1 引言

近幾年來,中國的數據中心基礎設施市場進入了高速發展階段。ICT Research報告指出,2011年,整體銷售額為141.83億元,增長率為9.4%。雖然其中部分產品銷售額為負增長,但是為2012年的增長打下了基礎。2013年整體規模為157.85億元,直到2014年,基礎設施整體銷售額增長到182.29億元,增長率為9.5%,預計2017年將增長到220.77億元,每年保持的增速為8%～9%。大量基礎設施建設的同時也帶來了能耗的大幅度提升的問題,目前國內各供應商、運營單位、研究機構均開展節能技術以及綠色能源等技術,從而達到基礎設施可持續發展的目標。

本文是數據中心基礎設施節能技術及標準化系列講座之一,將重點研究數據中心基礎設施供電系統中應用的主要節能技術的原理、應用情況以及其標準化工作進展等。

2 數據中心供電系統架構及節能技術

據美國采暖制冷與空調工程師學會(ASHRAE)技術委員會9.9(簡稱TC9.9)統計報告顯示,數據中心各部分的用電量分布大致如圖1所示。由圖可見,IT系統、制冷系統和供電系統是數據中心能耗大戶。

供電系統主要由油機系統、高低壓變配電系統、不間斷電源系統和機房配電系統組成。其典型的系統架構如圖2所示。

3 數據中心供電系統節能技術供電技術

隨著大數據、云計算、物聯網以及移動互聯網的飛速發展,數據中心已經應用到了各行各業,其重要性也日益突出。目前數據中心領域供電系統中,為了節能以及減少成本而提出的主流技術有高壓油機技術、高壓直流供電技術、市電與保障電源兩路供電技術和高倍率電池技術,這些技術分別應用在圖2中的各個子系統中。

(1)高壓直流供電技術

高壓直流供電技術作為早期應用的技術,在近一兩年呈現出大規模增長的態勢,圖3為某供應商對各垂直行業高壓直流供電系統應用情況做的統計數據。由于高壓直流技術采用直流供電方式,消除了UPS中的逆變環節,能夠簡化系統結構,提高電能利用率,有效降低用戶投入成本,避免故障隱患,具有十分重要的應用價值。

筆者認為高壓直流供電系統最大的優勢是顯著地提高了可靠性,其次才是由于采用了模塊化結構,可以采用休眠等技術改變模塊負載率,從而獲得較高的能效。與傳統的大容量交流塔式UPS系統相比,系統實際運行效率會高一些,但與模塊化UPS等相比,效率無明顯的差異。

中國通信標準化協會制定了一系列的高壓直流供電系統及相關配套產品的系列標準:YD/T2378-2011《通信用240V直流供電系統》;

YD/T2555-2013《通信用240V直流配電設備》;

YD/T2556《通信用240V直流供電系統維護技術要求》;

YD/T2656-2013《基于240V/336V直流供電的通信設備電源輸入接口技術要求與試驗方法》;

YD/T2089-2016《通信用336V直流供電系統》;

YD/T2088-2016《通信用336V整流器》;

YD/T3091-2016《通信用240V/336V直流供電系統運行后評估要求與方法》等。

處于報批階段的標準有:

《通信用240V/336V直流-直流模塊電源》;

《通信用240V/336V直流配電單元》等。

目前正在起草一篇《信息通信用240V/336V直流供電系統》國家標準。

關于高壓直流供電技術國際標準匯總表如表1所示。

從上述國內、國際標準可以看出高壓直流系列標準的研究工作開展的比較全面,覆蓋了通信用240V/336V電壓直流供電環節中的各個單元部分,如系統、整流模塊、系統輸入輸出配電部分、與ICT設備之間接口、機柜的PDU、ICT設備內部的PSU部分以及對整個系統的評估和維護等。作為國際標準化組織,國際電信聯盟ITU-T非?；钴S,也制定了一系列的標準。而IEC目前正在制定的標準和報告有:

62040-5-3《直流UPS測試與性能》;

62040-5-1《直流UPS安全要求》標準;

IECTS62735-1《直流400V插頭插座》研究報告等。

(2)市電與保障電源兩路供電技術

市電與保障電源兩路供電(以下簡稱兩路供電)技術是指一路為市電直接供電,另一路為高壓直流(240VDC)或者交流UPS供電。其配置方式具有兩種供電模式:一種為一路市電供電,另一路為高壓直流供電;另一種為一路市電供電,另一路為交流UPS供電。具體系統結構見圖4和圖5。

目前行業內應用的兩路供電系統工作模式有兩種。模式1為市電優先工作模式:當市電正常時,為市電供電模式;當市電發生故障時,切換至保障電源模式,市電恢復正常后切換回市電供電的模式;模式2為均分負載工作模式:市電回路與保障電源回路無優先級,為平均帶載的模式,如各帶50%的負載。

在進行實際測試中,可以發現,兩路供電技術的應用可以大幅度地提升系統的效率,達到97%～98%,同時系統的效率也不會因為負載率的變化而產生太明顯的變化,起到了高效穩定的作用。但該項技術的應用也應注意到因為市電供電回路中,ICT設備電源由于市電供電存在著電壓中斷、電壓閃變、電壓不平衡、電壓諧波、電壓驟降或驟升等市電帶有的電能質量問題。另外,當市電中斷時,由油機系統直接帶ICT設備。ICT設備電源模塊由于呈現容性特性,在系統設計時應考慮油機系統帶容性負載的特性,如油機容量的配置等。

中國通信標準化協會于2014-2015年立項研究協會研究報告《針對服務器市電加保障電源的兩路供電模式研究報告》,在此研究報告的基礎上,2016年底提出了行業標準立項申請,正在完成相關手續。該研究報告主要研究了服務器設備供電現狀及存在的問題、市電直供系統(含市電直供可行性、系統架構、工作模式等)、節能效果、可靠性分析和兩路供電模式優勢分析等。

此外,中國通信標準化協會2016年已立項研究行業標準項目《電信互聯網數據中心用交直流智能切換模塊》,研究主要用于交流和直流兩路供電系統中的切換模塊。該切換模塊是指在IT機架的一路交流(如市電)、另一路高壓直流供電場景下進行切換的轉換開關,適用于各類數據中心、各類呼叫中心、各類營業中心、各類監控中心、各類金融證券中心、部隊裝備中心、OA系統等大量使用IT設備的場景。當市電與高壓直流兩路供電系統工作在均分負載工作模式時,系統不需要此類開關,但系統運行效率相比于市電優先模式要低一些;而市電優先模式下,需要此類開關進行切換。如當市電發生故障時,由此轉換開關切換至直流供電回路;而市電恢復正常時,再切回直流供電模式。

關于此項技術的國際標準化方面,2015年由中國信息通信研究院提出文稿,把市電與高壓直流兩路供電技術寫入了ITU-TL.1204標準中,具體的描述以及電路結構如圖6所示。

當ICT設備具有冗余的電源模塊時,可采用交流和直流兩路混合供電技術,在大部分時間由市電供電,從而獲得更高的效率。

此外,ITU-TSG5在2016年10月全會中,提出立項研究L.dualpowerinput《多路交流或高達400V直流輸入的ICT設備電源影響》標準。該標準將分為四種情況進行分析:帶有轉換開關的兩路交流電源模塊、帶有轉換開關的兩路直流電源模塊、具有內置電路但無轉換開關的兩路直流電源模塊以及帶有轉換開關的交直流電源模塊,分別對傳送線纜、插頭插座、隔離裝置、電流均分方式、電池配置方式等方面進行深入研究。

(3)高壓油機供電技術

信息通信領域高壓油機是指輸出電壓為10kV的油機系統。由于該系統提高了輸出電壓,減少了傳輸線路上的損耗,并隨著數據中心的容量大型化而得到了廣泛的應用。表2是針對低壓和高壓油機組的簡單對比。由此表可見,雖然在復雜度和技術層次上高壓油機有著其較高的難度,但是一旦搭建出完善的供電系統,高壓油機無論是在輸送距離、線損還是容量密度等方面都有著明顯的優勢。

工業和信息化部發布了YD/T2888-2015《通信用10kV高壓發電機組》,該標準規定了由往復式內燃(RIC)柴油發動機、交流(a.c)發電機、控制裝置和輔助設備組成的工頻高壓發電機組的技術要求、試驗方法、檢驗規則、標志、包裝、運輸和貯存。該標準適用于通信用輸出電壓為10kV電壓等級、額定頻率為50Hz的發電機組,3kV和6kV發電機組也可參照執行。與低壓油機相比,此標準去掉了原低壓油機的電話諧波因數、不對稱負載下的線電壓偏差等指標,并在并聯運行要求上提出,兩臺以上型號規格相同的機組應能穩定地并聯運行,且可平穩地轉移負載的有功功率和無功功率,其有功功率和無功功率的分配差度應不大于單臺機組功率的3%,而原低壓油機的標準要求是不大于單臺機組功率的10%。此外,針對機組的燃油消耗率和機油消耗率上要求與低壓機組有所差異。在安全性要求中,由于高壓輸出設備與低壓電壓等級不同,因此針對輸出安全性要求有所不同,明確提出“高壓輸出設備應符合GB/T11022-2011中對高壓開關設備和控制設備的技術要求”。

(4)高倍率電池技術

電池的放電倍率是指電池在規定的時間內放出其額定容量時所需要的電流值,在數據值上等于電池額定容量的倍數,通常以字母C表示。如電池的標稱額定容量為600mAh為1C(1倍率),300mAh則為0.5C,6Ah為10C,以此類推。高倍率電池能大電流放電與其極板設計有關,能在大電流放電之后依然能放出電池容量的很大一部分。而普通電池在大電流放電時,只能放出很少一部分能量。圖7為某供應商提供的高倍率電池與普通的閥控式密封鉛酸蓄電池進行放電功率的比較。從數據中可以明顯看出,在相同的備電時間,高倍率電池比普通電池的功率值大。

電池的倍率與電池的原材料和工藝有關,電池的倍率特性是指電池的充放電性能,倍率越高,能夠承受的放電電流就越大。且在大電流放電倍率下的發熱問題也是高倍率電池所要面臨的重點問題。

中國通信標準化協會已立項研究行業標準《通信用高倍率閥控式密封鉛酸蓄電池》。該標準適用于通信機房、數據機房,放電倍率大于1C10的閥控式密封鉛酸蓄電池。此標準目前的討論稿中要求按照蓄電池在標稱功率下的放電時間應大于15min,且針對功率密度系數、連接條壓降和溫升等特殊指標均提出了要求,建議業界給予關注。

4 結束語

本文對數據中心基礎設施供電系統中所涉及的節能以及減少初期投資成本的新技術進行了分析,并對與此相對應的國內國際標準化工作進行了介紹和解讀,希望給數據中心領域內研發和應用工作人員提供參考和相關依據。

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