[唐燕 孫國同]
數(shù)字經(jīng)濟已成為經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要引擎,在推動共同富裕方面發(fā)揮著重要作用。根據(jù)中國信息通信研究院2023 年4 月發(fā)布的《中國數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展研究報告(2023年)》,2022 年我國數(shù)字經(jīng)濟規(guī)模首次突破50 萬億元,達到50.2 萬億元,同比名義增長10.3%,已連續(xù)11 年顯著高于同期GDP 名義增速,數(shù)字經(jīng)濟占GDP 比重相當于第二產(chǎn)業(yè)占國民經(jīng)濟的比重,達到41.5%,數(shù)字經(jīng)濟已成為社會經(jīng)濟增長的重要動能[1]。而支撐數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的支點便是數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)中心已然成為影響經(jīng)濟社會發(fā)展的重要基礎設施。
數(shù)據(jù)中心既是“新基建”的重要組成部分,也是“新基建”發(fā)展的核心IT 基礎設施。
隨著國家層面“東數(shù)西算”工程的全面啟動,先進的數(shù)據(jù)中心建設和運營方法以及綠色節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)將助力數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)數(shù)字化升級轉(zhuǎn)型。
本文對高壓直流系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應用與設計進行探討,希望對數(shù)據(jù)中心的建設有所幫助。
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心服務器供電大都采用交流UPS 系統(tǒng)來實現(xiàn)不間斷工作。交流UPS 系統(tǒng)一般由整流器、逆變器、蓄電池和靜態(tài)開關(guān)等組成。市電正常時,交流輸入的一次電源經(jīng)整流器變換為直流電給逆變器,同時給蓄電池充電,逆變器再將直流電逆變成50 Hz交流二次電源供給服務器。市電停電時,由蓄電池放出直流電,經(jīng)過逆變器變換成交流電供給服務器。UPS 工作原理如圖1 所示[4]。
圖1 交流UPS 工作原理圖
為提高電源系統(tǒng)供電的可靠性,UPS 系統(tǒng)通常采用3 種供電模式:直接并機方案、模塊并機方案、雙母線(2N/3N)方案。這幾種模式大都采用兩臺甚至多臺設備直接并聯(lián)向服務器進行供電,這些模式不可避免地存在一些必須要解決的問題,比如UPS 設備系統(tǒng)環(huán)流問題、電路復雜問題、能耗問題、占地面積大、蓄電池組機房承重問題等等。
一般UPS 系統(tǒng)的效率跟服務器負載有著直接的關(guān)系,負載率高則系統(tǒng)效率高,負載率低則系統(tǒng)效率低。通常情況下,UPS 系統(tǒng)不會滿載運行,單機UPS 電源系統(tǒng)正常運行時最大負載一般不超過UPS 額定容量的90%,2N雙總線UPS 電源系統(tǒng)正常運行時每套UPS 的負載率不應超過額定容量的45%。假定某實際運行的UPS 系統(tǒng),平均效率為90%,那么每輸入100 kWh 的電量,就會損失10%;同時UPS 主機還有散熱需求,需要配置相應的制冷空調(diào)來保障其正常運行。因此在低負載狀態(tài)下,選擇UPS系統(tǒng)來進行供電時很不節(jié)能的。
目前數(shù)據(jù)中心上架的服務器大都采用雙電源工作,即配置兩個電源模塊,各個電源模塊之間為主備用關(guān)系,正常工作時兩個模塊共同承擔負載,當起一個模塊出現(xiàn)故障或需要檢修時,則由另外一個模塊承擔起全部負荷。服務器電源模塊工作原理如圖2 所示。
圖2 服務器電源模塊工作原理
從電源模塊工作原理圖可以看出,服務器電源模塊的核心是DC/DC 部分,也就是說只要提供給DC/DC 一個合適的直流電源即可保障電源模塊正常工作,而不一定非要輸入交流電源。
從電子電路原理來分析,服務器電源的整流電路大都采用全橋二極管整流電路,詳見圖3 所示。
圖3 全橋二級管整流電路圖
它的作用是為后級提供波動的直流電源。整流電路對于直流電可以直接輸入,只要直流電壓達到220 V 以上就可使用[6]。
因此,從服務器電源的工作原理來分析,高壓直流是完全可以取代UPS 交流系統(tǒng)的。
高壓直流并非按我國電力高低壓區(qū)分標準劃分的,而是相對于通信行業(yè)現(xiàn)有的-48 V 直流技術(shù)稱呼的。高壓直流技術(shù)跟傳統(tǒng)的UPS 交流技術(shù)相比,有以下幾個特點:
(1)模塊化設計
高壓直流系統(tǒng)由于采用模塊化設計模式,供電方式更為靈活,可以采用并機集中供電方式,也有可采用分布式供電方式。另外整流模塊可以隨著IT 設備的上架量逐步按需配置,實現(xiàn)分期建設。同時直流系統(tǒng)并機沒有頻率和相位相同的需求,并機簡單可靠。
采用模塊化設計的另外一個好處便是后期運維:運維人員可以不再依賴設備廠家的支持,在模塊出現(xiàn)故障時,只需熱插拔即可更換故障模塊。
而傳統(tǒng)的UPS 一般分為塔式結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu),其中塔式結(jié)構(gòu)的UPS 容量固定,只能采取并機模式進行容量擴容;當設備故障時,需要整機退出系統(tǒng)進行維修[8]。
(2)系統(tǒng)效率高
高壓直流系統(tǒng)內(nèi)部模塊采用N+1 配置,可以讓整流模塊工作在50~80%的負載率區(qū)間,系統(tǒng)效率最高;同時如果負載率偏低,還可以啟動整流模塊效能管理功能,提高模塊的負載率,從而提高整體系統(tǒng)的效率。據(jù)統(tǒng)計對比,在帶載相同的負載情況下,高壓直流系統(tǒng)比傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)至少節(jié)能15%[7]。
傳統(tǒng)的UPS 方案在機房建成初期由于設備上架率較低,造成電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率很低,而高壓直流系統(tǒng)的整流模塊還具備節(jié)能休眠功能,可以根據(jù)實際負載情況開啟合適的整流模塊數(shù)量,從而保證在全負載范圍和機房全生命周期內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)高效率運行。
(3)系統(tǒng)可靠性高
如圖4 所示,從結(jié)構(gòu)上看,高壓直流系統(tǒng)跟傳統(tǒng)的-48 V 電源系統(tǒng)相比,差異很小,只是電壓更高些,系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)清晰、簡單。在運行過程中,如果整流電路環(huán)節(jié)出了問題,還有電池直掛母線可以繼續(xù)保障系統(tǒng)供電。而UPS系統(tǒng)方案,由于涉及靜態(tài)旁路、整流電路、逆變環(huán)節(jié),以及輸出靜態(tài)開關(guān),甚至輸出隔離變壓器等,系統(tǒng)復雜,故障節(jié)點多,因此出故障的概率相對較高。
圖4 高壓直流系統(tǒng)與UPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比
圖5 高壓直流組合式供電系統(tǒng)
圖6 高壓直流分立式供電系統(tǒng)
從安全上看,高壓直流系統(tǒng)自身除了具有成熟的電池管理功能之外,還有智能休眠功能。由于電池直掛母線上,服務器負載產(chǎn)生的瞬時負載沖擊電壓和電流可以通過電池充放電來進行緩沖;休眠退出過程中由電池進行放電,然后設備退出休眠后再正常帶載,因此不會造成系統(tǒng)拉垮。而傳統(tǒng)的UPS 方案中,高頻模塊化UPS 要啟動模塊休眠模式,由于電池掛接在逆變器前面,則有可能無法及時退出休眠導致整個系統(tǒng)宕機掉電。另外高壓直流系統(tǒng)休眠控制策略還具有同步老化及定時喚醒功能,從而可以保證整個系統(tǒng)中的各個模塊同步老化,提高系統(tǒng)的可靠性。
(4)系統(tǒng)安全性高
我們知道,傳統(tǒng)的UPS 系統(tǒng)大都采用中線接地方式,-48 V 電源系統(tǒng)采用正極接地方式,而高壓直流系統(tǒng)則采用的是正負極輸出對地懸浮方式。由于高壓直流系統(tǒng)正負極到大地的電壓都是在135 V 左右,我們?nèi)梭w的正常電阻約在6 300 Ω,誤碰到其中一級的135 V 直流產(chǎn)生的電流約在0.02 A,不足以對人體造成較大傷害。
另外如果正負母排的任何一級接地,雖然不會造成系統(tǒng)掉電,此時若誤碰到另外一級,則270 V 直流可能會讓人有觸電感覺。在實際設計過程中,為了避免該意外發(fā)生,我們要求高壓直流系統(tǒng)配置絕緣檢測儀,提早預防和定位故障點,并在240 V 直流系統(tǒng)和蓄電池組周圍都放置絕緣墊,以確保操作人員的人身安全。
而反觀傳統(tǒng)的UPS 系統(tǒng),由于人體心臟的心跳頻率和交流電50 Hz 的工頻較為接近,交流觸電時更容易引起心室整顫,導致生命危險。如表1 所示。
表1 男性人體對電流耐受能力[5]
(5)系統(tǒng)性價比高
根據(jù)同樣容量的系統(tǒng)造價對比,高壓直流系統(tǒng)由于采用整流模塊N+1 模式,造價約為UPS 系統(tǒng)的60%左右。
綜上所述,在數(shù)據(jù)中心建設過程中,高壓直流系統(tǒng)跟傳統(tǒng)UPS 系統(tǒng)相比,無論在安全性、可靠性、效率、性價比等諸多方面有著較好的優(yōu)勢。
跟傳統(tǒng)通信行業(yè)的48 V 直流系統(tǒng)類似,高壓直流系統(tǒng)也分為組合式系統(tǒng)和分立式系統(tǒng)。其中組合式系統(tǒng)的交流配電單元、整流模塊單元、直流配電單元以及監(jiān)控單元等同機架設置,蓄電池組單獨安裝;分立式系統(tǒng)的交流配電單元、整流模塊單元、直流配電單元分別設置在不同的機架內(nèi),蓄電池組另外單獨安裝[3]。
系統(tǒng)容量大于400 A,宜采用擴充性能較好的分立式電源系統(tǒng);系統(tǒng)容量小于400 A 時,可考慮采用緊湊型的組合式電源系統(tǒng)。
高壓直流系統(tǒng)輸出容量應根據(jù)設計的總負載和蓄電池組均充容量進行計算選擇。其中整流模塊容量按近期負荷進行配置,遠期負荷不大時,可按遠期容量配置;直流屏按照系統(tǒng)最大輸出能力進行配置;蓄電池組容量按近期負荷配置,同時依據(jù)電池壽命情況,適當考慮遠期發(fā)展。
在具體設計過程中可參考以下要求進行配置:
(1)整流模塊配置
高壓直流系統(tǒng)整流模塊的配置按N+1 冗余模式考慮,其中N≤10 時,N 為主用,1 個為備用;N>10 時,每10個備用1 個。主用整流模塊的容量按近期負荷電流和電池均充充電電流之和確定。
(2)蓄電池配置
高壓直流系統(tǒng)的蓄電池一般設置2 組,最多不宜超過4 組。
蓄電池組應根據(jù)供電保證所需的后備時間進行配置,蓄電池組的容量應滿足系統(tǒng)滿載時的放電時長需要,一般情況下按單機備電15 分鐘考慮;電池選型宜選用高倍率放電的鉛酸蓄電池組。
(3)配電設備配置
在雙電源系統(tǒng)供電要求的場合,高壓直流系統(tǒng)容量宜相互備份,全程采用雙路由、雙級保護的供電方式。
高壓直流系統(tǒng)直流屏的至數(shù)據(jù)中心機架PDU 之間的配電環(huán)節(jié)不宜超過3 級,直流屏主要輸出分路設置絕緣檢測裝置。
直流配電過程應采用熔斷器或直流斷路器作為雙極過流保護器件,熔斷器和直流斷路器的額定電流一般按1.5~2.5 倍的最大負荷電流配置。
2017 年,我國頒布了《通信高壓直流電源設備工程設計規(guī)范》GB51215-2017,該規(guī)范明確了240 V 作為高壓直流系統(tǒng)的標稱電壓之一。[2],該標準的制定有助于推動高壓直流技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的廣泛應用。
目前無論在理論上還是實踐上,均已證明數(shù)據(jù)中心服務器設備采用高壓直流技術(shù),相比傳統(tǒng)的交流UPS 供電技術(shù),既節(jié)能又安全。