伊頓電源(上海)有限公司 王偉
隨著云計算和OTT的技術(shù)發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)的需求呈現(xiàn)爆炸式的增長，這極大地促進了云數(shù)據(jù)中心的市場需求，近年來國內(nèi)外幾乎同步興起了建設(shè)云數(shù)據(jù)中心的熱潮。大規(guī)模的建設(shè)也引發(fā)了業(yè)界對數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)的重新思考，作為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分的電源架構(gòu)自然也不例外。
基于對投資規(guī)劃、高效低碳、安全可用、快速部署等因素的不同解讀和引入互聯(lián)網(wǎng)思維的創(chuàng)新激情，產(chǎn)生了各種各樣的數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)。從傳統(tǒng)UPS到HVDC，從240V HVDC到336VHVDC，從集中式電源到分布式電源，從微軟的LES架、Facebook的OCP架構(gòu)到中國的天蝎機柜供電架構(gòu)，從電源供電到市電直供等等，這讓沉肅了幾十年的電源行業(yè)出現(xiàn)了空前的“繁榮”，那些打著“高安全、高節(jié)能、易規(guī)劃、易部署”旗號的新方案、新架構(gòu)多得有點讓人眼花繚亂、應(yīng)接不暇。但是，無論供電架構(gòu)怎樣千變?nèi)f化，供電架構(gòu)用來為服務(wù)器提供“供電、備電”服務(wù)的核心思想始終不變�！肮╇姟币馕吨霸趺窗淹獠渴须娮钣行У貍鬟f到服務(wù)器”，“備電”意味著“在外部市電中斷時怎么接入第二路市電和蓄電池等廣義的備電系統(tǒng)”。為此，本文希望通過對這兩個概念的重新解讀，從構(gòu)成邏輯上來梳理數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)變化的脈絡(luò)，本文不會討論供電架構(gòu)的技術(shù)細節(jié)，后續(xù)圖中的示意也僅表示數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)的邏輯關(guān)系，并不是配電結(jié)構(gòu)的實際反映。
基于“備電”的數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)的變化模式
“備電”的概念就是儲能設(shè)備怎樣接入“供電”系統(tǒng)，來保證外部市電中斷時對數(shù)據(jù)負載的繼續(xù)供電，關(guān)鍵的指標是切換時間必須小于數(shù)據(jù)負載能承受的間斷時間。對于云數(shù)據(jù)中心來說，“備電”有兩層意義，第一層是外部市電中斷，怎樣接入儲能設(shè)備等“備電”設(shè)備;第二層是在一路供電系統(tǒng)完全中斷，怎樣接入“熱備、冷備或均載”的第二路供電系統(tǒng)。
圖5展示了數(shù)據(jù)中心的基本供電環(huán)節(jié)，我們可以設(shè)想將傳統(tǒng)UPS的儲能設(shè)備接入點以圖5中的1-2-3-4順序一步一步后移，即從電源設(shè)備內(nèi)部、電源設(shè)備輸出端、機柜內(nèi)部移到服務(wù)器內(nèi)部，這不僅產(chǎn)生了全新的電源設(shè)備還涵蓋了當前提出過的所有供電模式。
1、傳統(tǒng)UPS供電模式
UPS供電模式采用在AC-DC-AC的兩級變換器中間點接入儲能設(shè)備，如下圖6所示。目前，傳統(tǒng)UPS還是數(shù)據(jù)中心內(nèi)應(yīng)用最廣泛的供電模式，UPS在數(shù)據(jù)中心最初有兩大作用，一是凈化電源，二是后備電源。但是隨著電網(wǎng)供電品質(zhì)的持續(xù)改善和服務(wù)器電源性能的不斷提高，UPS的凈化電源作用已經(jīng)完全失去意義，目前數(shù)據(jù)中心用UPS，基本就是用它的后備電源的功能。近年來，以效率高達99%的UPS交流直供運行模式來代替效率95%或更低的傳統(tǒng)雙變換運行模式正在成為國外許多大型數(shù)據(jù)中心的選擇。UPS不僅可以實現(xiàn)單機、并機、2N供電，還可以實現(xiàn)如圖6所示的UPS工作在雙變換或交流直供模式下與市電直供模式組成的2N供電系統(tǒng)。
2、HVDC電源供電模式
將儲能的接入點移到電源設(shè)備的輸出端，自然就誕生了基于直流輸出的HVDC電源供電模式。當然，這一供電模式要求后續(xù)的負載能接受直流供電，但令人慶幸的是絕大部分的數(shù)據(jù)負載電源如服務(wù)器等，雖然是交流輸入設(shè)計，但是交流輸入后還是通過半波或全波整流器把AC變換到DC來完成能量的輸入的，所以240V的DC直接輸入，從能量供給的角度看，基本與交流一樣，這就是HVDC能作為數(shù)據(jù)中心電源的理論基礎(chǔ)。圖7為HVDC供電模式與市電直供模式組成的2N供電系統(tǒng)(注意：這一市電直供途徑并不是HVDC電源的“旁路”，它不會實現(xiàn)不間斷的自動切換)。
HVDC電源與UPS一樣，都不是什么新的供電系統(tǒng)。就設(shè)備本身來說，一直在就廣泛使用的電力系統(tǒng)變電站的二次電源就是“220V的HVDC電源”，最早代替UPS供電的HVDC設(shè)備基本都是這一電源的簡單翻版。但是將它大規(guī)模應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，這確實是國內(nèi)電源界的一大應(yīng)用創(chuàng)新，為后續(xù)供電模式的討論注入了新的活力，為了與通信用DC 48V區(qū)別，加了“HV”來加以區(qū)分。早期的過度宣傳中，說HVDC“只有一級變換”、“高效節(jié)能”等，這純粹是誤導(dǎo)用戶，既不科學(xué)也不符合實際。就數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用來看，傳統(tǒng)UPS與HVDC應(yīng)該各有千秋，兩者的結(jié)構(gòu)特點如下表，選用什么電源取決于用戶的維護水平與利益權(quán)衡。
3、天蝎服務(wù)器機柜供電模式
把一個機柜內(nèi)的所有服務(wù)器內(nèi)置電源模塊PSU取出，整合在一起構(gòu)成機柜級的DC12V電源輸出，同時把儲能后移到這一電源的輸出端，通過匯流銅牌向不帶PSU的服務(wù)器集中供電，這就是發(fā)布的天蝎服務(wù)器機柜2.5的供電模式(目前的2.0，是一路市電，一路HVDC向整合的12V輸出電源供電，儲能設(shè)備依然在HVDC的輸出端)。這樣的供電模式，就可省略原先的UPS或HVDC供電系統(tǒng)，實現(xiàn)了市電向服務(wù)器機柜直接供電的供電模式轉(zhuǎn)變，圖8為采用兩路市電直接供電的天蝎2.5機柜的供電架構(gòu)。
單從電源供電和節(jié)能的角度看，如果前端的電源效率已經(jīng)達到了99%，采用這樣的電源架構(gòu)是否還真的有必要，是一個需要全面評估的問題。其它諸如儲能設(shè)備移到機柜內(nèi)的安全性問題，匯流排的低壓大電流問題，分布到機柜的海量集中式機柜電源的管理維護問題，將是后續(xù)應(yīng)用需要認真關(guān)注的問題。
4、Facebook OCP架構(gòu)供電模式
從DC電源的電壓等級看，48V是DC電源中應(yīng)用最廣的電壓等級之一，F(xiàn)acebook就采用這一電壓來構(gòu)成它的 OCP電源架構(gòu)。這一架構(gòu)的本質(zhì)同樣也是將儲能移到臨近服務(wù)器機柜的專用電源柜內(nèi)，消除了上一級的集中式電源設(shè)備，直接在機柜里設(shè)置48V充電器給儲能設(shè)備(鉛酸電池)充電。產(chǎn)生的DC48V電作為備用電向服務(wù)器的PSU供電，而市電AC 277V(美國制式的標準單相電壓，相當于中國的220V)作為服務(wù)器電源的主供電，如下圖所示。OCP架構(gòu)需要定制服務(wù)器的PSU。
據(jù)了解，這一模式僅僅作為Facebook對服務(wù)器供電架構(gòu)的一種有益探索，并沒有形成大范圍的推廣，F(xiàn)acebook主流的數(shù)據(jù)中心依然采用傳統(tǒng)的UPS模式供電。
5、微軟OCS服務(wù)器的LES架構(gòu)供電模式
微軟的OCS服務(wù)器的LES架構(gòu)與Facebook不同，它是把儲能設(shè)備(采用鋰電池)再向后端移動到服務(wù)器內(nèi)部PSU的380V直流母線上，實現(xiàn)了更短距離對服務(wù)器板卡的供電，消除了上一級的電源設(shè)備，如圖10。儲能設(shè)備及其外加的變換電路直接并接在標準PSU的直流母線上，采用Buck/Boost雙向變換電路從直流母線直接引入DC380V電壓來實現(xiàn)電池的充放電，電壓選為DC380V可以達到更高的變換與傳輸效率。但是電池的備電時間不長，據(jù)報道小于1分鐘，這與國內(nèi)動則10幾分鐘的后備時間相差巨大。
作為互聯(lián)網(wǎng)時代的巨頭，Google當然也不甘落后，也推出過自己的內(nèi)置電池服務(wù)器，不同的是這種定制化服務(wù)器的電池為12V，直接并接在PSU的輸出端。正常情況由市電通過內(nèi)部PSU轉(zhuǎn)換成12V進行供電，如果停電或主路供電遇到問題時，則由電池放電給服務(wù)器供電。相比于LES架構(gòu)，Google服務(wù)器的電池的位置又往后移動了一小段，更貼近“板/芯片”。
從目前了解的信息看，無論是微軟的LES架構(gòu)還是Google服務(wù)器，雖然理論上在供電架構(gòu)上實現(xiàn)了市電向服務(wù)器的直接供電，消除了中間的變換環(huán)節(jié)的能源浪費和變換過程中諸多不可控的安全因素，但是實際上把鋰電池引入到服務(wù)器內(nèi)部在目前的技術(shù)條件下可能導(dǎo)致的隱患更多，畢竟高強度的服務(wù)器運行環(huán)境不同于日�！靶蓍e式”的筆記本電腦。猜測這可能也是為什么這些運行模式并沒有在微軟和Google自身的數(shù)據(jù)中心大規(guī)模應(yīng)用推廣的原因吧。
結(jié)束語
綜上所述，數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)的本質(zhì)還是解決“供電”和“備電”的問題，對“更直接供電—市電直接向服務(wù)器供電”和“更有效備電—儲能設(shè)備更靠近服務(wù)器板/芯片”的不斷追求，產(chǎn)生了各種各樣看起來有點神秘的供電方式，但是歸結(jié)起來看，供電架構(gòu)發(fā)展的軌跡無非是集中供電和分散供電的不同表現(xiàn)形式而已，從90年代的分散供電，到2000年后的集中供電，再到現(xiàn)在業(yè)界對新的分散供電的追捧，歷史總是在驚人地輪回。至于實際建設(shè)中，選擇高度集中、微模塊集中、機柜集中還是完全服務(wù)器級分散的供電方式，需要數(shù)據(jù)中心建設(shè)者根據(jù)自己的設(shè)計定位、資金投入、近遠期規(guī)劃、運行管理等來綜合衡量，尤其是對建設(shè)成本與運行成本的嚴格關(guān)注。
