一种可靠、高效、灵活的数据中心机房供电解决方案

随着中国移动数据业务迅速发展,中国移动各地数据机房将陆续建设,如何合理设置机房供电系统,对节能、节地都起着至关重要的作用。本文结合通信电源新产品、新技术应用,提出了一种可靠、高效、灵活的数据中心机房供电解决方案。

中国移动正规划建设多个集团级和更多数量的省级数据中心,这些数据中心将优先采用云计算和虚拟化技术,以及仓储式、模块化机房的建设模式,具有规模大,用电负荷密度高、总功率大、空间紧凑等特点。同时集团公司对规划建设的数据中心提出了低成本、低能耗、扩展灵活的目标。因此对机房供电系统的可靠性、经济性、可扩展性、运行维护成本、节能环保和占地空间等提出了更高的要求。

　　本文通过对通信电源新产品、新技术应用分析,提出了新型全分散供电结构、336V高压直流电源和锂电池的应用,来实现建设高可靠性、高维护性、高效节能和高灵活性的数据中心机房供电系统。

1 新型全分散供电结构

(1)新型全分散供电结构形式

　　新型全分散供电结构是指将不间断电源系统(含电池)分散安装在用电设备的列头或列间,就地为ICT设备供电。全分散供电系统主要由电池柜、电源机柜和配电柜组成,其组成示意图如图1所示:
(2)新型全分散供电结构特点

①可取消电力电池室的建设,节约机房前期土建建设成本

　　由于将电源设备(含电池)分散到ICT设备机房内部安装,无需再单独设置电力电池室,这样可减少机房前期土建建设成本,更能提高机房的利用率; 

②柔性规划,按需扩容,实现边成长边投资的建设模式 

　　选择模块化电源设备建设,电源系统容量可以根据机房的实际容量需求配置,逐步扩容,无需在建设初期一次性按最大容量建设,只要在机房初期规划好配电容量即可; 

③电源系统结构简单,可靠性高 

　　从电源系统组成方面来看,全分散供电电源系统组成相对传统集中供电电源系统组成简单,系统可靠性非常高。全分散供电系统完全贴近通信设备供电,省去了输出配电屏到列头柜间的供电环节,通过系统可靠性计算,全分散供电系统可用度可达到99.999999%; 

④电源系统效率高,节能效果明显 

　　选用高效电源设备,电源系统效率能够达到95%以上,与传统“1+1”UPS冗余系统相比,电源系统效率可提高5%～10%; 

⑤电源系统配置灵活,可满足不同等级通信设备的用电需求 

　　由于电源设备安装在每列设备的列头或列间,可根据通信设备供电等级要求,采用单电源或双电源系统供电。因此,当机房全部采用全分散供电结构后,可以随时应对同ICT设备的供电需求, 提高了工作效率; 

⑥电源设备安装紧凑,提高了机房通信设备的装机率 

　　由于列头电源设备均采用19″标准机柜安装,设备安装紧凑,占地面积小,拆装方便,所以搬迁容易、快捷、无浪费或少浪费,随时可满足机房区域调整的需求。 

(3)新型全分散供电结构对设备的选型要求

　　为了能够在同一机房内与ICT设备机柜同列安装,与ICT设备机柜保持风格一致,电源设备选型配置要求如下:

①电源机柜、配电柜和电池柜尺寸要求为标准19″机柜; 

②电源设备应采用高可靠性的模块化电源(如组合式高压直流),电源系统容量可根据需要进行扩容; 

③电池应选用大电流放电特性好,占地面积小、重量轻,无酸雾,适合在标准19″机柜内安装的蓄电池(如锂电池); 

④电源系统应有完善的监控管理功能,并能够接入机房动力环境监控系统,实现统一管理。随着通信电源技术的发展,模块化电源和新型锂电池在通信行业的广泛应用,现有的新型电源产品(如高压直流和锂电池等设备)完全能够满足全分散供电方式电源设备的配置选型要求,为我们创造了采用全分散供电结构的条件。 

2 336V高压直流电源应用

　　高压直流供电系统(HVDC)是近几年正在研究的一种集中了UPS供电系统和-48V直流供电系统的优点为一体的新型供电系统。 

336V(标称电压)高压直流电源是中国移动提出的面向未来全新的供电方案,这与国际上提出380V的运行电压是一致的,具有国际先进水平。 

(1)336V高压直流电源技术特点

336V高压直流供电系统克服了传统UPS供电系统效率低、可扩展性差、可靠性低、成本高等弊病,具有电路简单、变换少、可靠性高、效率高、体积小、成本低等优点。其与传统UPS供电系统内部结构对比如图2所示。 
336V高压直流供电系统可以很好地解决交流UPS存在的诸多问题,各种参数对比见表1。
(2)336V高压直流电源供电方案

　　根据服务器输入电压的不同,336V高压直流电源在数据中心中供电方案主要有以下两种: 方案一:选用输入电压为12V直流服务器,通过在服务器机架中部配置336V/12V的嵌入式电源,集中为12V直流服务器供电。

12V直流服务器应用已非常成熟,目前阿里巴巴、谷歌、Facebook数据中心均选用的12V直流服务器。 

　　方案二:选用输入电压为400V直流服务器,直接采用336V高压直流系统供电。

　　目前国际上400V高压直流电源接口标准已于2012年2月份发布,HP、IBM等企业将陆续推出400V直流服务器。 

(3)336V高压直流电源产品成熟度

　　目前国内主要通信电源厂家(如华为、艾默生、志成冠军、中达、动力源、核达中远通等)均研发生产出高效率(95%以上)的336V直流电源产品和高效率(94%以上)的336V/12V嵌入式电源或PSU,大部分厂家参与了中国移动336V高压直流电源试点应用工程,从系统各项测试结果来看,产品的各项指标参数完全适用通信和数据设备的供电需求。 

　　随着国内外高压直流相关标准的陆续发布和产业链的成熟,通信电源厂家将推出各种类型的336V直流电源及相关配套产品,相信336V高压直流电源供电方案将成为数据中心高效供电解决方案。 

(4) 数据中心ICT设备336V直流供电支持情况

①ICT设备336V直流供电原理

　　目前ICT设备主要以交流供电为主,交流电源模块(PSU)主要有两种,ATX标准电源和SSI标准电源,其简化的电路拓扑结构如图3所示。交流220V输入先经过EMI滤波、整流、PFC电路,变换成380V左右的直流,然后再将380V直流经过DC/DC电路变换成12V直流,12V直流通过分压电路获得0.8～5.0V直流电压提供给ICT设备电子负载使用。
　　对于采用交流电源模块供电的ICT设备,可以将其交流电源模块替换为336V直流电源模块完成直流化升级。336V直流电源模块的电路拓扑结构见图4。相比交流电源模块,省去了整流、PFC这些AC/DC电路,直接将336V直流经过DC/DC电路变换成12V直流,12V直流通过分压电路获得0.8～5.0V直流电压提供给ICT设备电子负载使用。因变换环节和电路的简化,336V直流电源模块比交流电源模块的可靠性、效率更高,成本更低。
　　从以上拓扑结构图的对比可以看出,ICT设备交流电源模块和336V直流电源模块有以下共同点: 

•ICT设备内部基础工作电压均为12V直流,通过分压电路获得0.8～5.0V直流电为电子负载供电。无论外部输入交流还是直流最后都需要转换成12V以下直流电压为电子负载供电。

•DC/DC环节均备电气隔离 

　　对ICT设备的电子负载来说,交流电源模块和336V直流电源模块输出电源要求相同,交流电源模块供电的ICT设备在更换电源模块后可以采用336V直流电源供电。 

②现有ICT设备336V直流供电支持情况

　　数据中心主流应用的设备有路由器、交换机(盒式交换机、框式交换机)、服务器(机架式服务器、刀片式服务器)、存储磁阵、防火墙设备等,这些设备中的大多数是采用交流电源模块供电,这些交流电源模块部分是可插拔的独立的模块,部分是固定安装在设备内部的独立模块。这些主流设备,大多数都可以通过将交流电源模块更换为直流电源模块的方式,支持336V直流供电应用。但目前的路由器、交换机等网络设备一般没有内置交流电源模块或者48V直流电源模块,不能通过更换电源模块的方式支持336V直流。设备内部的业务单板、控制单板等部件,也不能支持336V直流直接输入供电。因此,路由器、交换机等网络设备需要通过外置336V转48V直流电源框的方式来实现支持336V直流供电。未来,随着路由器设备供电架构的演进,也会出现内置336V直流电源模块的供电架构,直接支持336V直流供电。 

　　以华为公司生产的ICT设备为例,数据中心ICT设备支持336V直流供电情况如表2所示。 
3 锂电池应用

　　锂电池是一种新型电池,目前主要应用在电动汽车领域,自2010年起,中国移动已经开始在一些移动通信基站和高压直流供电系统设备的测试系统中试用,探索中国移动引入锂电池的安全性、适用性和经济性。 

(1)锂电池技术特点

　　锂电池与传统铅酸电池相比,具有环境污染小、适用温度范围宽、循环寿命长、高温性能好、充电效率高、能量比高(占地面积小、重量轻)等优点。磷酸铁锂电池与传统铅酸电池对比分析如表3所示。 
　　从表3对比分析来看,锂电池非常适合大电流短时间放电场合,因此对于高密度数据中心建议优先考虑配置锂电池,特别是与高压直流电源配合使用,供电结构简单,可靠性高,占用空间小,能完全实现全分散供电结构的要求。

(2)锂电池应用方案

　　目前,在通信行业,锂电池产品主要以48V电池模块(由16节3.2V电芯组成)形式出现的,当与336V直流电源配合使用时,选择7个48V锂电池模块串联成336V锂电池组使用。 

　　由于锂电池必须使用BMS(电池管理系统),且需要对每个3.2V单体进行监测和控制,以保证电池的一致性,但单一BMS管理100只以上的单体电池难度也很大。 

　　针对此问题,我们提出了336V锂电池组双层管理模式,底层为单元BMS,对单个48V锂电池模块进行监测和管理;上层为系统BMS,综合处理底层7个BMS单元的监测信息和管理要求,同时与336V直流电源监控模块进行通信,来实现对336V锂电池组内部电芯进行管理,确保电池充放电的安全。 

(3)锂电池产品成熟度

　　目前国内外主要锂电池厂家(如LG、比亚迪、双登等)均研发生产出能够与336V直流电源系统配套的电池产品,并进行了与336V直流电源配合应用测试,从测试数据来看,高质量的锂电池能够在数据中心机房中安全使用。 

4 结束语

　　目前中国移动正积极开展通信电源新技术、新产品的应用研究，如在新型数据中心哈尔滨试点工程、呼哈基地中已采用了336V直流电源和锂电池供电方案。随着通信电源新技术的不断发展应用，通信电源设备可靠性的提高，以及数据中心机房规划、设计、建设人员和维护人员的观念的革新，相应的产品标准、建设规范的完善，我们相信全分散供电结构、336V高压直流和锂电池的应用必将成为数据中心机房中一种主要供电解决方案。