数据中心机房供电解决专业方案.docx

数据中心机房供电处理方案

中国移动正计划建设多个集团级和更多数量省级数据中心,这些数据中心将优先采取云计算和虚拟化技术,和仓储式、模块化机房建设模式,含有规模大,用电负荷密度高、总功率大、空间紧凑等特点。同时集团企业对计划建设数据中心提出了低成本、低能耗、扩展灵活目标。所以对机房供电系统可靠性、经济性、可扩展性、运行维护成本、节能环境保护和占地空间等提出了更高要求。

　　本文经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应用,来实现建设高可靠性、高维护性、高效节能和高灵活性数据中心机房供电系统。

新型全分散供电结构

一、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列头或列间,就地为ICT设备供电。全分散供电系统关键由电池柜、电源机柜和配电柜组成,其组成示意图图1所表示:

二、新型全分散供电结构特点

1、可取消电力电池室建设,节省机房前期土建建设成本

　　因为将电源设备(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,这么可降低机房前期土建建设成本,更能提升机房利用率; 

2、柔性计划,按需扩容,实现边成长边投资建设模式 

　　选择模块化电源设备建设,电源系统容量能够依据机房实际容量需求配置,逐步扩容,无需在建设早期一次性按最大容量建设,只要在机房早期计划好配电容量即可; 

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,系统可靠性很高。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供电步骤,经过系统可靠性计算,全分散供电系统可用度可达成99.999999%; 

4、电源系统效率高,节能效果显著 

　　选择高效电源设备,电源系统效率能够达成95%以上,和传统“1+1”UPS冗余系统相比,电源系统效率可提升5%～10%; 

5、电源系统配置灵活,可满足不相同级通信设备用电需求

　　因为电源设备安装在每列设备列头或列间,可依据通信设备供电等级要求,采取单电源或双电源系统供电。所以,当机房全部采取全分散供电结构后,能够随时应对同ICT设备供电需求, 提升了工作效率; 

6、电源设备安装紧凑,提升了机房通信设备装机率 

　　因为列头电源设备均采取19″标准机柜安装,设备安装紧凑,占地面积小,拆装方便,所以搬迁轻易、快捷、无浪费或少浪费,随时可满足机房区域调整需求。 

三、新型全分散供电结构对设备选型要求

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

1、电源机柜、配电柜和电池柜尺寸要求为标准19″机柜; 

2、电源设备应采取高可靠性模块化电源(如组合式高压直流),电源系统容量可依据需要进行扩容; 

3、电池应选择大电流放电特征好,占地面积小、重量轻,无酸雾,适合在标准19″机柜内安装蓄电池(如锂电池); 

4、电源系统应有完善监控管理功效,并能够接入机房动力环境监控系统,实现统一管理。 伴随通信电源技术发展,模块化电源和新型锂电池在通信行业广泛应用,现有新型电源产品(如高压直流和锂电池等设备)完全能够满足全分散供电方法电源设备配置选型要求,为我们发明了采取全分散供电结构条件。

336V高压直流电源应用

　　高压直流供电系统(HVDC)是近几年正在研究一个集中了UPS供电系统和-48V直流供电系统优点为一体新型供电系统。 

　　336V(标称电压)高压直流电源是中国移动提出面向未来全新供电方案,这和国际上提出380V运行电压是一致,含有国际优异水平。

四、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,含有电路简单、变换少、可靠性高、效率高、体积小、成本低等优点。其和传统UPS供电系统内部结构对比图2所表示。 

　　336V高压直流供电系统能够很好地处理交流UPS存在很多问题,多种参数对比见表1。

五、336V高压直流电源供电方案

　　依据服务器输入电压不一样,336V高压直流电源在数据中心中供电方案关键有以下两种: 方案一:选择输入电压为12V直流服务器,经过在服务器机架中部配置336V/12V嵌入式电源,集中为12V直流服务器供电。

　　12V直流服务器应用已很成熟,现在阿里巴巴、谷歌、Facebook数据中心均选择12V直流服务器。 

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

　　现在国际上400V高压直流电源接口标准已于2月份公布,HP、IBM等企业将陆续推出400V直流服务器。 

六、336V高压直流电源产品成熟度

　　现在中国关键通信电源厂家(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)336V直流电源产品和高效率(94%以上)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,产品各项指标参数完全适用通信和数据设备供电需求。 

　　伴随中国外高压直流相关标准陆续公布和产业链成熟,通信电源厂家将推出多种类型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处理方案。 

七、数据中心ICT设备336V直流供电支持情况

1、ICT设备336V直流供电原理

　　现在ICT设备关键以交流供电为主,交流电源模块(PSU)关键有两种,ATX标准电源和SSI标准电源,其简化电路拓扑结构图3所表示。交流220V输入先经过EMI滤波、整流、PFC电路,变换成380V左右直流,然后再将380V直流经过DC/DC电路变换成12V直流,12V直流经过分压电路取得0.8～5.0V直流电压提供给ICT设备电子负载使用。

　　对于采取交流电源模块供电ICT设备,能够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直流经过分压电路取得0.8～5.0V直流电压提供给ICT设备电子负载使用。因变换步骤和电路简化,336V直流电源模块比交流电源模块可靠性、效率更高,成本更低。

　　从以上拓扑结构图对比能够看出,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,经过分压电路取得0.8～5.0V直流电为电子负载供电。不管外部输入交流还是直流最终全部需要转换成12V以下直流电压为电子负载供电。

　　•DC/DC步骤均备电气隔离 
　　对ICT设备电子负载来说,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ICT设备在更换电源模块后能够采取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)、存放磁阵、防火墙设备等,这些设备中大多数是采取交流电源模块供电,这些交流电源模块部分是可插拔独立模块,部分是固定安装在设备内部独立模块。这些主流设备,大多数全部能够经过将交流电源模块更换为直流电源模块方法,支持336V直流供电应用。但现在路由器、交换机等网络设备通常没有内置交流电源模块或48V直流电源模块,不能经过更换电源模块方法支持336V直流。设备内部业务单板、控制单板等部件,也不能支持336V直流直接输入供电。所以,路由器、交换机等网络设备需要经过外置336V转48V直流电源框方法来实现支持336V直流供电。未来,伴随路由器设备供电架构演进,也会出现内置336V直流电源模块供电架构,直接支持336V直流供电。 

　　以华为企业生产ICT设备为例,数据中心ICT设备支持336V直流供电情况如表2所表示。 

锂电池应用

　　锂电池是一个新型电池,现在关键应用在电动汽车领域,自起,中国移动已经开始在部分移动通信基站和高压直流供电系统设备测试系统中试用,探索中国移动引入锂电池安全性、适用性和经济性。 

1、锂电池技术特点

　　锂电池和传统铅酸电池相比,含有环境污染小、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。磷酸铁锂电池和传统铅酸电池对比分析如表3所表示。 

　　从表3对比分析来看,锂电池很适合大电流短时间放电场所,所以对于高密度数据中心提议优先考虑配置锂电池,尤其是和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要求。

2、锂电池应用方案

　　现在,在通信行业,锂电池产品关键以48V电池模块(由16节3.2V电芯组成)形式出现,当和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。 

　　因为锂电池必需使用BMS(电池管理系统),且需要对每个3.2V单体进行监测和控制,以确保电池一致性,但单一BMS管理100只以上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单元监测信息和管理要求,同时和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,确保电池充放电安全。 

3、锂电池产品成熟度

　　现在中国外关键锂电池厂家(如LG、比亚迪、双登等)均研发生产出能够和336V直流电源系统配套电池产品,并进行了和336V直流电源配合应用测试,从测试数据来看,高质量锂电池能够在数据中心机房中安全使用。 

结束语

现在中国移动正主动开展通信电源新技术、新产品应用研究，如在新型数据中心哈尔滨试点工程、呼哈基地中已采取了336V直流电源和锂电池供电方案。伴随通信电源新技术不停发展应用，通信电源设备可靠性提升，和数据中心机房计划、设计、建设人员和维护人员观念革新，对应产品标准、建设规范完善，我们相信全分散供电结构、336V高压直流和锂电池应用必将成为数据中心机房中一个关键供电处理方案。