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  • 數據中心雙路供電最佳效率模型分析

    2019-01-17 現有數據中心主要通過UPS系統為服務器設備供電,為保證系統的可靠性,通常采用了2N甚至2(N+1)的UPS雙總線系統架構,為雙電源服務器提供兩路獨立供電電源。正常情況下服務器內的兩個電源按均分負載模式工作,各自負擔服務器的50%工作負荷。目前數據中心計算能效指標例如PUE等時,基本沒有考慮服務器設備自身的電源轉換損耗,因此服務器電源的節能工作一直沒有提到數據中心節能管理的目標體系里。
      
      隨著數據中心技術的大規模建設,數據中心供電系統的主要發展目標是在降低電源系統投資成本的同時,提高電源供電效率,減少后期運營成本。
      
      1 數據中心供電現狀分析
      
      數據中心安裝的服務器設備中使用兩個或兩個以上的電源模塊同時為服務器負載供電,負載的總負荷不大于其中一半電源模塊的額定容量,一般把這種電源系統成為冗余電源系統。冗余電源系統多采用輸入總線、負載總線和共享總線的“三總線”的電路結構。電源1、電源2…電源n為熱插拔電源模塊,它們以并聯方式相連接,C1、C2…Cn為各電源模塊的控制模塊,S1、S2…Sn為受控電流調節器/隔離器。具體供電結構如圖1所示。

      

    系統正常工作時,控制模塊通過調整電流調節器/隔離器的導通程度,使系統均衡地使用每個電源模塊,既每個電源模塊向系統提供相同的電流,這種工作模式稱為“電流共享”;或者控制受控電流調節器/隔離器使得某一組電源工作,另一組電源處于熱備份。冗余電源系統中的每個供電模塊均可以熱插拔,一旦某個供電模塊損壞,就能在不停電情況下完成維修工作,而絲毫不影響系統的正常工作。
      
      冗余電源系統從性質上可以歸結為雙電源系統。服務器采用雙電源設計是為了提高服務器本身供電的可靠性。如果雙電源服務器的每一路電源都能夠通過獨立的供電路由從獨立供電電源取電,就能夠獲得最高的可靠性。在這個供電系統架構中,關鍵點是供電路由獨立和供電電源獨立。而傳統意義上的保障電源系統架構,也就是UPS系統(單機/串聯熱備份/N+1直接并機)都不能做到供電電源相互獨立,與之相配套的供電路由也相應的無法獨立,也就是說每個環節都存在著明顯的單點故障。所以,2N/2(N+1)的供電結構正是基于服務器冗余電源結構而興起的供電解決方案,TIA-942因此將2N/2(N+1)的供電結構歸入Tir4(最高可靠度供電等級)。
      
      2 數據中心雙路供電模式
      
      隨著市電供電可用度的提高,采用一路市電、一路保障電源為服務器供電的方案開始成為技術發展的熱點。此方案最早起源于后備式UPS設備,后備式UPS在市電正常時采用市電直接為負載供電,可以省去了UPS變換環節的損耗,當市電停電或異常時則切換到UPS電池逆變回路保障供電。
      
      現在隨著高壓直流供電系統的發展,一路市電+一路高壓直流保障電源的供電方案逐漸興起,該供電方案既利用了市電無轉換損耗直接為負載供電的特性,又在保障電源側由電池組直接為負載提供斷電保障,系統可用度比后備式UPS系統提高很多,互聯網公司已經在自用數據中心中小批量使用。
      
      依據市電和保障電源的不同工作模式,新的雙路供電系統可分為兩種工作模式:
      
     ?、俟ぷ髂J揭?均分模式):正常狀態下市電電源與保障電源各負擔服務器設備的50%負荷,如任一路電源故障,則另一路電源負擔100%負荷;
      
     ?、诠ぷ髂J蕉?主備模式):正常狀態下市電負擔服務器設備的100%負荷,保障電源處于熱備狀態,當市電發生故障時,則保障電源負擔100%負荷。
      
      依據系統架構,新的雙路供電系統可分為兩種系統結構:
      
     ?、俳Y構一:供電端為一路市電+一路UPS系統;
      
     ?、诮Y構二:供電端為一路市電+一路高壓直流系統系統,受電端為雙電源(一路直流型、一路交流型)服務器。
      
      具體系統結構與技術演進見圖2。

     3 雙路供電系統效率分析
      
      對于數據中心基礎設施,輸入的是電能,有效輸出是計算設備所消耗的電能。數據中心的模型
    為一個電力系統,其“總輸入”是其從市電消耗的電能,其“有效輸出”是它用于計算的那部分電能,這可以用提供給IT設備的電能來表示。目前數據中心服務器設備大多采用2N/2(N+1)UPS系統供電,市電經變壓器降壓后,經市油轉換、低壓配電、諧波治理后,由UPS提供不間斷電源,再由PDU分配給IT設備,每個環節都將造成電能的損耗,其中最大的損耗發生在UPS環節和IT設備的電源模塊部分。

     

    依據式(1),提高數據中心效率的方法與供電系統相關的有兩個方向:
      
     ?、偬岣唠娫丛O備(UPS類設備)轉換效率,減少其工作時的能耗;
      
     ?、谔岣逫T設備電源側的工作效率,減少其工作時的能耗。
      
      針對電源變換環節,傳統數據中心采用UPS雙總線供電系統,系統架構參見圖3。每一路UPS系統均為并聯冗余系統,在實際應用中,UPS并機系統并機的臺數都不會太多,一般1+1并聯或者2+1并聯情況居多。并聯冗余系統中,在一臺UPS設備出現故障時系統依然能夠供電,這就要使得每臺UPS在平時的單機負載率保持較低的水平,如對于一套UPS(1+1)系統單機負荷載最大為50%,(2+1)UPS系統單機負載率最大為66%,如果再考慮到負載的可能突變,系統就必須要保持一定的余度,按系統80%的容量計算,實際上每臺UPS的單機負載率最大為40%(1+1系統)~55%(2+1系統)。參見圖4典型UPS負載效率曲線,UPS單機設備的最佳運行效率多數在90%~94%左右,此時UPS設備負載率為40%~70%之間。供電系統實際運行中,考慮到設備雙路電源均分負荷運行方式,單機負載率區間為20%~40%,UPS設備運行效率多在80%~90%間。

    如采用新的雙路供電模式,既采用一路市電、一路高壓直流電源為IT設備供電,可有效降低UPS設備的工作損耗。
      
     ?、俟ぷ髂J揭?均分模式)情況下,市電供電回路側的電源轉換損耗將降低至最低,而高壓直流電源側的工作效率比同負載率的UPS設備高1%~2%左右,因此新的雙路供電系統的工作效率比UPS雙總線系統高3%~8%;
      
     ?、诠ぷ髂J蕉?主備模式)情況下,市電供電回路側的電源轉換損耗將降低至最低,配電線路損耗略有提高,而高壓直流電源側將處于空載運行狀態,綜合考慮新的雙路供電系統的工作效率比UPS雙總線系統高8%~12%,此時高壓直流電源設備的空載損耗將對整個系統的效率產生明顯的影響,高壓直流電源設備的空載損耗越低整個系統的工作效率越高,工作效率計算公式為      

    針對IT設備電源側,忽略交流或直流配電線路上的損耗,IT設備雙路電源的整體供電效率依賴于兩路電源模塊不同工作模式及輸入電源的制式。IT設備雙路電源模塊總的效率計算公式為
      

    式中,X—第一路電源模塊的負荷比例;
      
      η1—第一路電源模塊的供電效率;
      
      η2—第二路電源模塊的供電效率。
      
      由式(3)可看出,η是由可變的帶載百分比X,以及由于X的變化導致的η1和η2的變化共同決定的,而η1和η2又由兩路供電線路的電源系統效率特性曲線所影響,當采用市電主用高壓直流熱備的工作模式時,可簡單認為X=1。所以要獲得η的最大,需要合理選取X(第一路電源模塊的負載比例),公式(3)中沒有體現電源模塊空載狀態的內部損耗,如IT設備的電源模塊空載損耗過大,則會降低整個系統的輸出效率。因此不能簡單認為100%由市電供電,即X=1就可獲得最大效率輸出。
      
      依據式(3),影響IT設備電源模塊效率的關鍵因素包括η1,η2效率曲線及電源模塊的損耗。電源模塊的效率與負載率關聯曲線參見圖5,負載率在50%時,效率達到最高點,因此如不考慮電源模塊的空載損耗,同時IT設備工作在電源模塊滿負荷情況下,則IT設備雙路電源模塊選擇均分工作模式時,也即每個模塊輸出50%負荷時,整體工作效率最高。
      
      服務器電源模塊存在三種工作工況:
      
     ?、巽懪乒β?指的是服務器電源銘牌功率;
      
     ?、谧畲蠊r:指的是服務器系統工作在最大用電負荷時耗電功率;
      
     ?、鄣湫凸r:CPU工作在100%利用率時耗電功率。
      
      從圖5中可以注意到服務器最大工況是銘牌額定值的80%,這是因為服務器廠家在選擇電源模塊時考慮20%的功率富余。而典型工況大概是銘牌額定值的67%。事實上服務器正常工作時的功耗小于典型工況。參見圖5,以電源模塊負載率50%為對稱軸,負載率高于50%時,效率值略有下降,但高于對稱負載率低于50%處。假定電源模塊損耗可分為固定的空載損耗和可變的負載損耗,根據實際測試數據,空載損耗可控制不高于銘牌額定值的1.5%左右?;谝陨先齻€因素,IT設備雙路電源模塊選在主備模式時(主用模塊負擔100%,熱備模塊負擔0%),整體工作效率處于最佳狀態。

    4 市電直供影響及對應措施
      
      市電直接給服務器供電的方式由于浪涌保護、諧波*、短路保護和交直流布線的復雜性增加,會給供電系統可靠性帶來不利的影響。因此市電直供電源系統的雷電過電壓保護應使用分級保護,逐級限壓的保護措施。鑒于數據設備重要性,市電直供條件下應增加雷電過電壓精細保護,做好絕緣配合。另外,市電直供系統與其他備用UPS(交、高壓直流)系統之間也應具備相應的等電位措施。
      
      市電直供系統各級防雷器及設備抗力配置應滿足如下技術要求:
      
     ?、僮儔浩鞯蛪簜然蛘呖偟蛪号潆姽駪渲米畲笸魅萘坎恍∮?0kA的防雷器;
      
     ?、跀祿C房市電入口處(或總配電柜)應配置最大通流容量不小于60kA的防雷器;
      
     ?、墼诜峙潆姽駪渲米畲笸魅萘坎恍∮?0kA的防雷器;
      
     ?、軘祿O備等終端用電設備交流電源端口應具備2.5kV(1.2/50μs、8/20μs組合波)的抗力水平,其包括市電供電端口和備用UPS電源端口的差模、共模以及市電和UPS電源端口之間的抗力水平。
      
     ?、輦溆肬PS(交、直流)供電系統由于具有整流和(或)逆變裝置,其具有很好的浪涌隔離作用,同時電池也具備一定的浪涌衰減作用,因此主要考慮由于等電位不均衡所導致的設備間電位差問題。當IT設備分布在不同樓層或分布范圍很大時,應在電源設備輸出端和負載端(一般是列頭柜內)安裝最大通流容量不小于15kA的防雷器。
      
      
      通過本文的分析,可以看到在市電和高壓直流混合供電的系統中,在電源模塊空載損耗較小的情況下,綜合考慮電源變換環節和IT設備電源模塊兩部分因素,可以推出市電負擔100%負載+高壓直流熱備時整個供電系統(含IT設備電源模塊)處于最佳工作效率。
      
      但市電直供+高壓直流熱備供電系統引入數據中心領域前,亟須解決一些技術問題,例如研發支持服務器電源主備工作模式的系列電源產品,這些問題都需要運營商技術部門與設備廠家攜手解決。只有具備可靠、成熟的技術解決方案,市電直供混合供電系統才可能在數據中心領域大規模應用。

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