以電信和金融等行業(yè)為首的數(shù)據(jù)中心,經(jīng)過近幾年大規(guī)模的建設(shè)和運營,在基礎(chǔ)配套設(shè)施上陸續(xù)暴露出一些弊端:占地面積大、能源消耗高,維護(hù)管理難,成本居高不下等,如何建設(shè)新一代數(shù)據(jù)中心的,立足現(xiàn)有資源,長遠(yuǎn)規(guī)劃未來的理念已成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點。為此,業(yè)界提出了數(shù)據(jù)機房模塊化的規(guī)劃,很好的解決了上述傳統(tǒng)機房的弊端。然而,相對數(shù)據(jù)中心的模塊化發(fā)展,供電保障基本沒有發(fā)生質(zhì)的變化,還是沿用傳統(tǒng)UPS供電模式。這種傳統(tǒng)的UPS供電模式的可靠牲、安全性及高耗能等方面凸現(xiàn)的問題越來越多。成為模塊數(shù)據(jù)機房的發(fā)展中的一個瓶頸,為了解決這一難題,本文提出一種新的解決方案:模塊化數(shù)據(jù)中心+高壓直流供電,使得數(shù)據(jù)中心建設(shè)最大限度規(guī)避傳統(tǒng)機房的弊端。
模塊化機房是把IT機柜、空調(diào)、配電柜、布線柜整合在一起并柜,在頂部加蓋天窗,兩側(cè)加裝封閉通道門,形成密閉通道,解決高密度的散熱問題,實現(xiàn)智能管理、高密部署、綠色節(jié)能、柔性擴展的整合方案。
一、傳統(tǒng)的UPS供電
(1)傳統(tǒng)UPS供電方案
服務(wù)器設(shè)備一般采用交流電源輸入,電壓為220V,50Hz的單相交流電源,因此IDC機房一般采用交流UPS供電方案。UPS供電系統(tǒng)由整流器、逆變器、蓄電池和靜態(tài)開關(guān)等組成。在市電正常時,市電交流電源經(jīng)整流器變換為直流電供給逆變器,同時給蓄電池充電,逆變器將直流電變換為50Hz交流電供給負(fù)載。在停電時,蓄電池放出電能,通過逆變器變換為交流電,供給負(fù)載。UPS供電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1:傳統(tǒng)UPS供電方案
為了提高設(shè)備供電的可靠性,通常采取多臺UPS冗余并機的方式,即N+1系統(tǒng)。對于一些重要的雙電源負(fù)載,采用兩套(N+1) UPS系統(tǒng)并聯(lián)組成雙系統(tǒng)雙總線冗余供電方案,這種供電方案安全可靠性相當(dāng)高。
(2) UPS供電系統(tǒng)的缺點
①負(fù)載率低,設(shè)備利用率不高
為了提高可靠性,多機并聯(lián),負(fù)載率低,使設(shè)備的實際使用率低下。例如1+1冗余的UPS最大負(fù)載率也不過是50%,同時低負(fù)載率也帶來了低效率。
②系統(tǒng)存在單點故障瓶頸
從圖2可直觀的看出,電池、逆變器、負(fù)載為串聯(lián)關(guān)系,任意一點的蓽點故障都會帶來系統(tǒng)斷電的風(fēng)險。
③設(shè)備維護(hù)時間長
由于不是模塊化組裝,維護(hù)還處于電路板、元器件的水平,造成維護(hù)時間長。
④電池管理能力差,后備電池壽命短
UPS的核心部分是逆變器,其充電器是輔助部分,因此,在充電管理上不如專門設(shè)計高頻開關(guān)電源功能強大。
⑤標(biāo)準(zhǔn)化難度大
特別是大功率的UPS,生產(chǎn)基本還是手工組裝,使每一臺設(shè)備的離散性大,現(xiàn)場的每一條設(shè)備都要單獨調(diào)試。
二、高壓直流供電方案
現(xiàn)在,IT設(shè)備內(nèi)部均使用高頻開關(guān)電源,把外部輸入的交流電轉(zhuǎn)化為內(nèi)部電子電路所用的直流電。最終變換為12V、SV、3.3V的低壓直流給IT設(shè)備供電,對于前段是否交流供電并無直接關(guān)系。IT設(shè)備的開關(guān)電源,在交流供電和直流供電狀態(tài)下的基本工作原理如圖2所示。
圖2:高壓直流供電方案
(1)高壓直流供電的優(yōu)勢
①可靠性提高,整流器和電池并聯(lián)為后端負(fù)載供電。
②系統(tǒng)效率提高,符合節(jié)能減排。
③模塊化配置,便于擴容和維護(hù)。
④直流輸出,對后端設(shè)備無諧波和零地電壓問題。
⑤輸入輸出完全隔離,使后端負(fù)載免受不明干擾。
(2)直流供電系統(tǒng)替代交流UPS帶來的好處
①簡化了電路的逆變環(huán)節(jié),提高了可靠性,取消交流UPS也就取消了逆變器和與之配套的相關(guān)電路,硬件電路簡化使故障點大大減少,系統(tǒng)供電可靠性得到大幅提升。
②降低了工程投資和維護(hù)費用
同等的直流電源系統(tǒng),要比中大型交流UPS系統(tǒng)成本相對較低,維護(hù)簡單,可操作性強。
③運營成本大大減少
在設(shè)備運行過程中,電源的維護(hù)成本、節(jié)能降耗的貢獻(xiàn),使機房的變壓器、空調(diào)、電能質(zhì)量的治理等支出成本和運營成本大為降低。
④多機并聯(lián)變得簡單而容易
直流整流模塊采用(N+M)舊模式,實現(xiàn)多機冗余備用,故障模塊可自動退出,避免引起電源間斷;多機并機時各模塊單元可自主均流,使系統(tǒng)中的各部件能在負(fù)載均衡條件下工作,從而提高了系統(tǒng)中各模塊工作的穩(wěn)定性,保證電源系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。整流模塊可實現(xiàn)熱插拔操作,對于系統(tǒng)中故障的模塊可在系統(tǒng)不斷電情況下進(jìn)行故障處理或模塊更換,而不影響系統(tǒng)的供電,從而簡化了系統(tǒng)故障維修過程,使用戶更容易操作。直流供電系統(tǒng)采用智能分布式功率分配模式,即將輸出功率分配到系統(tǒng)配置的各個電源模塊。對比傳統(tǒng)的交流UPS電源將所有電源輸出功率集中在單臺設(shè)備的配置模式,直流供電系統(tǒng)供電的可靠性將得到大幅提升。
⑤系統(tǒng)組態(tài)靈活
整流模塊可實現(xiàn)靈活的多機冗余配置模式(N+M),針對不同規(guī)模的用戶可靈活組建不同容量的直流后備電源系統(tǒng),按照后備電源系統(tǒng)的容量需要可分步投資、分布建設(shè)。系統(tǒng)可配置為單機系統(tǒng)模式、多機冗余熱備用模式、多機冗余冷備用模式等。由于整流模塊采用模塊化生產(chǎn),使系統(tǒng)的擴容和維護(hù)極為方便。
⑥智能化電池管理
對于后備供電系統(tǒng)中常用的鉛酸蓄電池組,仍是系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié),由于酸蓄電池的生產(chǎn)工藝及其自有特性,蓄電池組在使用一段時間后會出現(xiàn)一些問題,如:電池內(nèi)阻增大、內(nèi)阻不匹配等,如不能及時處理這些問題,可引起后備電源供電異常,嚴(yán)重時可造成電池組報廢。由于目前尚無更好的產(chǎn)品替代鉛酸蓄電池,所以在以后較長的一段時間內(nèi),后備電源系統(tǒng)中仍將以鉛酸蓄電池作為主要電能儲存介質(zhì)。嚴(yán)格按照蓄電池給定參數(shù)使用和定期的維護(hù),是解決電池組使用壽命的有效方法,合理、科學(xué)地使用和及時的維護(hù)可有效地延長蓄電池使用壽命。采用直流供電系統(tǒng),可對蓄電池實施智能化的充、放電管理。按電池組充電曲線對電池組進(jìn)行智能化的充電管理和放電維櫨,大大提高了蓄電池組的使用壽命,同時大大減輕了用戶對系統(tǒng)維護(hù)的工作量。系統(tǒng)具備的單體電池巡檢功能,可對電池組進(jìn)行實時監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)落后單體后立即報警,提醒用戶及時處理,可避免故障的進(jìn)一步擴大,如整組電池報廢等。
三、模塊化機房應(yīng)用
某機房在建設(shè)規(guī)劃時,采用模塊化設(shè)計,網(wǎng)絡(luò)機柜采用高密度機柜設(shè)計,以提高機房的利用率,每個網(wǎng)絡(luò)機柜功率密度10KW,每個模塊包含10個網(wǎng)絡(luò)機柜,每個模塊總功率的功耗折合100KW,后備時間15min。
(1)規(guī)劃方案
機房供電方式采用每個數(shù)據(jù)模塊用一套電源供電,位置布局見圖3,供電原理圖見圖4。
其優(yōu)點如下:
①散供電,降低風(fēng)險;
②域劃分,便于電源管理;
③應(yīng)性強,電源化整為零,容易實現(xiàn)最佳配置。
圖3:位置布局
圖4:供電原理圖
(2)系統(tǒng)配置
①交流屏一個:兩路交流輸入,具備總電壓、電流、電量統(tǒng)計、RS485輸出。
柜體尺寸:200mm(深)×800mm(寬)×2200mm(高)
②整流屏一個:兩路交流,ATS輸入。整流模塊規(guī)格:6KW模塊配置30個,容量滿足150KW輸出需要。
柜體尺寸:1200mm(深)×600mm(寬)×2500mm(高)
③直流屏一個。
柜體尺寸:200mm(深)×400mm(寬)×2200mm(高)
模塊化數(shù)據(jù)中心的建設(shè)方式提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性,效能解決是目前大多數(shù)數(shù)據(jù)中心面臨的問題,這種構(gòu)建方式將會在新一代數(shù)據(jù)中心整體規(guī)劃中得到廣泛應(yīng)用。2012年2月1日,高壓直流電源的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《YDT2378-2011通信用240V直流供電系統(tǒng)》正式發(fā)布實施,為高壓直流電源在通信行業(yè)的應(yīng)用掃清了最后的障礙,而在模塊化數(shù)據(jù)機房中引進(jìn)DC240V直流供電系統(tǒng),以其體積小、重量輕、功耗小、效率高、紋波小、噪音低、易擴容、替換性好、性能穩(wěn)定、智能化程度高等優(yōu)良特性,將會為IT行業(yè)的供電保障帶來一個質(zhì)的飛躍。