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一種可靠、高效、靈活的數據中心機房供電解決方案
  • 隨著中國移動數據業務迅速發展,中國移動各地數據機房將陸續建設,如何合理設置機房供電系統,對節能、節地都起著至關重要的作用。本文結合通信電源新產品、新技術應用,提出了一種可靠、高效、靈活的數據中心機房供電解決方案。

    中國移動正規劃建設多個集團級和更多數量的省級數據中心,這些數據中心將優先采用云計算和虛擬化技術,以及倉儲式、模塊化機房的建設模式,具有規模大,用電負荷密度高、總功率大、空間緊湊等特點。同時集團公司對規劃建設的數據中心提出了低成本、低能耗、擴展靈活的目標。因此對機房供電系統的可靠性、經濟性、可擴展性、運行維護成本、節能環保和占地空間等提出了更高的要求。
      
      本文通過對通信電源新產品、新技術應用分析,提出了新型全分散供電結構、336V高壓直流電源和鋰電池的應用,來實現建設高可靠性、高維護性、高效節能和高靈活性的數據中心機房供電系統。
      
      1 新型全分散供電結構
      
      (1)新型全分散供電結構形式
      
      新型全分散供電結構是指將不間斷電源系統(含電池)分散安裝在用電設備的列頭或列間,就地為ICT設備供電。全分散供電系統主要由電池柜、電源機柜和配電柜組成,其組成示意圖如圖1所示:
      
      (2)新型全分散供電結構特點
      
      ①可取消電力電池室的建設,節約機房前期土建建設成本
      
      由于將電源設備(含電池)分散到ICT設備機房內部安裝,無需再單獨設置電力電池室,這樣可減少機房前期土建建設成本,更能提高機房的利用率;?
      
      ②柔性規劃,按需擴容,實現邊成長邊投資的建設模式?
      
      選擇模塊化電源設備建設,電源系統容量可以根據機房的實際容量需求配置,逐步擴容,無需在建設初期一次性按最大容量建設,只要在機房初期規劃好配電容量即可;?
      
      ③電源系統結構簡單,可靠性高?
      
      從電源系統組成方面來看,全分散供電電源系統組成相對傳統集中供電電源系統組成簡單,系統可靠性非常高。全分散供電系統完全貼近通信設備供電,省去了輸出配電屏到列頭柜間的供電環節,通過系統可靠性計算,全分散供電系統可用度可達到99.999999%;?
      
      ④電源系統效率高,節能效果明顯?
      
      選用高效電源設備,電源系統效率能夠達到95%以上,與傳統“1+1”UPS冗余系統相比,電源系統效率可提高5%~10%;?
      
      ⑤電源系統配置靈活,可滿足不同等級通信設備的用電需求?
      
      由于電源設備安裝在每列設備的列頭或列間,可根據通信設備供電等級要求,采用單電源或雙電源系統供電。因此,當機房全部采用全分散供電結構后,可以隨時應對同ICT設備的供電需求,?提高了工作效率;?
      
      ⑥電源設備安裝緊湊,提高了機房通信設備的裝機率?
      
      由于列頭電源設備均采用19″標準機柜安裝,設備安裝緊湊,占地面積小,拆裝方便,所以搬遷容易、快捷、無浪費或少浪費,隨時可滿足機房區域調整的需求。?
      
      (3)新型全分散供電結構對設備的選型要求
      
      為了能夠在同一機房內與ICT設備機柜同列安裝,與ICT設備機柜保持風格一致,電源設備選型配置要求如下:
      
      ①電源機柜、配電柜和電池柜尺寸要求為標準19″機柜;?
      
      ②電源設備應采用高可靠性的模塊化電源(如組合式高壓直流),電源系統容量可根據需要進行擴容;?
      
      ③電池應選用大電流放電特性好,占地面積小、重量輕,無酸霧,適合在標準19″機柜內安裝的蓄電池(如鋰電池);?
      
      ④電源系統應有完善的監控管理功能,并能夠接入機房動力環境監控系統,實現統一管理。?隨著通信電源技術的發展,模塊化電源和新型鋰電池在通信行業的廣泛應用,現有的新型電源產品(如高壓直流和鋰電池等設備)完全能夠滿足全分散供電方式電源設備的配置選型要求,為我們創造了采用全分散供電結構的條件。?
      
      2 336V高壓直流電源應用
      
      高壓直流供電系統(HVDC)是近幾年正在研究的一種集中了UPS供電系統和-48V直流供電系統的優點為一體的新型供電系統。?
      
      336V(標稱電壓)高壓直流電源是中國移動提出的面向未來全新的供電方案,這與國際上提出380V的運行電壓是一致的,具有國際先進水平。?
      
      (1)336V高壓直流電源技術特點
      
      336V高壓直流供電系統克服了傳統UPS供電系統效率低、可擴展性差、可靠性低、成本高等弊病,具有電路簡單、變換少、可靠性高、效率高、體積小、成本低等優點。其與傳統UPS供電系統內部結構對比如圖2所示。?
      
      336V高壓直流供電系統可以很好地解決交流UPS存在的諸多問題,各種參數對比見表1。
      
      (2)336V高壓直流電源供電方案
      
      根據服務器輸入電壓的不同,336V高壓直流電源在數據中心中供電方案主要有以下兩種:?方案一:選用輸入電壓為12V直流服務器,通過在服務器機架中部配置336V/12V的嵌入式電源,集中為12V直流服務器供電。
      
      12V直流服務器應用已非常成熟,目前阿里巴巴、谷歌、Facebook數據中心均選用的12V直流服務器。?
      
      方案二:選用輸入電壓為400V直流服務器,直接采用336V高壓直流系統供電。
      
      目前國際上400V高壓直流電源接口標準已于2012年2月份發布,HP、IBM等企業將陸續推出400V直流服務器。?
      
      (3)336V高壓直流電源產品成熟度
      
      目前國內主要通信電源廠家(如華為、艾默生、志成冠軍、中達、動力源、核達中遠通等)均研發生產出高效率(95%以上)的336V直流電源產品和高效率(94%以上)的336V/12V嵌入式電源或PSU,大部分廠家參與了中國移動336V高壓直流電源試點應用工程,從系統各項測試結果來看,產品的各項指標參數完全適用通信和數據設備的供電需求。?
      
      隨著國內外高壓直流相關標準的陸續發布和產業鏈的成熟,通信電源廠家將推出各種類型的336V直流電源及相關配套產品,相信336V高壓直流電源供電方案將成為數據中心高效供電解決方案。?
      
      (4) 數據中心ICT設備336V直流供電支持情況
      
      ①ICT設備336V直流供電原理
      
      目前ICT設備主要以交流供電為主,交流電源模塊(PSU)主要有兩種,ATX標準電源和SSI標準電源,其簡化的電路拓撲結構如圖3所示。交流220V輸入先經過EMI濾波、整流、PFC電路,變換成380V左右的直流,然后再將380V直流經過DC/DC電路變換成12V直流,12V直流通過分壓電路獲得0.8~5.0V直流電壓提供給ICT設備電子負載使用。
      
      對于采用交流電源模塊供電的ICT設備,可以將其交流電源模塊替換為336V直流電源模塊完成直流化升級。336V直流電源模塊的電路拓撲結構見圖4。相比交流電源模塊,省去了整流、PFC這些AC/DC電路,直接將336V直流經過DC/DC電路變換成12V直流,12V直流通過分壓電路獲得0.8~5.0V直流電壓提供給ICT設備電子負載使用。因變換環節和電路的簡化,336V直流電源模塊比交流電源模塊的可靠性、效率更高,成本更低。
      
      從以上拓撲結構圖的對比可以看出,ICT設備交流電源模塊和336V直流電源模塊有以下共同點:?
      
      ?ICT設備內部基礎工作電壓均為12V直流,通過分壓電路獲得0.8~5.0V直流電為電子負載供電。無論外部輸入交流還是直流最后都需要轉換成12V以下直流電壓為電子負載供電。
      
      ?DC/DC環節均備電氣隔離?
      
      對ICT設備的電子負載來說,交流電源模塊和336V直流電源模塊輸出電源要求相同,交流電源模塊供電的ICT設備在更換電源模塊后可以采用336V直流電源供電。?
      
      ②現有ICT設備336V直流供電支持情況
      
      數據中心主流應用的設備有路由器、交換機(盒式交換機、框式交換機)、服務器(機架式服務器、刀片式服務器)、存儲磁陣、防火墻設備等,這些設備中的大多數是采用交流電源模塊供電,這些交流電源模塊部分是可插拔的獨立的模塊,部分是固定安裝在設備內部的獨立模塊。這些主流設備,大多數都可以通過將交流電源模塊更換為直流電源模塊的方式,支持336V直流供電應用。但目前的路由器、交換機等網絡設備一般沒有內置交流電源模塊或者48V直流電源模塊,不能通過更換電源模塊的方式支持336V直流。設備內部的業務單板、控制單板等部件,也不能支持336V直流直接輸入供電。因此,路由器、交換機等網絡設備需要通過外置336V轉48V直流電源框的方式來實現支持336V直流供電。未來,隨著路由器設備供電架構的演進,也會出現內置336V直流電源模塊的供電架構,直接支持336V直流供電。?
      
      以華為公司生產的ICT設備為例,數據中心ICT設備支持336V直流供電情況如表2所示。?
      
      3 鋰電池應用
      
      鋰電池是一種新型電池,目前主要應用在電動汽車領域,自2010年起,中國移動已經開始在一些移動通信基站和高壓直流供電系統設備的測試系統中試用,探索中國移動引入鋰電池的安全性、適用性和經濟性。?
      
      (1)鋰電池技術特點
      
      鋰電池與傳統鉛酸電池相比,具有環境污染小、適用溫度范圍寬、循環壽命長、高溫性能好、充電效率高、能量比高(占地面積小、重量輕)等優點。磷酸鐵鋰電池與傳統鉛酸電池對比分析如表3所示。?
      
      從表3對比分析來看,鋰電池非常適合大電流短時間放電場合,因此對于高密度數據中心建議優先考慮配置鋰電池,特別是與高壓直流電源配合使用,供電結構簡單,可靠性高,占用空間小,能完全實現全分散供電結構的要求。
      
      (2)鋰電池應用方案
      
      目前,在通信行業,鋰電池產品主要以48V電池模塊(由16節3.2V電芯組成)形式出現的,當與336V直流電源配合使用時,選擇7個48V鋰電池模塊串聯成336V鋰電池組使用。?
      
      由于鋰電池必須使用BMS(電池管理系統),且需要對每個3.2V單體進行監測和控制,以保證電池的一致性,但單一BMS管理100只以上的單體電池難度也很大。?
      
      針對此問題,我們提出了336V鋰電池組雙層管理模式,底層為單元BMS,對單個48V鋰電池模塊進行監測和管理;上層為系統BMS,綜合處理底層7個BMS單元的監測信息和管理要求,同時與336V直流電源監控模塊進行通信,來實現對336V鋰電池組內部電芯進行管理,確保電池充放電的安全。?
      
      (3)鋰電池產品成熟度
      
      目前國內外主要鋰電池廠家(如LG、比亞迪、雙登等)均研發生產出能夠與336V直流電源系統配套的電池產品,并進行了與336V直流電源配合應用測試,從測試數據來看,高質量的鋰電池能夠在數據中心機房中安全使用。?
      
      4 結束語
      
      目前中國移動正積極開展通信電源新技術、新產品的應用研究,如在新型數據中心哈爾濱試點工程、呼哈基地中已采用了336V直流電源和鋰電池供電方案。隨著通信電源新技術的不斷發展應用,通信電源設備可靠性的提高,以及數據中心機房規劃、設計、建設人員和維護人員的觀念的革新,相應的產品標準、建設規范的完善,我們相信全分散供電結構、336V高壓直流和鋰電池的應用必將成為數據中心機房中一種主要供電解決方案。
      
      作者簡介
      
      李玉昇,2005年畢業于南京郵電大學,本科,中國移動通信集團設計院有限公司高級咨詢設計師,主要從事通信電源專業設計咨詢工作,負責通信電源新技術、新產品研究與應用,通信局站和數據中心動力方面的規范編制、科研規劃及課題研究等工作。
      
      編輯:Harris

     

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