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数据中心供电架构进化论:基于位置选择的演进

默认分类Harries 发表了文章 • 0 个评论 • 276 次浏览 • 2015-08-27 14:58 • 来自相关话题

大家都知道,电子产品内部的绝大部分器件都必须使用直流电来驱动,因此,不管供电系统如何变化,最终都要将电流转换成直流12V、5V等不同的电压,IT设备同样不能例外。

在笔者看来,虽然数据中心的各种供电架构方案五花八门,新产品层出不穷,但其实整个供电系统只为了解决两个问题:在哪里把交流转换成直流?在哪里接入备电系统?

笔者将从这两个方面进行分析,对数据中心目前流行的供电架构进行解析,并分享一些技术发展的个人观点。大家会发现,基于位置选择的不同会演化出不同的供电架构,所以笔者将这些年数据中心供电架构的演进戏称为基于位置(供备电节点)选择的“供电架构进化论”。

供电系统:交流与直流的角色扮演游戏

先来看看交直流转换的问题,目前数据中心采用较多的主要有四种供电方式:

传统UPS供电系统

UPS系统作为目前应用最成熟的不间断电源产品在各行各业都有广泛应用,对数据中心来说,目前的主流产品是在线双变换UPS。

下图标示


 图1:UPS、HVDC、google与天蝎服务器

HVDC供电系统

HVDC并非一种新的供电系统,长期以来海外都有少量应用,2007年江苏电信最早在国内尝试这种供电方式。目前国内共有两种制式:电信标准输出240VDC额定电压,移动标准输出336VDC额定电压。因为240VDC在经过大部分服务器电源(电信认为超过96%)的整流桥后可以直接使用,所以目前在互联网企业中应用较多。而336VDC的HVDC需要采用定制服务器,虽然效率较高,但目前应用较少。具体分析可参考下图。


 图2:两种HVDC的比较

第一代HVDC来源于电力操作电源,所以在效率、精度、监控等方面表现较差,目前主流HVDC均基于通信电源进行开发(-48V输出),所以在应用上这种供电架构与通信电源有很大的共同点。

在各厂家的宣传中,HVDC通常具备以下优势:

效率高,节能环保:通常宣称的效率在94%以上,比早期工频UPS高,但与目前主流厂家的高频UPS相比,并无明显差别。

少一级变换,可靠性高:早期的推广者通常会告诉用户,HVDC只有AC/DC一级变换,而UPS是AC/DC+DC/AC的二级变换,所以HVDC更加可靠,效率也更高。但实际上并非如此,HVDC的拓扑如图2所示,其内部同样需要二级变换(实际电路当然并非如此简单,但包括服务器电源在内的大部分开关电源产品都是这种原理),所以其外在表现出的效率与可靠性指标都与UPS差别不大。

电池在输出端,备电系统更可靠:这一点笔者比较认可。UPS的电池在断电时需要通过逆变电路进行输出,而HVDC与通信电源类似,电池与输出共母排,理论上备电系统更加简单可靠。但与通信电源类似,电池长期浮充(热备份)同样会对电池寿命造成影响,所以HVDC对电池管理也会有更高要求。

模块化结构,扩容维护方便:相比传统的塔式UPS,HVDC模块可支持热插拔,所以扩容与维护都比较方便。但与模块化UPS相比,二者差异不大。

在笔者看来HVDC产品本身并无明显优势(与模块化UPS相比1、2、4均无明显差别),其价值主要还是体现在由HVDC构成的供电系统以及后端服务器的变化上,HVDC+定制服务器才能最大程度体现其价值,而短期内HVDC的应用主要还是会集中在电信与互联网领域。

ECO供电方式

  

 图3:ECO、facebook与微软服务器

如图3④中ECO又称为经济模式,即UPS通过旁路来进行供电,在停电或电网波动超过设定的上限时自动切换回双变换模式。这种方式几乎没有损耗,效率可以达到99%以上,所以在欧洲等电网环境比较好的地区有不少应用。

那么,为什么数据中心可以采用这种供电方式,其他场景下是否可以使用?

如果把UPS看做黑盒的话,其输入与输出都是交流电,似乎并没有变化,但UPS解决了两个问题:储能系统的引入与提供稳定输出。UPS可以保证IT设备在断电时继续工作,这一点大家都清楚,但双变换拓扑的稳压、滤波功能却常常被忽略。在交通、通信等行业以及其他恶劣的使用环境中(工矿、工厂),UPS的抗干扰能力尤为重要,而且电网质量较差,所以不适合采用ECO模式。

但在数据中心应用场景中,情况有些不同。早期的服务器是名副其实的“贵族”,使用UPS就是为了保护服务器远离来自电网的危害,而如今数据中心的电网环境通常较好,而且目前服务器电源也有较高的抗干扰能力(通常自带PFC校正功能),还有X86服务器低廉的价格,这些因素导致服务器没那么“金贵”了,所以数据中心才敢于采用ECO这种近似市电直供的方式来给服务器供电。顺便说一句,金融等行业对传统UPS的青睐也是基于上述历史的惯性,因为目前不少核心业务还是在使用比较“金贵”的IBM大型机。

目前用户对于ECO模式最主要的担心是“断电能否快速切换回来?”

理论上,服务器电源在断电后可以依靠自身的电容储能维持短暂的输出(大概十几ms,负载率越高时间越短),而所有厂家宣称的回切时间都不会超过10ms。所以该模式的安全性是可以保证的,但实际应用中可能还是需要与其他供电方式配合使用才能完全打消用户的顾虑。

市电直供

这种方式就不需要细说了,它是目前损耗最小(主要在线缆与铜排等传输路径上)最简单的供电方式,当然同时因为没有备电系统也无法进行断电保护。在实际应用中,市电直供主要配合其他供电方式来为IT设备提供电力(如图1③中所示),下文将会重点介绍其应用。

小结:

从上述几种供电方式的分析来看,未来将呈现以下趋势:

1、产品效率越来越高,就UPS来说,目前主流产品效率已高达95%,未来可以提升的空间已经非常有限;

2、从关注产品到关注方案。迫于低成本、高效率等方面的压力,越来越多的用户会尝试更加高效的供电架构而非仅仅关注产品本身;

3、新技术带来系统可用性的提升,同时对硬件可靠性的要求逐渐降低;

4、在效率提升有限的情况下,其他特性如智能特性、适用性(与其他方案的融合能力)将更加突出。

总体来看,越来越多的用户会要求设备厂家具备提供综合解决方案的能力,目前大多数的UPS、HVDC等供电产品厂家都开始推广微模块等整体解决方案,而未来技术的发展可能还会推动这种融合向供电链路的上下游推进。 查看全部
大家都知道,电子产品内部的绝大部分器件都必须使用直流电来驱动,因此,不管供电系统如何变化,最终都要将电流转换成直流12V、5V等不同的电压,IT设备同样不能例外。

在笔者看来,虽然数据中心的各种供电架构方案五花八门,新产品层出不穷,但其实整个供电系统只为了解决两个问题:在哪里把交流转换成直流?在哪里接入备电系统?

笔者将从这两个方面进行分析,对数据中心目前流行的供电架构进行解析,并分享一些技术发展的个人观点。大家会发现,基于位置选择的不同会演化出不同的供电架构,所以笔者将这些年数据中心供电架构的演进戏称为基于位置(供备电节点)选择的“供电架构进化论”。

供电系统:交流与直流的角色扮演游戏

先来看看交直流转换的问题,目前数据中心采用较多的主要有四种供电方式:

传统UPS供电系统

UPS系统作为目前应用最成熟的不间断电源产品在各行各业都有广泛应用,对数据中心来说,目前的主流产品是在线双变换UPS。

下图标示


 图1:UPS、HVDC、google与天蝎服务器

HVDC供电系统

HVDC并非一种新的供电系统,长期以来海外都有少量应用,2007年江苏电信最早在国内尝试这种供电方式。目前国内共有两种制式:电信标准输出240VDC额定电压,移动标准输出336VDC额定电压。因为240VDC在经过大部分服务器电源(电信认为超过96%)的整流桥后可以直接使用,所以目前在互联网企业中应用较多。而336VDC的HVDC需要采用定制服务器,虽然效率较高,但目前应用较少。具体分析可参考下图。


 图2:两种HVDC的比较

第一代HVDC来源于电力操作电源,所以在效率、精度、监控等方面表现较差,目前主流HVDC均基于通信电源进行开发(-48V输出),所以在应用上这种供电架构与通信电源有很大的共同点。

在各厂家的宣传中,HVDC通常具备以下优势:

效率高,节能环保:通常宣称的效率在94%以上,比早期工频UPS高,但与目前主流厂家的高频UPS相比,并无明显差别。

少一级变换,可靠性高:早期的推广者通常会告诉用户,HVDC只有AC/DC一级变换,而UPS是AC/DC+DC/AC的二级变换,所以HVDC更加可靠,效率也更高。但实际上并非如此,HVDC的拓扑如图2所示,其内部同样需要二级变换(实际电路当然并非如此简单,但包括服务器电源在内的大部分开关电源产品都是这种原理),所以其外在表现出的效率与可靠性指标都与UPS差别不大。

电池在输出端,备电系统更可靠:这一点笔者比较认可。UPS的电池在断电时需要通过逆变电路进行输出,而HVDC与通信电源类似,电池与输出共母排,理论上备电系统更加简单可靠。但与通信电源类似,电池长期浮充(热备份)同样会对电池寿命造成影响,所以HVDC对电池管理也会有更高要求。

模块化结构,扩容维护方便:相比传统的塔式UPS,HVDC模块可支持热插拔,所以扩容与维护都比较方便。但与模块化UPS相比,二者差异不大。

在笔者看来HVDC产品本身并无明显优势(与模块化UPS相比1、2、4均无明显差别),其价值主要还是体现在由HVDC构成的供电系统以及后端服务器的变化上,HVDC+定制服务器才能最大程度体现其价值,而短期内HVDC的应用主要还是会集中在电信与互联网领域。

ECO供电方式

  

 图3:ECO、facebook与微软服务器

如图3④中ECO又称为经济模式,即UPS通过旁路来进行供电,在停电或电网波动超过设定的上限时自动切换回双变换模式。这种方式几乎没有损耗,效率可以达到99%以上,所以在欧洲等电网环境比较好的地区有不少应用。

那么,为什么数据中心可以采用这种供电方式,其他场景下是否可以使用?

如果把UPS看做黑盒的话,其输入与输出都是交流电,似乎并没有变化,但UPS解决了两个问题:储能系统的引入与提供稳定输出。UPS可以保证IT设备在断电时继续工作,这一点大家都清楚,但双变换拓扑的稳压、滤波功能却常常被忽略。在交通、通信等行业以及其他恶劣的使用环境中(工矿、工厂),UPS的抗干扰能力尤为重要,而且电网质量较差,所以不适合采用ECO模式。

但在数据中心应用场景中,情况有些不同。早期的服务器是名副其实的“贵族”,使用UPS就是为了保护服务器远离来自电网的危害,而如今数据中心的电网环境通常较好,而且目前服务器电源也有较高的抗干扰能力(通常自带PFC校正功能),还有X86服务器低廉的价格,这些因素导致服务器没那么“金贵”了,所以数据中心才敢于采用ECO这种近似市电直供的方式来给服务器供电。顺便说一句,金融等行业对传统UPS的青睐也是基于上述历史的惯性,因为目前不少核心业务还是在使用比较“金贵”的IBM大型机。

目前用户对于ECO模式最主要的担心是“断电能否快速切换回来?”

理论上,服务器电源在断电后可以依靠自身的电容储能维持短暂的输出(大概十几ms,负载率越高时间越短),而所有厂家宣称的回切时间都不会超过10ms。所以该模式的安全性是可以保证的,但实际应用中可能还是需要与其他供电方式配合使用才能完全打消用户的顾虑。

市电直供

这种方式就不需要细说了,它是目前损耗最小(主要在线缆与铜排等传输路径上)最简单的供电方式,当然同时因为没有备电系统也无法进行断电保护。在实际应用中,市电直供主要配合其他供电方式来为IT设备提供电力(如图1③中所示),下文将会重点介绍其应用。

小结:

从上述几种供电方式的分析来看,未来将呈现以下趋势:

1、产品效率越来越高,就UPS来说,目前主流产品效率已高达95%,未来可以提升的空间已经非常有限;

2、从关注产品到关注方案。迫于低成本、高效率等方面的压力,越来越多的用户会尝试更加高效的供电架构而非仅仅关注产品本身;

3、新技术带来系统可用性的提升,同时对硬件可靠性的要求逐渐降低;

4、在效率提升有限的情况下,其他特性如智能特性、适用性(与其他方案的融合能力)将更加突出。

总体来看,越来越多的用户会要求设备厂家具备提供综合解决方案的能力,目前大多数的UPS、HVDC等供电产品厂家都开始推广微模块等整体解决方案,而未来技术的发展可能还会推动这种融合向供电链路的上下游推进。