孫發(fā)杰

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東 廣州 510663

引言

數(shù)據(jù)中心是海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、開(kāi)發(fā)的重要場(chǎng)景，需要保證持續(xù)的穩(wěn)定供電，避免因斷電出現(xiàn)信息丟失，影響數(shù)據(jù)中心后續(xù)正常運(yùn)營(yíng)。作為數(shù)據(jù)中心的重要應(yīng)用技術(shù)，電源技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量將會(huì)對(duì)我國(guó)許多行業(yè)未來(lái)發(fā)展產(chǎn)生間接影響，需要關(guān)注做好數(shù)據(jù)中心電源技術(shù)的研究工作?？紤]到電源技術(shù)具有更新迭代的特點(diǎn)，除基礎(chǔ)的技術(shù)應(yīng)用外，也需要合理研究數(shù)據(jù)中心電源技術(shù)的未來(lái)發(fā)展，探索數(shù)據(jù)中心的新發(fā)展道路。

1 數(shù)據(jù)中心電源技術(shù)應(yīng)用價(jià)值

在數(shù)據(jù)中心工作環(huán)境中，電源技術(shù)應(yīng)用價(jià)值主要集中在以下兩個(gè)方面：第一、電源智能化。在電源智能化技術(shù)中，可以根據(jù)供電電源的運(yùn)行情況，進(jìn)行故障的自我檢測(cè)與自動(dòng)報(bào)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排除故障，進(jìn)而降低整個(gè)數(shù)據(jù)中心的維護(hù)成本。技術(shù)人員也可以根據(jù)電源技術(shù)的反饋情況，隨時(shí)確認(rèn)供電電源設(shè)備工作狀態(tài)，并進(jìn)行必要的調(diào)整，保障數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運(yùn)行；第二、電源通用化。伴隨各個(gè)領(lǐng)域快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的設(shè)備數(shù)量也在不斷增加，設(shè)備的輸入輸出接口不通用的問(wèn)題，則成為影響數(shù)據(jù)中心電源技術(shù)高效應(yīng)用的阻礙。通過(guò)電源通用化技術(shù)，可以逐漸影響各類設(shè)置的生產(chǎn)單位統(tǒng)一生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)全行業(yè)的電源硬件設(shè)備的通用化，合理提升故障排查與處理效率，進(jìn)而助力數(shù)據(jù)中心電源技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)中心電源技術(shù)具體應(yīng)用

我國(guó)數(shù)據(jù)中心電源技術(shù)經(jīng)過(guò)多年時(shí)間的發(fā)展，逐漸形成以不間斷電源技術(shù)（Uninterruptible Power Supply，UPS）、高壓直流輸電技術(shù)（High Voltage Direct Curren，HVDC）、高壓直流技術(shù)等為主流的技術(shù)應(yīng)用模式，需要對(duì)這兩種電源技術(shù)的具體應(yīng)用展開(kāi)詳細(xì)分析。

2.1 UPS技術(shù)

2.1.1 直流UPS技術(shù)特點(diǎn)。基于直流UPS技術(shù)的數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)，將擁有良好穩(wěn)定性的直流電源，作為設(shè)備負(fù)載電流使用，對(duì)于諧波輸入分量降低具有良好效果，在保護(hù)電網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)境方面具有良好效果。為配置開(kāi)關(guān)電源的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供直流電源，通信設(shè)備的諧波干擾問(wèn)題得到有效解決，基本不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載末端的零接地電壓安全風(fēng)險(xiǎn)。而且，整個(gè)系統(tǒng)具有較為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)中心的允許需求，并聯(lián)若干個(gè)功能模塊，確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信設(shè)備得到最大化應(yīng)用，合理規(guī)避資源浪費(fèi)情況。以數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)為代表的大型直流供電系統(tǒng)，會(huì)應(yīng)用數(shù)字化模塊運(yùn)行模式，某個(gè)功能模塊出現(xiàn)故障時(shí)，可以使用正常的功能模塊及時(shí)替換，避免影響數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行，有效提升數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)檢修與維護(hù)效率[1]。

2.1.2 UPS技術(shù)運(yùn)行系統(tǒng)。基于UPS技術(shù)的數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)，已經(jīng)從原本的集中式交流UPS模式發(fā)展為分布式直流UPS模式，逐步淘汰鉛酸電池，使用供電效率更高的鋰電池，并由電力室做統(tǒng)一監(jiān)管。可以將基于UPS技術(shù)的數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)細(xì)分為以下幾種應(yīng)用模式。

應(yīng)用模式一：分布式鋰電源系統(tǒng)。針對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的供電需求設(shè)計(jì)的分布式鋰電源系統(tǒng)，其通過(guò)磷酸鐵鋰電池新技術(shù)取代以往的集中供電模式。相較于在電力室集中放置的閥控密封鉛酸電池，磷酸鐵鋰電池?fù)碛?倍~3倍的使用壽命，具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，可以直接放置在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架中，極大提升機(jī)房空間的利用效率與供電水平。磷酸鐵鋰電池的啟動(dòng)器擁有較大的啟動(dòng)電流，可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到深度放電效果，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的環(huán)境污染。特別是近些年我國(guó)磷酸鐵鋰電池產(chǎn)量提升、價(jià)格下降，數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)建設(shè)成本也得到有效控制?；赨PS技術(shù)的數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的電源模塊支持兩路網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出，在供電處理過(guò)程中，如果電網(wǎng)系統(tǒng)擁有正常的輸入條件，數(shù)據(jù)中心由電網(wǎng)直接供電；在市電發(fā)生中斷故障時(shí)，數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)會(huì)控制分布式鋰電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到高壓直流工作模式，數(shù)據(jù)中心由儲(chǔ)能鋰電池負(fù)責(zé)供電，以此保障數(shù)據(jù)中心的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。在應(yīng)用分布式鋰電源系統(tǒng)后，即使出現(xiàn)少量的設(shè)備故障問(wèn)題，也不會(huì)對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)正常運(yùn)行造成影響。如果出現(xiàn)輸入功率損失現(xiàn)象，電源系統(tǒng)則會(huì)自行切換到高壓直流工作模式，省略逆變器處理程序，進(jìn)入提升能源使用效率。而且，分布式鋰電源系統(tǒng)是在機(jī)柜中進(jìn)行分散放置，可以省略配置空調(diào)的資金投入，在后續(xù)維護(hù)方面，也可以有效降低資源消耗[2]。

應(yīng)用模式二：服務(wù)器主板直掛電池系統(tǒng)。為機(jī)架裝載的通信設(shè)備設(shè)置12V電池，結(jié)合UPS技術(shù)的分布式電源，構(gòu)成雙重備用能量設(shè)計(jì)，確保數(shù)據(jù)中心的所有服務(wù)器均具備電源供電與電池供電功能。在市電正常供應(yīng)時(shí)，直接由市電向服務(wù)器進(jìn)行直接供電，此時(shí)12V電池處于充電狀態(tài)；在市電供應(yīng)中斷時(shí)，電池會(huì)先進(jìn)行放電，再由分布式電源向數(shù)據(jù)中心供電。利用12V電池與通信設(shè)備的連接方式，可以有效降低電力資源在傳輸過(guò)程中的損耗問(wèn)題。但是，服務(wù)器主板直掛電池系統(tǒng)需要投入較多的電池，實(shí)際建設(shè)成本偏高，供電效率并沒(méi)有得到明顯提升。

應(yīng)用模式三：分布式電源架構(gòu)。末端服務(wù)器主板的電源系統(tǒng)呈現(xiàn)分散化的電池分布狀態(tài)，IT系統(tǒng)也呈現(xiàn)分散分布狀態(tài)。并且，距離末端服務(wù)器主板越近，也需要更高的通信設(shè)備運(yùn)行性能，對(duì)于電池控制也產(chǎn)生更高的標(biāo)準(zhǔn)?？s短電池從網(wǎng)絡(luò)到服務(wù)器主板末端的距離，可以有效降低能量轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)，提升電力資源的轉(zhuǎn)換效率，卻出現(xiàn)低壓側(cè)傳輸損耗提升的問(wèn)題，這意味著電源架構(gòu)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、建設(shè)成本等具有較大影響。根據(jù)UPS技術(shù)，將集中式電源架構(gòu)升級(jí)成分散式電源架構(gòu)，即通過(guò)240V高壓直流供電系統(tǒng)+磷酸鐵鋰電池的電源架構(gòu)，為數(shù)據(jù)中心的眾多設(shè)備提供電力資源。分散式電源架構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并以數(shù)據(jù)中心的機(jī)房設(shè)置情況，做模塊堆疊處理。整個(gè)數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)是在負(fù)載深處位置，有效縮短直流配電距離。相比于應(yīng)用模式二的服務(wù)器主板直掛電池系統(tǒng)，分布式電源架構(gòu)省略安裝大容量電池供電設(shè)備的環(huán)節(jié)，有效降低數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)建設(shè)的資金支出。而且，分布式電源架構(gòu)是整合集中式供電架構(gòu)與分散式供電架構(gòu)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)物，在應(yīng)用方面具有良好優(yōu)勢(shì)[3]。

2.2 HVDC技術(shù)

2.2.1 HVDC供電模式?；贖VDC技術(shù)的數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)，基本采用輸出二級(jí)配電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，即使用直流系統(tǒng)總輸出屏+電源列柜的組合供電方式，為設(shè)備機(jī)架提供電力資源。如果數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)容量偏大，或是數(shù)據(jù)中心的規(guī)模較大，擁有較多的運(yùn)行設(shè)備，也可以采用三級(jí)配電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，即在二級(jí)配電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式技術(shù)基礎(chǔ)上，增加機(jī)房直流分配屏設(shè)計(jì)內(nèi)容。相比UPS技術(shù)，HVDC技術(shù)允許電池直接連接HVDC的輸出端，并通過(guò)浮充模式進(jìn)行充電，并沒(méi)有設(shè)置獨(dú)立的電池充電器。HVDC的供電系統(tǒng)采用直流+/–級(jí)的母線供電模式，可以從根本上解決通信設(shè)備的零地電壓?jiǎn)栴}，如圖1所示。如果需要調(diào)整機(jī)柜容量，或是在機(jī)房?jī)?nèi)調(diào)整機(jī)柜位置，可以通過(guò)專用配電母線的即插即用技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)整[4]。

圖1 HVDC供電模式結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 HVDC與傳統(tǒng)UPS技術(shù)對(duì)比。同為數(shù)據(jù)中心電源技術(shù)，HVDC與UPS均能滿足數(shù)據(jù)中心的供電需求，兩者在技術(shù)層面有一定差別，可以從系統(tǒng)可靠性、電能利用效率兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

方面一：系統(tǒng)可靠性對(duì)比。UPS向通信設(shè)備輸送380V/220V的交流電，閥控密封鉛酸電池輸送直流電。如果發(fā)生市電中斷情況，此時(shí)在閥控密封鉛酸電池的電力資源無(wú)法直接提供給通信負(fù)載，需要利用DC/AC的逆變器，把閥控密封鉛酸電池的直流電轉(zhuǎn)變成交流電，才能滿足通信設(shè)備的使用需求。這意味著如果市電可以保持正常供應(yīng)狀態(tài)下，UPS逆變器無(wú)法正常運(yùn)行，即便是閥控密封鉛酸電池?fù)碛谐渥銉?chǔ)能、備用發(fā)電機(jī)狀態(tài)正常，也會(huì)出現(xiàn)通信設(shè)備無(wú)法正常使用的問(wèn)題，具有明顯的單點(diǎn)故障問(wèn)題。相比于UPS，HVDC向通信設(shè)備提供電力資源時(shí)，擁有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：第一、HVDC的電池與配電模塊保持直接連接狀態(tài)，可以將電力資源直接輸送給通信設(shè)備，在省略逆變器的逆變程序時(shí)，可以有效降低電力資源供應(yīng)的故障問(wèn)題；第二、HVDC在進(jìn)行供電時(shí)，僅有一個(gè)幅值的電壓差，將電壓控制到通信設(shè)備的額定功率即可，不會(huì)出現(xiàn)頻率同步或相位同步其他問(wèn)題。

方面二：電能利用率對(duì)比。單套基于UPS技術(shù)的數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)具有一定的單點(diǎn)故障問(wèn)題，為有效提升其運(yùn)行安全性，會(huì)采用主-備組合模式進(jìn)行供電，這會(huì)出現(xiàn)50%的冗余問(wèn)題。如果設(shè)置主-主-備的組合模式，仍然存在34%的冗余度。而且，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，基于UPS技術(shù)的數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)并不會(huì)保持滿負(fù)荷運(yùn)行。如果根據(jù)80%容量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，UPS擁有47%的冗余度。而且，在諸多使用案例中也可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)安全穩(wěn)定性與UPS冗余度存在較為嚴(yán)重的矛盾問(wèn)題?；贖VDC技術(shù)的數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)，擁有更高的通信設(shè)備負(fù)載率，則會(huì)擁有更高的HVDC利用率。HVDC的電能轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)較少，可以省略DC/AC的逆變器逆變環(huán)節(jié)。使用240V直流電的HVDC，也不會(huì)出現(xiàn)諧波干擾現(xiàn)象，可以有效控制電力資源輸送期間出現(xiàn)的電纜發(fā)熱問(wèn)題?；贖VDC技術(shù)的數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)功能模塊的直接并聯(lián)，功能模塊利用效率超過(guò)80%。相比于傳統(tǒng)UPS供電模式，HVDC供電模式可以減少20%的電力資源消耗[5]。

2.3 高壓直流技術(shù)

基于220V電力電源、48V通信電源技術(shù)的240V高壓直流技術(shù)，允許數(shù)據(jù)中心的大多數(shù)通信設(shè)備不用做額外改造，直接開(kāi)展適配供電作業(yè)。而且，在240V高壓直流技術(shù)在供電效率方面，可以達(dá)到96%的效果，擁有良好的運(yùn)行可靠性，允許熱插拔，也是我國(guó)數(shù)據(jù)中心電源技術(shù)重要的研究方向?，F(xiàn)階段，我國(guó)各地的數(shù)據(jù)中心約有10萬(wàn)臺(tái)的通信設(shè)備由240V高壓直流設(shè)備供電。比如典型的雙電源服務(wù)器，供電架構(gòu)采用一路市電直供，一路240V高壓直流供應(yīng)。對(duì)于數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器電源，其內(nèi)部采用自動(dòng)均流模式，此時(shí)的市電與240V高壓直流分別承擔(dān)整個(gè)數(shù)據(jù)中心的一半負(fù)載。對(duì)于市電直供支路，在理論上供電效率可以達(dá)到100%的水平，根據(jù)數(shù)據(jù)中心運(yùn)行情況設(shè)計(jì)的240V高壓直流供電系統(tǒng)，可以通過(guò)節(jié)能休眠控制模式，獲得94%~96%的供電效率，利用這種均分負(fù)載供電模式，在供電效率方面可以達(dá)到97%~98%的水平，要比常規(guī)的UPS供電架構(gòu)的供電效率更高。在運(yùn)行過(guò)程中，可以向數(shù)據(jù)中心提供穩(wěn)定的電力資源供應(yīng)，還能達(dá)到接近準(zhǔn)市電直供技術(shù)的供電效率。如果數(shù)據(jù)中心的單電源服務(wù)器數(shù)量偏少，也可以選擇直接掛接的方式，與240V高壓直流支路進(jìn)行連接，以便獲得更高效率的電力資源供應(yīng)。也可以考慮在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器電源設(shè)置主從設(shè)置，或是增加休眠電源的功能，這種模式下的高壓直流技術(shù)供電效率可以達(dá)到99%。

3 數(shù)據(jù)中心電源技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向

3.1 提升功率密度

伴隨數(shù)據(jù)中心管理單位不斷發(fā)展，會(huì)設(shè)置更多的運(yùn)行設(shè)備，導(dǎo)致機(jī)房溫度逐漸提升。但是，通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)機(jī)房進(jìn)行制冷處理，在一定程度上又會(huì)提升能源消耗量。想要保證機(jī)房?jī)?nèi)部的溫度平衡，就需要保證通信電源擁有良好的運(yùn)行功率，以及較高的功率密度，避免出現(xiàn)通信設(shè)備過(guò)熱損壞。未來(lái)數(shù)據(jù)中心電源技術(shù)的突破點(diǎn)，將會(huì)是電源的功率密度、運(yùn)行功率等內(nèi)容。

3.2 智能監(jiān)控管理

在電源智能化技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理（Data Center Infrastructure management，DCIM），針對(duì)以服務(wù)器為代表的IT基礎(chǔ)架構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)等基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行智能化監(jiān)控管理。結(jié)合三維立體數(shù)據(jù)模型與仿真技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)中心電源技術(shù)的可視化處理，配合7day×24hour的視頻監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)化監(jiān)控。如果出現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)問(wèn)題，可以直接調(diào)取時(shí)間節(jié)點(diǎn)前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析基礎(chǔ)架構(gòu)的具體運(yùn)行問(wèn)題，進(jìn)而提升整個(gè)數(shù)據(jù)中心的管理效率與質(zhì)量。

3.3 數(shù)字化控制

全產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展方向?qū)?huì)是數(shù)字化發(fā)展模式，通過(guò)控制電源技術(shù)的使用穩(wěn)定性與制造成本，實(shí)現(xiàn)電源行業(yè)的全面革新發(fā)展，并為數(shù)據(jù)中心提供更為可靠的數(shù)字化管理?xiàng)l件。

4 結(jié)語(yǔ)

在數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景下應(yīng)用電源技術(shù)時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行需求做詳細(xì)分析，結(jié)合本文理論內(nèi)容，設(shè)計(jì)一套匹配數(shù)據(jù)中心可用資源的電源技術(shù)應(yīng)用方案。在方案執(zhí)行過(guò)程中，則要根據(jù)數(shù)據(jù)中心近一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)處理情況，對(duì)方案細(xì)節(jié)內(nèi)容做優(yōu)化處理，確保數(shù)據(jù)中心電源技術(shù)得到更高效率的應(yīng)用，提升數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)利用效率，為相關(guān)領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。