報道的石墨烯電池的技術進展給這一應用創造了希望,但目前這一技術也還僅僅停留在實驗室階段。

2  基于“備電”的數據中心供電架構的變化模式

“備電”的概念就是儲能設備怎樣接入“供電”系統,來保證外部市電中斷時對數據負載的繼續供電。關鍵的指標是切換時間必須小于數據負載能承受的間斷時間。對于云數據中心來說,“備電”有兩層意義,第一層是外部市電中斷,怎樣接入儲能等“備電”設備;第二層是在一路供電系統完全中斷,怎樣接入“熱備、冷備或均載”的第二路供電系統。

圖5展示了數據中心的基本供電環節,我們可以設想將傳統UPS的儲能設備接入點以圖5中的1-2-3-4順序一步一步后移,即從電源設備內部、電源設備輸出端、機柜內部移到服務器內部,這不僅產生了全新的電源設備,還涵蓋了當前提出過的所有供電模式。

(1)傳統UPS供電模式

UPS供電模式采用在AC-DC-AC的兩級變換器中間點接入儲能設備,如圖6所示。目前,傳統UPS還是數據中心內應用最廣泛的供電模式,UPS在數據中心最初有兩大作用,一是凈化電源,二是后備電源。但是隨著電網供電品質的持續改善和服務器電源性能的不斷提高,UPS的凈化電源作用已經完全失去意義。目前數據中心用UPS,基本上就是用它的后備電源的功能。近年來,以效率高達99%的UPS交流直供運行模式來代替效率為95%或更低的傳統雙變換運行模式正在成為國外許多大型數據中心的選擇。UPS不僅可以實現單機、并機、2N供電,還可以實現如圖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。

(2)HVDC電源供電模式

將儲能的接入點移到電源設備的輸出端,自然就誕生了基于直流輸出的HVDC電源供電模式。當然,這一供電模式要求后續的負載能接受直流供電,但令人慶幸的是絕大部分的數據負載電源如服務器等,雖然是交流輸入設計,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能作為數據中心電源的理論基礎。圖7為HVDC供電模式與市電直供模式組成的2N供電系統(注意:這一市電直供途徑并不是HVDC電源的“旁路”,它不會實現不間斷的自動切換)。

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

但是將它大規模應用在數據中心領域,確實是國內電源界的一大應用創新,為后續供電模式的討論注入了新的活力。為了與通信用DC48V區別,加了“HV”來加以區分。早期的過度宣傳中,說HVDC“只有一級變換”、“高效節能”等,這純粹是誤導用戶,既不科學也不符合實際。就數據中心的應用來看,傳統UPS與HVDC應該各有千秋,兩者的結構特點見表1,選用什么電源取決于用戶的維護水平與利益權衡。

(3)天蝎服務器機柜供電模式把一個機柜內的所有服務器內置電源模塊PSU取出,整合在一起構成機柜級的DC12V電源輸出,同時把儲能后移到這一電源的輸出端,通過匯流銅排向不帶PSU的服務器集中供電,這就是發布的天蝎服務器機柜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,儲能設備依然在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,實現了市電向服務器機柜直接供電的供電模式轉變,圖8為采用兩路市電直接供電的天蝎2.5機柜的供電架構。

單從電源供電和節能的角度看,如果前端的電源效率已經達到了99%,采用這樣的電源架構是否還真的有必要,是一個需要全面評估的問題。其它諸如儲能設備移到機柜內的安全性問題,匯流排的低壓大電流問題,分布到機柜的海量集中式機柜電源的管理維護問題,將是后續應用需要認真關注的問題。

(4)FacebookOCP架構供電模式

從DC電源的電壓等級看,48V是DC電源中應用最廣的電壓等級之一,Facebook就采用這一電壓來構成它的OCP電源架構。這一架構的本質同樣也是將儲能移到臨近服務器機柜的專用電源柜內,消除了上一級的集中式電源設備,直接在機柜里設置48V充電器給儲能設備(鉛酸電池)充電。產生的DC48V作為備用電向服務器的PSU供電,而市電AC277V(美國制式的標準單相電壓,相當于中國的220V)作為服務器電源的主供電,如圖9所示。OCP架構需要定制服務器的PSU。據了解,這一模式僅僅作為Facebook對服務器供電架構的一種有益探索,并沒有形成大范圍的推廣,Facebook主流的數據中心依然采用傳統的UPS模式供電。

(5)微軟OCS服務器的LES架構供電模式和Google服務器

微軟的OCS服務器的LES架構與Facebook不同,它是把儲能設備(采用鋰電池)再向后端移動到服務器內部PSU的380V直流母線上,實現了更短距離對服務器板卡的供電,消除了上一級的電源設備,如圖10所示。儲能設備及其外加的變換電路直接并接在標準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電壓來實現電池的充放電,電壓選為DC380V可以達到更高的變換與傳輸效率。但是電池的備電時間不長,據報道小于1min,這與國內動則10幾分鐘的后備時間相差巨大。

   作為互聯網時代的巨頭,Google當然也不甘落后,也推出過自己的內置電池服務器,不同的是這種定制化服務器的電池為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部PSU轉換成12V進行供電,如果停電或主路供電遇到問題時,則由電池放電給服務器供電。相比于LES架構,Google服務器電池的位置又往后移動了一小段,更貼近“板/芯片”。

從目前了解的信息看,無論是微軟的LES架構還是Google服務器,雖然理論上在供電架構上實現了市電向服務器的直接供電,消除了中間變換環節的能源浪費和變換過程中諸多不可控的安全因素,但是實際上把鋰電池引入到服務器內部在目前的技術條件下可能導致的隱患更多,畢竟高強度的服務器運行環境不同于日?！靶蓍e式”的筆記本電腦。猜測這可能也是為什么這些運行模式并沒有在微軟和Google自身的數據中心大規模應用推廣的原因吧。

3 結束語

數據中心供電架構的本質還是解決“供電”和“備電”的問題,對“更直接供電—市電直接向服務器供電”和“更有效備電—儲能設備更靠近服務器板/芯片”的不斷追求,產生了各種各樣看起來有點神秘的供電方式,但是歸結起來看,供電架構發展的軌跡無非是集中供電和分散供電的不同表現形式而已,從上世紀90年代的分散供電,到2000年后的集中供電,再到現在業界對新的分散供電的追捧,歷史總是在驚人地輪回。至于實際建設中,選擇高度集中、微模塊集中、機柜集中還是完全服務器級分散的供電方式,需要數據中心建設者根據自己的設計定位、資金投入、近遠期規劃、運行管理等來綜合衡量,尤其是對建設成本與運行成本予以重點關注。

作者簡介

王偉,伊頓電氣集團電能質量業務部技術總監,本刊編委。

編輯：Harris

關鍵詞：ups電源參數http://lbjsjzl.com/list-3-1.html

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