近年來，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，IT設(shè)備需求呈爆發(fā)性增長趨勢(shì)，相應(yīng)的，作為IT設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施的載體，各地?cái)?shù)據(jù)中心開始了前所未有的大規(guī)模建設(shè)。作為數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的供電系統(tǒng)，因其投資額度大、占地面積多、運(yùn)行效率直接關(guān)系運(yùn)營成本而受到越來越多的關(guān)注，對(duì)其可用性和能效性提出了越來越高的要求。
供電系統(tǒng)涵蓋內(nèi)容廣泛，設(shè)備種類繁多，在不同的供電體制下(如典型的蘇制和美制供電系統(tǒng))架構(gòu)也會(huì)有所不同，但前端供電系統(tǒng)一般不是用戶能決定的，而為IT設(shè)備直接供電的末端供電系統(tǒng)實(shí)際在很大程度上影響著數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)營成本，因此，本文將主要論述末端IT設(shè)備的供電系統(tǒng)典型方案和發(fā)展趨勢(shì)。
數(shù)據(jù)中心主流IT設(shè)備供電方案
一、不間斷電源主用方案
1.1 AC UPS方案
幾十年來，為解決數(shù)據(jù)中心內(nèi)IT設(shè)備的供電間斷和供電波動(dòng)等電能質(zhì)量問題，數(shù)據(jù)中心一直采用AC UPS+后備電池方案，由AC UPS提供符合電能質(zhì)量需求的供電波形，由后備電池解決供電的短時(shí)中斷，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛而成熟的應(yīng)用。但近年來，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模的越來越大，用戶對(duì)數(shù)據(jù)中心能效和可用性的要求也越來越高，該方案固有的效率低和可用性差等缺陷越來越不為用戶接受。事實(shí)上，采用單機(jī)AC UPS供電時(shí)，在負(fù)荷率較高情況下，可以達(dá)到90%甚至更高的系統(tǒng)效率，但實(shí)際項(xiàng)目中通常會(huì)根據(jù)不同可用性的需求，大量采用N+1或2N系統(tǒng)配置，因冗余度較高而導(dǎo)致實(shí)際負(fù)載率較低，直接導(dǎo)致了實(shí)際系統(tǒng)效率僅約80%-90%，甚至更低。這意味著在一個(gè)IT負(fù)載為1000kW的數(shù)據(jù)中心中，僅AC UPS及其相應(yīng)制冷損耗就耗費(fèi)了約200kW，能效過低。另外，AC UPS因其自身原理特性，系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部器件繁多，導(dǎo)致其可靠性差(尤其是輸出端的靜態(tài)開關(guān)切換時(shí)容易產(chǎn)生瞬斷)，維護(hù)難度大，實(shí)際可用性較低。典型方案詳見下圖。
1.2 HVDC方案
為解決AC UPS存在的固有問題，從1999年起，法國電信等機(jī)構(gòu)陸續(xù)開始了對(duì)高壓直流系統(tǒng)的研究(以下簡稱HVDC，與后述48V DC UPS同屬DC UPS)，國內(nèi)自2007年開始逐步嘗試，目前，高壓直流的主流方案是國內(nèi)的240V、336V和國外的380V等形式。由于絕大多數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)交流輸入設(shè)備不用任何改造就可直接采用240V直流供電，因此國內(nèi)主流運(yùn)營商已開始逐步大面積推廣240V HVDC系統(tǒng)，目前在用IT設(shè)備已超過10萬臺(tái)，應(yīng)用逐漸趨于成熟，預(yù)計(jì)將來會(huì)呈指數(shù)型增長。而336V、380V等電壓等級(jí)的高壓直流需要專門定制服務(wù)器電源，對(duì)于上百種的數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備而言定制推廣難度過大，且配套的配電系統(tǒng)目前還不夠成熟，因此目前實(shí)際使用極少，僅存在試點(diǎn)狀態(tài)。故本文下述僅討論相對(duì)成熟的240V HVDC系統(tǒng)，HVDC相對(duì)傳統(tǒng)AC UPS而言，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡化。詳見下圖。
HVDC系統(tǒng)與傳統(tǒng)AC UPS系統(tǒng)相比有諸多優(yōu)勢(shì)：
可用性：拓?fù)浜唵?，電池直接掛在輸出母線上，可靠性高;插拔式設(shè)計(jì)，可在線擴(kuò)容、不掉電割接，便于維護(hù)。實(shí)際可用性顯著高于傳統(tǒng)AC UPS系統(tǒng)。
建設(shè)成本：HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，模塊冗余度相對(duì)較低，滿足同樣可用性需求的1000kW IT負(fù)載時(shí)，HVDC系統(tǒng)配置較AC UPS系統(tǒng)配置低約30%。國內(nèi)HVDC市場(chǎng)仍處于逐步成熟期，HVDC系統(tǒng)的單kVA造價(jià)較AC UPS略高，但隨著將來市場(chǎng)的進(jìn)一步成熟，滿足同樣容量和可用性需求的HVDC系統(tǒng)較AC UPS系統(tǒng)的建設(shè)投資有望降低約20%以上。
運(yùn)行效率：雖然兩種方案的單機(jī)設(shè)備在一定負(fù)載率下的效率相差無幾，但因HVDC系統(tǒng)整流模塊采用小容量的N+1冗余，冗余度相對(duì)較低，且具備模塊休眠功能，故其整流模塊始終能運(yùn)行在50%-80%的高負(fù)載率區(qū)間，使得實(shí)際運(yùn)行效率可以達(dá)到92%以上。比傳統(tǒng)AC UPS的實(shí)際效率高出約10%-15%。
1.3 小結(jié)
HVDC系統(tǒng)以其在系統(tǒng)效率、可靠性、可維護(hù)性及建設(shè)成本等方面的突出優(yōu)勢(shì)，將逐步取代傳統(tǒng)AC UPS。傳統(tǒng)AC UPS行業(yè)后來雖衍生出了模塊化UPS等技術(shù)分支，部分解決了傳統(tǒng)UPS負(fù)載率低、分期建設(shè)難、可擴(kuò)展性差等問題，但由于多模塊的交流并機(jī)復(fù)雜性、單點(diǎn)并機(jī)板、異常轉(zhuǎn)旁路、電池掛接在逆變器前逆變損壞等風(fēng)險(xiǎn)都無法和HVDC技術(shù)媲美，因此只能是有短暫局部應(yīng)用的過渡性技術(shù)，無法徹底改變其固有技術(shù)特性，AC UPS已經(jīng)逐步邊緣化。
二、市電+不間斷電源共用方案
目前，市面上大部分的1U和2U服務(wù)器均設(shè)置雙路電源模塊，雙路電源模塊經(jīng)過各自整流降壓后，并聯(lián)輸出至服務(wù)器主板等最終用電設(shè)備，在一路電源模塊故障或單路電源中斷時(shí)不會(huì)直接導(dǎo)致服務(wù)器斷電。近年來，隨著市電供電質(zhì)量的逐步提升、服務(wù)器電源模塊適應(yīng)性增強(qiáng)和用戶對(duì)AC UPS能效過低等方面的不滿，為兼顧建設(shè)成本、系統(tǒng)效率和可用性的提升，部分用戶開始嘗試采用1路市電+1路AC UPS同時(shí)供電的方案;而后，隨著HVDC的逐步成熟，部分用戶也開始嘗試采用1路市電+1路HVDC同時(shí)供電的方案。
2.1 市電+ AC UPS方案
國內(nèi)最初的應(yīng)用來自百度公司2009年的自建機(jī)房，采用了1路市電+1路AC UPS的嘗試，在保證了較高可用性的基礎(chǔ)上，建設(shè)投資縮減近半，運(yùn)行效率提升5%以上，百度也在后續(xù)大規(guī)模機(jī)房建設(shè)中有部分應(yīng)用。詳見下圖。
可用性：近年來國內(nèi)供電質(zhì)量穩(wěn)步提升，電力公司可承諾的供電可用性均可達(dá)到99.9%，1路市電+1路AC UPS配置的系統(tǒng)可用性可達(dá)7-8個(gè)9，與傳統(tǒng)2N配置的AC UPS相比相差不多，可滿足T4級(jí)供電可用性要求，高于傳統(tǒng)N+1配置輸出假雙路至末端負(fù)載的系統(tǒng)可用性(5個(gè)9)。自應(yīng)用以來，根據(jù)幾年的運(yùn)維實(shí)際觀察，市電閃斷或波形變動(dòng)對(duì)服務(wù)器斷電沒有直接影響，市電供電也未給服務(wù)器電源模塊運(yùn)行帶來明顯故障率提升，實(shí)際可用性可以接受。
建設(shè)成本：與傳統(tǒng)2N配置AC UPS系統(tǒng)相比，建設(shè)投資縮減近半。與傳統(tǒng)N+1配置的AC UPS系統(tǒng)相比，投資略低。
運(yùn)行效率：因市電側(cè)供電效率接近于1，故在負(fù)荷率配置適宜的場(chǎng)所，實(shí)際末端配電系統(tǒng)效率可達(dá)到95%。較2N配置的AC UPS系統(tǒng)高出約10%，較N+1配置的AC UPS高出約5%。
2.2 市電+ HVDC方案
隨著HVDC的逐步成熟，在1路市電+1路AC UPS的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，國內(nèi)部分公司和運(yùn)營商已開始逐步嘗試推廣1路市電+1路HVDC共用的供電方案，目前已經(jīng)在各大基地型數(shù)據(jù)中心開始規(guī)模應(yīng)用，預(yù)計(jì)將會(huì)是國內(nèi)數(shù)據(jù)中心未來五年的主流發(fā)展趨勢(shì)。詳見下圖。
可用性：因HVDC系統(tǒng)自身可用性高于AC UPS系統(tǒng)，故1路市電+1路HVDC配置的系統(tǒng)可用性可達(dá)8-9個(gè)9，高于1路市電+1路AC UPS配置的系統(tǒng)。
建設(shè)成本：與1路市電+1路AC UPS配置的系統(tǒng)相比，目前建設(shè)投資略低，將來有望降低約20%以上。
運(yùn)行效率：市電側(cè)供電效率接近于1，且HVDC本身具備模塊休眠功能，故實(shí)際末端配電系統(tǒng)效率可達(dá)到96%，較1路市電+1路AC UPS配置的系統(tǒng)高出約1%。
2.3 小結(jié)
1路市電+ 1路AC UPS共用供電的方案開啟了市電與AC UPS或HVDC等電源共同供電的先河，在更優(yōu)化的技術(shù)成熟前，相對(duì)較優(yōu)的1路市電+1路HVDC共用的方案將會(huì)成為國內(nèi)未來5年的主流應(yīng)用方案。
三、市電主用方案
前述各種主流應(yīng)用方案，無論是AC UPS(或HVDC)主供還是市電+AC UPS(或HVDC)共用，因AC UPS(或HVDC)全部或部分供電的存在，末端系統(tǒng)效率最多可提升至約96%。是否還有進(jìn)一步提高至99%甚至接近100%的理想供電效率的空間?是否能夠采用市電主供，不間斷電源備用的可能?以下幾個(gè)典型案例具備示范性意義：
3.1 集中式市電主用方案
在1路市電+1路HVDC共用實(shí)驗(yàn)成功并在國內(nèi)推廣后，百度公司開始了采用1路市電主供+1路HVDC備用的嘗試。雙電源服務(wù)器的2路輸入電源一路引自市電，另一路引自HVDC系統(tǒng)，正常時(shí)服務(wù)器由市電單路供電，HVDC系統(tǒng)電池處于充電狀態(tài)，市電路停電時(shí)，由備用電池系統(tǒng)快速切換給另外一路服務(wù)器電源供電。此系統(tǒng)架構(gòu)與1路市電+1路HVDC共用的系統(tǒng)架構(gòu)完全一致，只需服務(wù)器兩路電源模塊具備主從等備用設(shè)置功能即可。詳見下圖。
此方案架構(gòu)與1路市電+1路HVDC共用方案一致，通常設(shè)置單獨(dú)的電池室，可根據(jù)需求選擇電池后備時(shí)間;電源部分可單獨(dú)設(shè)置，也可與機(jī)房一并設(shè)置，可根據(jù)機(jī)房排列規(guī)劃，選擇適宜的直流系統(tǒng)容量，集中用于單列或雙列機(jī)柜的集中式供電。此方案最大的優(yōu)點(diǎn)是在可用性基本不受影響和服務(wù)器基本不需定制的情況下，實(shí)現(xiàn)了較1路市電+1路HVDC共用方案更好的建設(shè)成本和運(yùn)行效率。
可用性：此方案與1路市電+1路HVDC共用方案的可用性差別在于服務(wù)器的市電路斷電時(shí)，服務(wù)器電源需從市電路主供切換至HVDC路主供，有切換過程。就目前服務(wù)器的雙路電源備用方式而言，無論熱備還是半熱備，供電切換時(shí)間均小于0.1ms，遠(yuǎn)低于IEC規(guī)定的服務(wù)器和交換機(jī)類IT設(shè)備可承受的10ms供電瞬斷而不中斷的能力，基本不受影響。
建設(shè)成本：因HVDC處于備用狀態(tài)，只在停電時(shí)作為短時(shí)斷電支持向負(fù)載供電，故整流模塊設(shè)置僅滿足充電功率即可，較1路市電+1路HVDC共用方案節(jié)省建設(shè)投資約50%以上。
運(yùn)行效率：正常時(shí)只有1路市電供電，僅蓄電池充電消耗極少電能，實(shí)際系統(tǒng)效率在99.5%以上，較1路市電+1路HVDC共用方案效率提升約3.5%。
3.2 半集中式市電主用方案
以Facebook公司案例為典型代表。服務(wù)器的2路輸入電源一路引自市電，一路引自DC UPS系統(tǒng)?？紤]電源設(shè)備成熟度，DC UPS選用48V開關(guān)電源，而不是國內(nèi)選用的240V HVDC系統(tǒng);考慮末端供電壓降和線路耗材，選用6個(gè)機(jī)柜為一個(gè)供電單位;電源設(shè)備和電池設(shè)備與機(jī)柜同列布置。正常時(shí)服務(wù)器由市電單路供電，48V DC UPS系統(tǒng)電池處于充電狀態(tài)，市電路停電時(shí)，由備用電池系統(tǒng)快速切換給另外一路服務(wù)器電源供電。此系統(tǒng)架構(gòu)與前述1路市電主用+1路HVDC備用的系統(tǒng)架構(gòu)接近，只是服務(wù)器有一路電源模塊采用48V輸入，需深入定制。詳見下圖。
此方案采用鉛酸電池，鉛酸電池的功率密度低、對(duì)溫度敏感且存在漏夜等風(fēng)險(xiǎn)，因此把電池放在了IT機(jī)柜之外但靠近IT機(jī)柜安裝。將來隨著電池技術(shù)的發(fā)展，比如更高密度、放電能力及高溫特性更好的鋰電池推廣成熟，此方案可進(jìn)一步優(yōu)化。
此方案的可用性及運(yùn)行效率與前述集中式供電方案基本接近，建設(shè)成本會(huì)因不同地區(qū)有所區(qū)別，需針對(duì)不同項(xiàng)目具體分析。
3.3 分散式市電主用方案
以Google公司案例為典型代表。Google公司有百萬級(jí)規(guī)模的服務(wù)器需求，對(duì)能耗和成本有更高的要求，也對(duì)行業(yè)產(chǎn)品定制化有更大的影響力。該公司方案采用深度定制服務(wù)器，前端完全取消AC/各類DC UPS系統(tǒng)，正常由單路市電直供服務(wù)器，在服務(wù)器內(nèi)內(nèi)置電池，將原有集中/半集中電池完全分布到每臺(tái)服務(wù)器中，市電停電時(shí)由備用電池短時(shí)供電，因電池后備時(shí)間僅約30秒，故需設(shè)置安全可靠的油機(jī)系統(tǒng)保證不間斷供電。此方案是完全消除AC/各類DC UPS的典型方案，以服務(wù)器自帶定制化高效整流器+內(nèi)置12V電池方式替代原有AC/各類DC UPS+電池系統(tǒng)，在降低電源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和提升電源設(shè)備效率方面做到了極致。
該方案正常損耗僅為小容量的電池充電，系統(tǒng)能耗可達(dá)99.9%;同時(shí)也因電池容量小，實(shí)際后備時(shí)間僅約幾十秒，一旦油機(jī)無法及時(shí)啟動(dòng)，將造成不可估量的損失，故Google也有軟件級(jí)的備份方式來共同保證IT設(shè)備的高可用性。但即使如此，在類似國內(nèi)高壓自動(dòng)化程度較低的地區(qū)，依然無法使用。此方案也采用鉛酸電池，同樣的隨著將來電池技術(shù)的發(fā)展，比如鋰電池的推廣成熟，此方案可進(jìn)一步優(yōu)化。詳見下圖。
此方案的運(yùn)行效率較前述集中式/半集中式供電方案略好;因追求極致效率和低成本，服務(wù)器僅設(shè)置1路電源模塊，末端可用性相對(duì)較低，但因前端減少了AC/各類DC UPS，前端可用性相對(duì)較高，故整體可用性大致相當(dāng);此方案對(duì)服務(wù)器定制化程度要求很高，推廣難度很大;此方案的建設(shè)成本會(huì)因不同地區(qū)有所區(qū)別，需針對(duì)不同項(xiàng)目具體分析。
3.4 小結(jié)
以上三種方案，均是以市電主用為基本指導(dǎo)思想的典型方案，末端配電系統(tǒng)效率均接近100%。Google的方案未見得是經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的，但設(shè)備材料的消耗是最低的?？梢灶A(yù)見的，在不遠(yuǎn)的將來，隨著鋰電池的推廣成熟，經(jīng)濟(jì)性越來越好，在高壓自動(dòng)化程度較高的地區(qū)，尤其是定制化影響力較強(qiáng)的公司，Google的方案可能是主要發(fā)展方向之一。對(duì)于高壓自動(dòng)化程度較低的地區(qū)，或定制化水平不足以支持Google方案的地區(qū)，百度公司的方案應(yīng)該是簡單易推廣的首要選擇。Facebook的方案與百度方案比較相似，但供電電壓相對(duì)較低，應(yīng)用上更適用于一些類似微模塊的特殊交付方式，或可較為容易的轉(zhuǎn)換為整機(jī)柜交付方式下的48V架構(gòu)，如騰訊公司針對(duì)其整機(jī)柜正在努力的方向，可以以整機(jī)柜為單位，定制48V電源和電池系統(tǒng)，同時(shí)滿足服務(wù)器、交換機(jī)和風(fēng)扇等設(shè)備用電，有待進(jìn)一步探索，在此不再贅述。以下是三種方案的簡單對(duì)比：
結(jié)論及建議
本文論述的各種方案都是數(shù)據(jù)中心幾十年發(fā)展歷程中的主流方案或典型方案，整體來看，以市電主用的三種方案將會(huì)是未來主流發(fā)展趨勢(shì)，此類方案可能會(huì)隨著局部器件(如鋰電池)的成熟度提升或應(yīng)用場(chǎng)景的不同(如微模塊/整機(jī)柜)而加以優(yōu)化改良，但基本架構(gòu)預(yù)計(jì)不會(huì)有太大改變。以AC UPS(或HVDC)主供的供電方式將逐步淘汰，另外，隨著市電主用方案的成熟，以1路市電+1路AC UPS/HVDC共用的供電方案預(yù)計(jì)也將在未來的5-10年逐步被取代。
未來的數(shù)據(jù)中心，具體選用何種架構(gòu)方案，或者是在上述三種市電主用方案基礎(chǔ)上做何種調(diào)整，需從以下多個(gè)角度綜合考慮(從PUE的角度來看，以上幾種典型的市電主供方案的末端PUE貢獻(xiàn)均不超過0.01，已基本沒有上升空間，故已無需多做考量)：
從TCO的角度來看，不同國家和地區(qū)的建設(shè)及運(yùn)維成本均有所區(qū)別，需結(jié)合具體項(xiàng)目具體核算。
在TCO之外，還應(yīng)充分考慮這些架構(gòu)在不同地區(qū)、不同供電體制、不同市場(chǎng)成熟度、不同建設(shè)進(jìn)度要求和交付方式條件下的適用程度。
（轉(zhuǎn)載）
