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了解一下数据中心不间断西安整流电源架构演进!

作者:admin 发布日期:2019-6-13 关注次数: 二维码分享

西安电源系统

直流(HVDC)不间断西安电源系统尽管所有国家的市电都是交流,但是IT设备内部都采用直流供电,这就为直流供电提供了可能。事实上,通信行业采用直流48V供电已经有几十年的历史,电力行业也长期采用直流220V作为断路器等设备的操作和控制电源。

传统UPS设备存在效率低、可靠性差、灵活性和扩展性差、故障后不易修复等问题,所以业内一直在寻找替换UPS的方案。
国外早在上世纪90年代就提出高电压直流供电的方案,如1999年日本代表INTELEC上发布《290V直流供电系统是电信和数据高效和可靠的供电系统》。真正有效的推动直流供电大规模应用,却发生在国内,2007年,中国电信结合DC48V和DC220V系统,提出DC240V系统并应用在江苏省自用的数据机房。随后,中国移动提出了DC336V的系统。
图2是现有主流的高压直流供电系统图,与通信行业48V直流系统架构基本一致。与传统双转换在线式UPS系统的主要区别,是取消了逆变环节,蓄电池挂接在直流母线,与整流器并联,同时为IT设备供电。由于直流电源拓扑简单,因此故障率较UPS有所降低,因采用模块化设计,可在线维护。

现有典型高压直流供电系统图

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1DC240V or DC336V,电压等级的选择。
采用高压直流供电架构遇到的第一个问题就是电压等级的选择。涉及系统效率、元器件耐压、配电设备耐压、配电线路的金属消耗、与蓄电池的匹配、对现有IT设备电源的匹配等因素,重要的因素是对IT设备的兼容。
DC336V系统浮充电压为380V,采用单体2V电池168只,适用于有PFC电路的IT设备或专为直流电源研制的IT设备,其优点是配电线路的金属消耗量小,转换效率高。其主要缺点是对现有IT设备的兼容性不如240V直流系统。
DC240V系统浮充电压为270V,采用单体2V电池120只,对现有IT设备的兼容性极好,由于电压较低,因此对人身的安全性较好,其主要缺点是配电线路的金属消耗大,与DC336V相比,电源转换效率较低。
DC240系统在国内从提出到实施落地已经超过7年,保守估计,目前应有数以十万计的IT设备运行在DC240V系统下,其可行性得到较好的实践检验。其效率可以通过元件的选择以及采用离线架构(后文详述)弥补,将电源与负荷就近布置也可以抵消配电线路金属的消耗。综合考虑,建议选择DC240V。

2DC240V系统的IT设备兼容性
IT设备电源模块的前端一般是一个桥式整流电路,从原理上看,输入由AC220V替换为DC240V可以工作,另外,中国电信等公司也做过一些IT设备DC240V供电兼容性的测试,有些资料宣称兼容性达98%以上。
不论原理如何,也不论其他公司兼容性测试数据有多高,当决定选用DC240V直流供电后,必须进行系统的兼容性测试,建议的测试内容至少包括:正常电压、反复上下电、极性反接、误接地、欠压保护、缓慢上电、长时间工作7项内容。
一项对34款服务器、17款交换机所做的兼容性测试中,共有8款服务器电源、1款交换机电源不支持,服务器电源不兼容率高达24%;5款IT设备不支持正负极反接,这个需要在确定接口极性时特别注意;还有1款服务器在长时间(不小于3个月)测试中出现性能不稳定,经常宕机情况。有些双电源服务器的2个电源模块分别由不同的厂家提供,会有1个兼容另1个不兼容的情况。不做相关的测试,很难发现其中的问题,当大规模上线后再遇到问题,恐怕为时已晚。
3从在线到离线,节能到极致
与双变换在线式UPS应用类似,高压直流目前也以在线应用为主。所谓在线(Online),是指交流电能始终经HVDC整流后为IT设备供电,通常有6%以上的损耗;所谓离线(Offline),是指正常情况下市电直供IT设备,HVDC仅为蓄电池提供浮充,市电中断后,转由蓄电池供电,在这种架构下,正常情况为IT设备供电的电能不经过HVDC转换,此部分损耗几乎可以忽略。因此节能效果显著。图2.3.1–2.3.3显示了传统UPS、HVDCOnline、HVDCOffline在系统效率上的差异。

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百度推出的HVDCOffline供电架构
HVD COffline架构大的问题在于IT设备供电的兼容性。毫无疑问,这种架构需要定制IT设备电源。
简单的定制无需改变原有电源模块的硬件,只需修改控制软件,调整其中1个模块为热备状态,优点是实现简单,可靠性较高,缺点是热备模块的空载损耗较高;如果做更深度的定制,将备用模块处于休眠状态,可以进一步节省备用模块的空载损耗。
由于IT设备的峰值功耗和常载功耗有较大差异,另外IT设备的西安电源系统模块配置容量通常偏大,所以采用主备供电时,主用模块的负荷率容易进入效率较高区间,加上热备模块的空载损耗,IT电源的整体损耗与双路均分负载方式基本相当。
此方案还有一个潜在的收益,即IT设备主用模块负荷率提高后,输入端THDi明显降低,进一步降低谐波在线路及变压器上的传输损耗。

分布式不间断电源系统
UPS或HVDC通常采用集中式供电方案,集中式系统的优点是可以实现资源共享,降低成本,其缺点是系统故障范围大,影响面广。
UPS也有小型机分布式供电方案,但是多套分布式小型机系统与1套集中式大型UPS系统相比,小型机的数量多,故障点多,成本高,因此大中型数据中心不会采用分布式UPS系统。
尽管有如上问题,但是对于分布式不间断电源系统的探索,从来没有停止过。
1DC12V分布式系统
谷歌是很早进行服务器自研定制的互联网公司,同时也放弃了集中式UPS电源方案,转将蓄电池分布到每台服务器电源直流12V输出端。详见图3.1。

市电正常时,进入服务器电源转换成DC12V为服务器主板供电,同时为蓄电池提供浮充电源,市电停电后,由DC12V母线并联的蓄电池继续给主板供电,直到柴油发电机启动后回复交流供电。谷歌早期采用铅酸电池供电,因服务器内部高温导致铅酸电池故障率高,后改为锂电池方案。蓄电池的后备时间为分钟级(通常为1-3分钟)。
此方案的优点是大大简化了IT设备前端供电系统,缺点是服务器电源需要深度定制。
2DC48V分布式系统
Facebook于2011年公开了其自建数据中心的资料,供电系统采用DC48V离线备用系统。详见图3.2。
 FacebookDC48V分布式供电架构

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Facebook为每6个9kW的机柜配置1个铅酸蓄电池柜,输出为DC48V,服务器电源采用AC277V和DC48V双输入,市电正常时作为主用,市电中断后由蓄电池输出DC48V为服务器供电。蓄电池后备时间为45秒。此方案的系统效率与240VHVDCOffline方案及DC12V分布式系统相当。


3DC240V分布式系统
随着业内对数据中心能耗关注日益增强,国内近几年出现了一种新型的分布式DC240V电源设备,同样采用离线方案,市电正常时,直接输出市电电源,市电停电后,由内部锂电池提供DC240V输出。
这种方案的优势是IT设备无需定制,只要兼容DC240V供电即可。其缺点是电源内部存在AC220V和DC240V的切换,系统可靠性降低;锂电池串联数量多,单只电池故障会影响系统的可靠性。
从实际应用效果看,某互联网公司租用的数据中心一年中发生十几起电源故障,证明此架构还需完善。

总结和展望
根据以上讨论,可以看出数据中心不间断电源系统架构呈现如下两种趋势:
1
从在线到离线
UPS ECO模式、DC48V电池备用、DC12V电池备用、DC240V电池备用等本质上都是将电源离线,从而降低电源成本和运行损耗。
2
从集中到分布
随着锂电池等新型储能设备的发展以及大数据时代服务器快速部署、灵活扩展的需要,不间断电源设备正在从集中到分布。
供电架构只有更好,没有更好,选择与业务匹配的技术才是最佳选择。对于追求稳定可靠的银行客户,UPS双总线架构可能是稳妥的选择;对于追求低成本、快速发展的互联网企业,将更青睐于分布式锂电池方案。

另一种格式的总结和展望
过去,计算机作为一种非常娇贵的设备,双转换在线式UPS消除了市电电能质量问题,但带来了6-10%的电能损失以及其自身可靠性低的问题。
通过冗余可以提高系统可靠性,UPS发展出主备供电、N+1冗余并机、双总线、分布冗余等方案,相应带来的是成本和能耗的进一步增加。
为了避免UPS设备故障率高的问题,国内提出并已规模部署了直流240V电源系统,大部分IT设备可以直接兼容直流供电。
UPSECO模式是一种离线供电方案,虽然效率较高,但是解决不了UPS设备故障率高和不便于维护的问题。
Facebook提出了48V直流电源设备离线运行的方案,降低了西安电源系统设备投资和损耗。48V系统的缺点是电压低,电流大,配电设备容量大,配电距离近,不仅投资高,而且蓄电池需靠近服务器机柜布置。
国内蓄电池的品质差,易产生漏液、着火等故障,因此这种方案直接应用于国内风险非常大。百度提出了240V高压直流离线应用的技术方案,蓄电池安装在专门的电池室,有效控制了安全风险,同时电源设备成本节省70%,电源效率提高到99.5%。
DC12V分布式锂电池方案可以简化前端供配电系统,加快部署速度,但是国内动辄15分钟以上的后备时间与谷歌分钟级(据估计3分钟左右)的后备时间相比,锂电池的配置增加3-5倍,相应成本和安全风险都成比例增加。
随着国内数据中心前端配电系统及发电机自动控制系统的完善以及运营水平的提升,蓄电池的后备时间一定会缩短,分布式锂电池供电系统将在互联网等行业数据中心迎来春天。

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