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1、数据中心未来供电技术发展浅析2014-06-09 17:14 李典林 腾讯 字号：T | T随着数据中心技术的发展以及降低运营成本和节能减排的需求，市电直供方案将在大型的互联网数据中心等场合的应用会越来越广泛，成为未来趋势。AD： WOT2014课程推荐：实战MSA：用开源软件搭建微服务系统 51CTO主办WOT全球软件技术峰会直减百元优惠活动 抢票进行中！ 随着数据中心技术的大规模建设，以及更为关注能源利用效率，数据中心供电技术未来的发展方向一定是市电直供技术，在降低前提投资成本的同时，还通过高效率供电减少后期运营成本。这里所说的高效率不仅仅是指电网侧到IT设备的供电路径高效率，而是一次能源
2、侧到CPU等的整个能源路径上的高效率和绿色环保，虽然传统概念的PUE可能升高，但单位总能耗是降低的。未来的总体发展趋势是高压/集中式/交流大UPS向低压/分布式/直流小UPS方向发展，由机房外集中式铅酸电池向IT机柜内分布式小(锂)电池等方向发展，从化石能源向绿色能源方向发展。数据中心数据中心供电不间断的核心在于不间断电源及其电池技术，因此电池连接的位置也决定了不同的供电架构。目前业界主流的备用电池电压从高到低分别有UPS的四百多伏，到直流电源的380V、240、及48V，甚至电池内嵌到IT设备内的12V等。下图是目前业界在数据中心供电方面的主要技术方案，首先从集中式四百多伏铅酸电池的传统UP
3、S，其次到标准服务器不用定制、240V电池直挂输出母线的240V高压直流技术，接着还有服务器采用定制48V或者380V输入电源的48V直流或者380V高压直流电池直挂技术，最后再到google等的12V电池直挂服务器主板输入方案。电池越靠近末端服务器主板或者CPU，供电系统越为分散，相应的IT系统也更为分布式;电池越靠近末端，供电系统的定制化程度越高，普通用户规模开展的难度也越大;电池越靠近末端，对IT电源及电池的控制管理水平要求也越高。最后，电池越靠近末端，从电网到CPU供电路径上的转换级数也相应减少，带来更高的转换效率，但可能在低压侧传输损耗又会增加。因此，对比集中式和分布式、高压还是低压
4、，选择不同的供电架构，会很大程度上影响供电系统可靠性、供电效率、造价成本等，还有技术、生态的成熟性以及应用灵活性等。此外，随着电池技术的发展，以及风能、太阳能、燃料电池等绿色能源在数据中心内的引入，给数据中心带来更多的机遇和挑战。从某种意义上说，数据中心不间断供电技术取决于电池技术的发展，电池的革新也会带来数据中心供电架构的变化，比如从传统的低密度铅酸电池到高能量密度锂电池技术的发展，就很可能把备份电池从电池室改放到IT机柜内。同样的电池技术的发展，使得风能、太阳能等波动性绿色能源实现储能的可能，也将改变传统数据中心来自单一电网供电模式等。这些更进一步的讨论这里不再展开，本文暂以业界用到的主流
5、技术为主，通过梳理粗浅分析，抛砖引玉，以便大家可以更为深入的探讨未来数据中心供电技术的发展方向。一、380V的高压直流系统1.1 传统的380V直流暂时没有市场380V高压直流技术在国内外已经开展了很多年了，也有很多研究和标准等，虽然较传统的UPS及48V通信电源系统有很多优势，但涉及IT设备电源的定制以及直流供配电等配套的跟进，截至目前开展的应用规模都很小，基本停留在实验室试点阶段。数据中心内部的设备复杂多样，从主要的服务器设备到相对少量的网络设备，以及消防、弱电、照明等等，涉及很多行业及不同供应商，如果仅仅为了适应380V直流供电，数据中心内的全部设备都要定制，那么带来的成本增加及开展难度
6、就足以抵消了其节能利好，不管是在数据中心租赁方难以推广，在用户侧也无法接受，因此截至目前业界开展的380V高压直流项目规模都很小，示范意义大于实际节能收益。1.2 380V高压直流在未来新能源方面存在一定应用空间随着太阳能、风能及燃料电池等绿色能源的发展，这些分布式供电可能在未来会推进380V高压直流电源技术的发展。因为大部分的分布式清洁能源通常都是波动性的，需要先整流稳压并电池储能后才可以直接用于数据中心供电。而传统的48V电源系统因为电压较低，传输损耗及线缆投资较大，不适合于较大规模的分布式能源使用，而相对而言380V高压直流系统在这方面有较大优势。在IT设备侧，可以由DC/DC变换器直接
7、将380V高压直流降压到12V或5V甚至更低电压，减少了电源内部AC/DC整流环节，整个供电路经上效率较高，很可能是未来的发展趋势。但同样涉及IT设备电源的定制，以及依赖电池储能技术的发展，短期内仍无法规模开展。二、基本不用定制的240V直流针对380V高压直流技术技术不够成熟，且需要定制IT设备电源等问题，目前在国内大规模应用的240V高压直流技术很好的解决了380V高压直流的这些问题。源于220V电力电源技术和48V通信电源技术的240V高压直流，具有较为成熟的技术及生态积累，以及绝大多数的IT设备不用任何改造，可直接由240V高压直流直接供电。此外240V高压直流技术有高达96%的高效率
8、、智能节能休眠、高可靠性、热插拔易维护等特性，这些优点大大普及了240V高压直流技术在国内的开展实用，截至目前，全国已经有近10万台以上IT设备运行在240V高压直流下。2.1 AC+240V HVDC 50%+50%目前业界以腾讯为首等互联网公司提出的基于240V高压直流技术衍生出来的市电+240V高压直流供电架构，正进一步改变传统UPS等靠硬件多重冗余来保障可靠性的高投入低能效模式。对于目前大多数的双电源服务器，可以采用如上图所示的采用一路市电直供，另外一路来自240V高压直流的供电架构。服务器电源内部自动均流，市电和240V高压直流各承担一半负载。由于市电直供支路可以达到近100%的供电
9、效率，而240V高压直流供电具有的节能休眠控制策略可使其效率可在全负载范围内达到94%-96%，这样均分负载情况下的综合供电效率高达97%-98%，比传统的UPS供电架构效率高出很多，在保证2N供电可靠基础上还实现了准市电直供技术的高效率。当然，对于少量的单电源服务器，可以直接挂接在240V高压直流支路上。2.2 AC+240V HVDC 100%+0% 服务器主从模式在前面市电+240V高压直流数据中心侧不用任何变化，如果能在服务器的电源上做些主从设置，或者目前部分厂家的服务器具备支持休眠一个电源的功能，那么这种主从模式下，市电主供、高压直流系统休眠后备，综合供电效率更是高达99%，实现数据
10、中心供电系统的超高效率。实现服务器电源主从模式的方式很多，如下采用腾讯专利的服务器电源调压技术可以通过电源硬件上的微调，即可实现可靠的主从工作及故障切换等，开展起来非常容易。当然也可以通过更为高级的软件控制等策略实现双电源工作在主从模式下，这里不再展开说明。采用主从模式工作下的服务器，由于从电源在市电正常的时候基本不带载，因此高压直流系统可以只是个容量很小的充电器，大大节省了240V高压直流电源系统的投资及空间占用，可以是电源和电池一体柜的简单电池柜设计。市电正常情况下，市电几乎承担绝全部负载，同时对电池充电备用，实现99%的供电效率。当市电停电的时，电池瞬间承担起全部IT负载，直至柴油发电机
11、起来带起整个数据中心负载，电池逐步退出并重新被充满，继续等待下一次停电发生。采用240V高压直流技术可以比传统供电方案实现高效率，甚至实现近100%的市电直供，但其双电源配置(当然也可以类似facebook采用市电+240V高压直流的单模块双输入电源设计降低成本)以及高压电池等仍不是很完美方案，仍属于过渡技术，将会被新的更好技术取代。三、现有12V的市电直供应用情况：3.1 google的12V分布式UPSGoogle的12V挂电池方案采用分布式电源加分布式电池作掉电备份，原理是每个服务器带一个电源并配一个铅酸电池，市电正常时候市电直接给设备供电并给电池充满电，市电中断时候电池放电备份几分钟，
12、直至柴发起来继续供电。有两个显著特点：1、电源产自中国，输出参数为13.65V &20.5A，这个服务器的总输出功率不会超过250w。有趣的是这个电池接入开关电源，那么开关电源当成一个UPS看也不为过，就是一个13.65v输出的ups，不会比市面上几百块钱最低档次的UPS更贵。2、关于电池，免维护铅酸蓄电池无疑，从公开的资料上其容量只有3.2ah，充其量只能够维持3、4分钟以内的服务器掉电保护时间。该方案的核心技术是电池管理及切换控制，原理如下图所示，实现供电效率达到99.99%。3.2 微软的12V BBU集中式市电直供方案下图是微软的12V电池BBU集中式市电直供方案，微软在2010年推出
13、该ITPAC的机柜服务器供电方案，从概念图上看机柜采用集中电源供电，并在12V母排集中挂锂电池备份方案。分为上半区和下半区单独供电，单机柜达到18.6KW功率给96台服务器供电。选用的4.5KW服务器电源也是高效率的电源模块，通过12V集中母排给服务器子机单元供电。市电正常时候直接给设备供电，市电中断情况下，靠锂电池短时间放电过渡，直至柴发起来承担全部负载。3.3 随着功率增加，12V将不再适合于数据中心从前面的两个案例可以看出，不管是google的12V带电池分布式小UPS供电方案，还是微软的12V锂电池BBU半集中式供电方案，都实现了市电直供近100%的供电效率。但12V电池要么直接挂在I
14、T设备内，要么就安装在服务器机柜内，主要的目的都是为了尽量减少12V低压供电的传输损耗。谷歌12V分布式供电虽然12V传输损耗较小，但电源和电池数量大/成本高/电源负载率低效率会偏低;而微软的12V集中式供电的电源和电池数量少/成本稍低/负载率高电源效率高，但12V传输损耗大，都存在一定不足。随着业界IT机柜功率的不断增加，以及对能效的更高要求，12V低压传输损耗及成本会成为严重限制。举个简单例子，对于12KW的机柜，如果采用12V集中单母线供电，那么供电电流可以高达1000安培，假设电源框和母线等的接触电阻为1毫欧，光接触电阻的损耗也会高达1KW，还没算铜排上的大电流传输损耗及电源插框的电源
15、转换效率损耗，总计高达3、4千瓦。而采用较高电压的48V供电方案，则可以大大降低传输及接触电阻损耗，且48V电源的效率也比12V电源的效率高2%以上，如下图的两者损耗分析对比。采用12V集中供电方案，机柜的总功率不宜超过6-8KW，如果超过10KW以上，传输及接触电阻损耗就会很大。而采用48V供电方案则没有这个问题，整机柜的总功率可以高达30KW以上，传输及接触损耗都可以控制较小。当然采用类似前面微软的做法，将总功率分散在两个甚至更多的电源插框中可以减少母线电流，但仍会带来更多电源插框占用宝贵机柜空间，以及更多电源和电池带来更大投资成本等问题。最后，对于12V低压市电直供，还存在电源及电池BB
16、U设计挑战很大的问题，毕竟通常5%的电压波动允许，以及至少几分钟电池掉电备份时间要求等，对于电源及电池的设计和选择都是很大挑战，总体而言，目前业界采用12V直挂电池市电直供方案的用户较少，且在未来会逐步往48V市电直供技术方向上发展。四、面向未来的48V市电直供架构如上图，从电网侧到CPU的整个供电路径上，采用传统12V供电方式带来的供电损耗会比采用48V供电方式的损耗高出很多，特别在未来高功率密度应用场合12V已经不再适宜采用了。48V市电直供方案在通讯行业已经非常成熟，只是传统的48V供电方案是集中式电源系统，而未来发展的48V市电直供方案是分布式电源和IT融合的方案，电源和电池就近放在IT机柜边上，甚至放到IT机柜内部，大大减少供电传输损耗及线缆投资等。且允许48V电池电压有个很宽的波动范围
