1 引言

隨著數(shù)據(jù)中心技術(shù)的大規(guī)模建設(shè),以及更為關(guān)注能源利用效率,數(shù)據(jù)中心供電技術(shù)未來的發(fā)展方向一定是市電直供技術(shù),在降低前期投資成本的同時,還通過高效率供電減少后期運營成本。如圖1所示,未來供電技術(shù)的總體發(fā)展趨勢是高壓/集中式/交流大UPS向低壓/分布式/直流小UPS方向發(fā)展,由機房外集中式鉛酸電池向IT機柜內(nèi)分布式小(鋰)電池等方向發(fā)展,從化石能源向綠色能源方向發(fā)展。

數(shù)據(jù)中心供電不間斷的核心在于不間斷電源及其電池技術(shù),因此電池連接的位置也決定了不同的供電架構(gòu)。目前,業(yè)界主流的備用電池電壓從高到低分別有UPS的400多伏,到直流電源的380V、240V及48V,甚至電池內(nèi)嵌到IT設(shè)備內(nèi)的12V等。圖2是目前業(yè)界在數(shù)據(jù)中心供電方面的主要技術(shù)方案,首先從集中式400多伏鉛酸電池的傳統(tǒng)UPS,其次到標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器不用定制、240V電池直掛輸出母線的240V高壓直流技術(shù),接著還有服務(wù)器采用定制48V或者380V輸入電源的48V直流或者380V高壓直流電池直掛技術(shù),最后再到Google等的12V電池直掛服務(wù)器主板輸入方案。電池越靠近末端服務(wù)器主板或者CPU,供電系統(tǒng)越為分散,相應(yīng)的IT系統(tǒng)也更為分布式;電池越靠近末端,供電系統(tǒng)的定制化程度越高,普通用戶規(guī)模開展的難度也越大;電池越靠近末端,對IT電源及電池的控制管理水平要求也越高。最后,電池越靠近末端,從電網(wǎng)到CPU供電路徑上的轉(zhuǎn)換級數(shù)也相應(yīng)減少,帶來更高的轉(zhuǎn)換效率,但可能在低壓側(cè)傳輸損耗又會增加。因此,對比集中式和分布式、高壓還是低壓,選擇不同的供電架構(gòu),會很大程度上影響供電系統(tǒng)可靠性、供電效率、造價成本等,還有技術(shù)、生態(tài)的成熟性以及應(yīng)用靈活性等。

　　2 380V的高壓直流系統(tǒng)

(1) 傳統(tǒng)的380V直流暫時沒有市場

380V高壓直流技術(shù)在國內(nèi)外已經(jīng)開展了很多年,也有很多研究和標(biāo)準(zhǔn)等,雖然較傳統(tǒng)的UPS及48V通信電源系統(tǒng)有很多優(yōu)勢,但涉及IT設(shè)備電源的定制以及直流供配電等配套的跟進,截至目前開展的應(yīng)用規(guī)模都很小,基本停留在實驗室試點階段。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的設(shè)備復(fù)雜多樣,涉及很多行業(yè)及不同供應(yīng)商,如果僅僅為了適應(yīng)380V直流供電,數(shù)據(jù)中心內(nèi)的全部設(shè)備都要定制,那么帶來的成本增加及開展難度就足以抵消了其節(jié)能利好,不僅在數(shù)據(jù)中心租賃方難以推廣,在用戶側(cè)也無法接受,因此截至目前業(yè)界開展的380V高壓直流項目規(guī)模都很小,示范意義大于實際節(jié)能收益。

(2) 380V高壓直流在未來新能源方面存在一定應(yīng)用空間

隨著太陽能、風(fēng)能及燃料電池等綠色能源的發(fā)展,這些分布式供電可能在未來會推進380V高壓直流電源技術(shù)的發(fā)展。因為大部分的分布式清潔能源通常都是波動性的,需要先整流穩(wěn)壓形成直流并經(jīng)電池儲能后才可以直接用于數(shù)據(jù)中心供電,如圖3所示。而傳統(tǒng)的48V電源系統(tǒng)因為電壓較低,傳輸損耗及線纜投資較大,不適合于較大規(guī)模的分布式能源使用。相對而言,380V高壓直流系統(tǒng)在這方面有較大優(yōu)勢。在IT設(shè)備側(cè),可以由DC/DC變換器直接將380V高壓直流降壓到12V或5V甚至更低電壓,減少了電源內(nèi)部AC/DC整流環(huán)節(jié),整個供電路徑上效率較高,很可能是未來的發(fā)展趨勢。但同樣涉及IT設(shè)備電源的定制,以及依賴電池儲能技術(shù)的發(fā)展,短期內(nèi)仍無法規(guī)模開展。

3 基本不用定制的240V直流

針對380V高壓直流技術(shù)不夠成熟,且需要定制IT設(shè)備電源等問題,目前在國內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用的240V高壓直流技術(shù)很好地解決了380V高壓直流的這些問題。源于220V電力電源技術(shù)和48V通信電源技術(shù)的240V高壓直流,具有較為成熟的技術(shù)及生態(tài)積累,以及絕大多數(shù)的IT設(shè)備不用任何改造,可直接由240V高壓直流直接供電。此外,240V高壓直流技術(shù)具有高達96%的效率、智能節(jié)能休眠、高可靠性、熱插拔易維護等特性,這些優(yōu)點大大普及了240V高壓直流技術(shù)在國內(nèi)的開展實用。圖4是中國電信統(tǒng)計的240V供電IT設(shè)備增長情況。截至目前,全國已經(jīng)有近10萬臺以上IT設(shè)備運行在240V高壓直流下。

(1)市電+240VHVDC50%+50%

目前,業(yè)界以騰訊為首的互聯(lián)網(wǎng)公司提出的基于240V高壓直流技術(shù)衍生出來的市電+240V高壓直流供電架構(gòu),正進一步改變傳統(tǒng)UPS等靠硬件多重冗余來保障可靠性的高投入低能效模式。

對于目前大多數(shù)的雙電源服務(wù)器,可以采用如圖5所示的一路市電直供,另外一路來自240V高壓直流的供電架構(gòu)。服務(wù)器電源內(nèi)部自動均流,市電和240V高壓直流各承擔(dān)一半負載。由于市電直供支路可以達到近100%的供電效率,而240V高壓直流供電具有的節(jié)能休眠控制策略可使其效率在全負載范圍內(nèi)達到94%～96%,這樣均分負載情況下的綜合供電效率高達97%～98%,比傳統(tǒng)的UPS供電架構(gòu)效率高出很多,特別如圖6所示的輕載下高壓直流的節(jié)能休眠特性,在保證2N供電可靠基礎(chǔ)上還實現(xiàn)了準(zhǔn)市電直供技術(shù)的高效率。當(dāng)然,對于少量的單電源服務(wù)器,可以直接掛接在240V高壓直流支路上。

(2)市電+240VHVDC100%+0%服務(wù)器主從模式

在前面市電+240V高壓直流數(shù)據(jù)中心側(cè)不用任何變化,如果能在服務(wù)器的電源上做些主從設(shè)置,或者目前部分廠家的服務(wù)器具備支持休眠一個電源的功能,那么這種主從模式下,市電主供、高壓直流系統(tǒng)休眠后備,綜合供電效率更是高達99%,如圖7所示,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的超高效率。

實現(xiàn)服務(wù)器電源主從模式的方式很多,采用騰訊專利的服務(wù)器電源調(diào)壓技術(shù)可以通過電源硬件上的微調(diào),即可實現(xiàn)可靠的主從工作及故障切換等,開展起來非常容易,圖8顯示了采用該專利的切換波形。當(dāng)然也可以通過更為高級的軟件控制等策略實現(xiàn)雙電源工作在主從模式下。

采用主從模式工作下的服務(wù)器,由于從電源在市電正常的時候基本不帶載,因此高壓直流系統(tǒng)可以只是個容量很小的充電器,大大節(jié)省了240V高壓直流電源系統(tǒng)的投資及空間占用,可以是電源和電池一體柜的簡單電池柜設(shè)計。市電正常情況下,市電幾乎承擔(dān)全部負載,同時對電池充電備用,實現(xiàn)99%的供電效率。當(dāng)市電停電時,電池瞬間承擔(dān)起全部IT負載,直至柴油發(fā)電機起動正常運行,帶起整個數(shù)據(jù)中心負載,電池逐步退出并重新被充滿,繼續(xù)等待下一次停電發(fā)生。

采用240V高壓直流技術(shù)可以比傳統(tǒng)供電方案實現(xiàn)高效率,甚至實現(xiàn)近100%的市電直供,但其雙電源配置(當(dāng)然也可以類似Facebook,采用市電+240V高壓直流的單模塊雙輸入電源設(shè)計來降低成本)以及高壓電池等仍不是很完美方案,仍屬于過渡技術(shù),將會被新的更好技術(shù)取代。

4 現(xiàn)有12V的市電直供應(yīng)用情況

Google的12V掛電池方案采用分布式電源加分布式電池作掉電備份,原理是每個服務(wù)器帶一個電源并配一個鉛酸電池,市電正常時,市電直接給設(shè)備供電并給電池充滿電。市電中斷時,電池放電備份幾分鐘,直至柴油發(fā)電機起動正常供電。有兩個顯著特點:

①電源產(chǎn)自中國,輸出參數(shù)為13.65V&20.5A,這個服務(wù)器的總輸出功率不會超過250W。有趣的是這個電池接入開關(guān)電源,那么開關(guān)電源當(dāng)成一個UPS看也不為過,就是一個13.65V輸出的UPS,不會比市面上幾百塊錢最低檔次的UPS更貴。

②電池為免維護鉛酸蓄電池?zé)o疑,從公開的資料上可知其容量只有3.2Ah,充其量只能夠維持3～4min以內(nèi)的服務(wù)器掉電保護時間。

該方案的核心技術(shù)是電池管理及切換控制,原理如圖9所示,實現(xiàn)供電效率達到99.99%。

(2)微軟的12VBBU集中式市電直供方案

圖10是微軟的12V電池BBU集中式市電直供方案,微軟在2010年推出該ITPAC的機柜服務(wù)器供電方案,從概念圖上看,機柜采用集中電源供電,并在12V母排集中掛鋰電池備份方案。分為上半?yún)^(qū)和下半?yún)^(qū)單獨供電,單機柜達到18.6kW功率給96臺服務(wù)器供電。選用的4.5kW服務(wù)器電源也是高效率的電源模塊,通過12V集中母排給服務(wù)器子機單元供電。市電正常時,直接給設(shè)備供電,市電中斷時,靠鋰電池短時間放電過渡,直至柴油發(fā)電機起動承擔(dān)全部負載。

(3) 隨著功率增加,12V將不再適合于數(shù)據(jù)中心

從前面的兩個案例可以看出,不管是Google的12V帶電池分布式小UPS供電方案,還是微軟的12V鋰電池BBU半集中式供電方案,都實現(xiàn)了市電直供近100%的供電效率。但12V電池要么直接掛在IT設(shè)備內(nèi),要么就安裝在服務(wù)器機柜內(nèi),主要的目的都是為了盡量減少12V低壓供電的傳輸損耗。谷歌12V分布式供電雖然12V傳輸損耗較小,但電源和電池數(shù)量大、成本高、電源負載率、效率偏低;而微軟的12V集中式供電的電源和電池數(shù)量少、成本稍低、負載率高、電源效率高,但12V傳輸損耗大,兩者都存在一定不足。

隨著業(yè)界IT機柜功率的不斷增加,以及對能效的更高要求,12V低壓傳輸損耗及成本會成為嚴(yán)重的限制。例如,對于12kW的機柜,如果采用12V集中單母線供電,那么供電電流可以高達1000A,假設(shè)電源插框和母線等的接觸電阻為1mΩ,僅接觸電阻的損耗也會高達1kW,若算上銅排上的大電流傳輸損耗及電源插框的電源轉(zhuǎn)換效率損耗,總損耗高達3～4kW。而采用較高電壓的48V供電方案,則可以大大降低傳輸及接觸電阻損耗,且48V電源的效率也比12V電源的效率高2%以上,圖11為兩者損耗對比分析。采用12V集中供電方案,機柜的總功率不宜超過6～8kW,如果超過10kW以上,傳輸及接觸電阻損耗就會很大。而采用48V供電方案則沒有這個問題,整機柜的總功率可以高達30kW以上,傳輸及接觸損耗都可以做到較小。

當(dāng)然采用類似前面微軟的做法,將總功率分散在兩個甚至更多的電源插框中,可以減少母線電流,但仍會帶來更多電源插框占用寶貴機柜空間,以及更多電源和電池帶來更大投資成本等問題。

最后,對于12V低壓市電直供,還存在電源及電池BBU設(shè)計挑戰(zhàn)的問題,畢竟通常允許5%的電壓波動,以及至少幾分鐘電池掉電備份時間要求等,對于電源及電池的設(shè)計和選擇都是很大挑戰(zhàn)?？傮w而言,目前業(yè)界采用12V直掛電池市電直供方案的用戶較少,且在未來會逐步往48V市電直供技術(shù)方向上發(fā)展。

5 面向未來的48V市電直供架構(gòu)

如圖12所示,從電網(wǎng)側(cè)到CPU的整個供電路徑上,采用傳統(tǒng)12V供電方式帶來的供電損耗會比采用48V供電方式的損耗高出很多,特別是在未來高功率密度應(yīng)用場合,12V已經(jīng)不再適宜采用了。48V市電直供方案在通訊行業(yè)已經(jīng)非常成熟,只是傳統(tǒng)的48V供電方案是集中式電源系統(tǒng),而未來發(fā)展的48V市電直供方案是分布式電源和IT融合的方案,電源和電池就近放在IT機柜邊上,甚至放到IT機柜內(nèi)部,大大減少供電傳輸損耗及線纜投資等。且允許48V電池電壓有個很寬的波動范圍,電池備電時間也可以得到較大提高。目前,48V電源最高效率也高達97%以上,成本也比12V電源要低得多,是個低成本高效率的解決方案,帶來的問題是部分IT設(shè)備需要定制。但目前在數(shù)據(jù)中心行業(yè),很多IT設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施都已經(jīng)實現(xiàn)了48V供電架構(gòu),推動起來難度比采用380V高壓直流要小很多,目前業(yè)界已經(jīng)有較多互聯(lián)網(wǎng)等公司已采用48V供電架構(gòu)了。

(1)Facebook的48V半集中供電及下一代架構(gòu)

從Facebook的公開資料上看,采用了分布式服務(wù)器電源加分布式48V電池的方案,每臺服務(wù)器配一個277Vac和48Vdc雙輸入、單輸出為12.5V的定制電源。其中,277Vac接口直接接到市電交流PDU上,而48Vdc接口連接到48V直流PDU。市電正常的時,市電直供,48V電池作為后備,當(dāng)市電異?；蛘咧袛鄷r,48V電池瞬間放電短時備份,直至柴油發(fā)電機起動承擔(dān)負載。

在實際的物理布局上,由于分布式48V備份電源不能長距離傳輸供電,因此電池就近擺放在IT機柜邊上,每個電池柜覆蓋6個IT機柜。如前面所述,市電正常情況下市電承擔(dān)了全部負載,所以48V電源只作為充電器使用,保證對備份電池的充電即可,因此48V電源只是個小充電插框,直接放置在電池柜頂部即可,如圖13所示。

Facebook的這個市電直供48V備份方案由于采用的是鉛酸電池作為后備,考慮鉛酸電池的功率密度低、對溫度敏感且存在漏夜等風(fēng)險,因此把電池放在了IT機柜之外但靠近IT機柜安裝。其每個市電+48V雙輸入服務(wù)器電源內(nèi)部實際還是兩個電源并聯(lián)在一起,數(shù)量多,定制成本高等,投資造價還是很大,所以在后續(xù)的整機柜版本中Facebook改用了電源更少的集中電源插框方式供電。且隨著電池技術(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等價格下來,那么電源及電池會更為分布,直接從IT機柜外轉(zhuǎn)移到IT機柜內(nèi)部,如OpenRack的V2.0版本。

如前面的12V供電分析,Facebook的這個V2版本雖然電源適當(dāng)集中,且電池和電源就近匹配安裝,但單機柜內(nèi)仍采用了三個電源插框,以及多根供電母線排等,并沒有解決電源數(shù)量多,12V低壓傳輸損耗大等問題。而48V供電架構(gòu),可以只用一個電源插框及一根母線排搞定,且48V鋰電池包較為成熟且容易設(shè)計,因此這個V2應(yīng)該只是個過渡版本,未來一定會向48V供電架構(gòu)切換(數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施可以基本保留不變,只是將電池柜替換成整機柜即可完成升級)。

圖14為市電轉(zhuǎn)48V再直接降壓到1.2V的供電架構(gòu),如前述,具有極高的供電效率,且很低的傳輸損耗,技術(shù)成熟度最高,且可選的供應(yīng)商非常多,因此已經(jīng)是未來數(shù)據(jù)中心的供電架構(gòu)方向。據(jù)不可靠資料,目前業(yè)界的Google、Amazon和思科等公司已經(jīng)在采用此方案。當(dāng)然,這個架構(gòu)的不足之處在于需要修改傳統(tǒng)服務(wù)器主板上的12V輸入供電,改用48V輸入供電,但技術(shù)難度很小,比如很多刀片服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)板卡等都是48V輸入供電。且對于服務(wù)器白牌化、深度定制的今天,對于前述互聯(lián)網(wǎng)巨頭而言,定制48V輸入供電的服務(wù)器已經(jīng)完全不是問題了。

(2)考慮數(shù)據(jù)中心的整體需求,包括交換機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、行間空調(diào)等供電的歸一化

隨著數(shù)據(jù)中心技術(shù)的發(fā)展,未來的IT和基礎(chǔ)設(shè)施會更為融合在一起,就像我們今天看到的機柜級服務(wù)器集成了電源和風(fēng)扇,服務(wù)器會板卡化,支撐的電源和散熱組件也會適當(dāng)集中。集中式48V系統(tǒng)到分布式48V系統(tǒng)的發(fā)展見圖15,再往上一級,比如微模塊級,一定是分布式供電和散熱組件更為靠近IT負載,分期投資并彈性配置,實現(xiàn)就近供電和高效散熱,這種情況下散熱系統(tǒng)的供電跟著分布式電源一起走。剛好目前主流的末端空調(diào)EC風(fēng)機等很大部分也是48V供電,分布式電池還可對散熱系統(tǒng)做持續(xù)供電保障。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的交換機、防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基本都是可以選配可支持48V供電的電源,比如Facebook數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基本也是采用48V直供電源,因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和其他弱電、監(jiān)控、照明等可以很容易選擇適當(dāng)?shù)?8V電源以支持?jǐn)?shù)據(jù)中心內(nèi)的其他部分供電,最終實現(xiàn)IT和基礎(chǔ)支撐48V供電的歸一化。

(3)和鐵鋰電池、燃料電池、太陽能、風(fēng)能等結(jié)合在一起的直流微網(wǎng)架構(gòu)

前面提到數(shù)據(jù)中心供電技術(shù)很大程度取決于電池技術(shù)的進步和發(fā)展,傳統(tǒng)的鉛酸電池由于功率密度以及安全性等原因不適合直接和IT設(shè)備放在一起,但鋰電池則由于其高功率密度以及高溫特性好等,未來很有可能會以BBU等形態(tài)和IT設(shè)備就近擺放,甚至?xí)旁贗T設(shè)備內(nèi)部。其大電流放電能力非常適合此應(yīng)用。

除了鐵鋰電池等會集成到IT機柜之外,未來燃料電池也可能給IT機柜供電。據(jù)微軟公開的一份白皮書顯示,微軟正在研究使用基于沼氣的燃料電池來提升設(shè)備能效,同時還能達到降低總體運營成本的目的。微軟表示,把燃料電池直接放到機架層(RackLevel)的話,將大幅減輕設(shè)備對于UPS、發(fā)電機、開關(guān)裝置等“耗電大戶”的依賴。

數(shù)據(jù)中心的高能耗,以及目前主流的依靠燃燒化石能源發(fā)電帶來的環(huán)境污染問題正逐步成為整個數(shù)據(jù)中心行業(yè)關(guān)注的問題,綠色環(huán)保組織也在持續(xù)曝光各公司的碳排放。目前業(yè)界一些互聯(lián)網(wǎng)等公司已經(jīng)開始采用綠色的風(fēng)能、太陽能等新能源用于數(shù)據(jù)中心的供電,而這些通常不穩(wěn)定的綠色能源發(fā)出來的交流電需要被整流并儲能才可用于IT設(shè)備的計算,因此對于大型的數(shù)據(jù)中心可能采用380V等高壓直流來儲能,但對于小型的分布式數(shù)據(jù)中心則會采用48V的直流微網(wǎng)架構(gòu)(見圖16)。

6 結(jié)束語

隨著數(shù)據(jù)中心技術(shù)的發(fā)展以及降低運營成本和節(jié)能減排的需求,市電直供方案將在大型的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心等場合的應(yīng)用會越來越廣泛,成為未來趨勢。380V高壓直流在短期內(nèi)因為行業(yè)生態(tài)沒建立起來,無法大規(guī)模應(yīng)用,但在未來綠色能源鋪開后存在一定應(yīng)用可能。目前階段采用240V高壓直流技術(shù)可以不用改造設(shè)備快速實現(xiàn)節(jié)能。如果IT設(shè)備電源微調(diào)甚至可以實現(xiàn)接近100%效率的市電主供高壓直流后備架構(gòu),但雙電源高成本、全路徑效率不高,只是未來幾年的過渡技術(shù)。隨著IT設(shè)備單機架功率上升以及對能效和成本的極致追求,未來12V母線供電不管在能耗,還是在技術(shù)難度等方面都不占優(yōu)勢,會逐步被48V的分布式供電架構(gòu)取代掉,且48V架構(gòu)還歸一了IT設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、空調(diào)末端、弱電監(jiān)控等的統(tǒng)一供電,而鋰電池、燃料電池以及風(fēng)能、太陽能等綠色能源的進步以及發(fā)展會加快這一進程。帶電池插框的48V市電直供技術(shù)會是未來數(shù)據(jù)中心IT供電架構(gòu)的重要發(fā)展方向,期待數(shù)據(jù)中心技術(shù)規(guī)劃以及IT設(shè)備甚至基礎(chǔ)設(shè)施各設(shè)備廠家共同一起營造此生態(tài),實現(xiàn)高效節(jié)能、綠色環(huán)保、彈性靈活的低成本高可靠數(shù)據(jù)中心供電之路。

作者簡介

李典林,數(shù)據(jù)中心資深專家,騰訊數(shù)據(jù)中心架構(gòu)師,高級工程師?，F(xiàn)任職于騰訊IDC平臺部數(shù)據(jù)中心規(guī)劃組。

編輯：Harris

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