數(shù)字能源柜在數(shù)據(jù)中心的發(fā)展與應(yīng)用

王海東， 羅永強， 劉 馳， 胡翰智

(中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080)

0 引言

隨著5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、邊緣計算等新一代信息技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，信息通信業(yè)的整體市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，隨之而來的是行業(yè)能耗也持續(xù)較快增長。對整個行業(yè)來說，綠色發(fā)展和節(jié)能減排仍然是一項長期且艱巨的任務(wù)，需要加強網(wǎng)絡(luò)資源利用率的提升，降低運營成本并實現(xiàn)節(jié)能降耗。

目前數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)及計算技術(shù)雖然在不斷更迭，但基礎(chǔ)配套設(shè)施尤其是供電技術(shù)相對傳統(tǒng)，存在建設(shè)成本高、運營成本高、業(yè)務(wù)匹配不靈活、空間占地大等挑戰(zhàn)，其中建設(shè)成本高主要表現(xiàn)在供電系統(tǒng)需一次性建成，初期投入大、利用率低；維護(hù)成本高主要表現(xiàn)在實際負(fù)荷率偏低，系統(tǒng)全程供電效率較低，閑置消耗嚴(yán)重；業(yè)務(wù)匹配不靈活主要表現(xiàn)在系統(tǒng)柔性不足，不能有效應(yīng)對變化的業(yè)務(wù)需求；空間占地主要表現(xiàn)在電源設(shè)備集中布置，占用空間大，機房利用率不高。

2020年國家以及地方都出臺了相關(guān)政策，比如北京、上海等相關(guān)部門要求新建大型數(shù)據(jù)中心PUE值低于1.3。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，對邊緣計算機房下沉的需求也日益顯著。在這樣的行業(yè)背景下，研發(fā)了有分布化、高可靠、高效能特點的數(shù)字能源柜，且可快速、靈活地適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

1 數(shù)字能源技術(shù)的定義

數(shù)字能源技術(shù)是指將信息通信技術(shù)(比特)與供電技術(shù)(瓦特)進(jìn)行深度融合，實現(xiàn)信息流與能量流互動，實現(xiàn)對電能轉(zhuǎn)換、存儲和控制的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，從而實現(xiàn)能源產(chǎn)品高密集成、高效運行。

2 數(shù)據(jù)中心數(shù)字能源技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)產(chǎn)品

2.1 數(shù)據(jù)中心電源產(chǎn)品發(fā)展趨勢

結(jié)合上述背景及數(shù)據(jù)中心發(fā)展現(xiàn)狀，針對數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)，筆者認(rèn)為其發(fā)展趨勢如下。

(1)大集中與全分散并存：未來將是傳統(tǒng)超大型與小型、邊緣型數(shù)據(jù)中心互補共存的時代，可滿足各類差異化的業(yè)務(wù)需求，共同為社會、經(jīng)濟(jì)的數(shù)字化、智慧化轉(zhuǎn)型提供強有力的支撐。因此針對需求明確、高密高集中化的業(yè)務(wù)場景，全集中化供電架構(gòu)將是發(fā)展趨勢；針對需求快速變化、分期建設(shè)或定制化的業(yè)務(wù)場景，分布式供電架構(gòu)將是發(fā)展趨勢。

(2)全直流供電：目前隨著新出現(xiàn)的ICT設(shè)備芯片(如CPU)的工作電壓不斷降低，其抗壓能力也在不斷下降，交流供電系統(tǒng)中的諧波問題、地噪問題對設(shè)備的影響越來越嚴(yán)重。全直流供配電系統(tǒng)將成為未來最有可能的選擇。

(3)供配電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化：標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的供配電系統(tǒng)有利于降低MTTR(平均修復(fù)時間)、提高配電系統(tǒng)的可用性、擴(kuò)展性、安裝質(zhì)量，并可降低生產(chǎn)和銷售成本，未來將得到推廣與普遍采用。

(4)鋰電替代鉛酸：與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比較，磷酸鐵鋰電池具有重量輕(約為同等容量鉛酸電池重量的50%)、占地面積小(根據(jù)不同安裝方式，一般為鉛酸電池占地面積的30%～50%)、能夠快速充電(可支持1～2h快速充滿)、高倍率放電、容量損失小(從0.1C電流到1C電流放電，均能放出95%以上的額定容量)、工作溫度范圍較寬(在環(huán)境溫度0～45℃范圍內(nèi)，使用性能基本穩(wěn)定)、循環(huán)壽命高(單體循環(huán)壽命一般可達(dá)3 000次，電池組循環(huán)壽命≥2 000次)、綠色環(huán)保(生產(chǎn)及使用過程中，不產(chǎn)生對自然環(huán)境構(gòu)成危害的物質(zhì))等顯著特點，隨著其成本逐步下降，越來越多的數(shù)據(jù)中心開始考慮通過鋰電池替代鉛酸電池儲能來降低使用成本。但由于其高能量密度的特點，鋰電池的應(yīng)用存在著熱失控風(fēng)險，需通過一系列的配套設(shè)計(如BMS系統(tǒng)、熱管理技術(shù)、檢測及滅火技術(shù)等)進(jìn)行預(yù)防和解決。

(5)全程智能化管理：通過提升供配電設(shè)備的智能化水平，實現(xiàn)供配電系統(tǒng)“源到端”全程實時可監(jiān)、可管、可控，通過動態(tài)匹配ICT設(shè)備的使用需求，實現(xiàn)安全、可靠、高效的供電。

2.2 數(shù)字能源技術(shù)

通過上述數(shù)字能源技術(shù)定義及數(shù)據(jù)中心電源產(chǎn)品發(fā)展趨勢分析，本文提出“柔性、智能、高效”的設(shè)計理念，充分利用電力電子技術(shù)和AI、大數(shù)據(jù)、IoT(物聯(lián)網(wǎng))、通信等數(shù)字技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)勢，通過將材料科學(xué)、熱工程學(xué)和微電子學(xué)等多學(xué)科融合，選用碳化硅、氮化鎵等小體積器件研發(fā)數(shù)字能源技術(shù)及數(shù)字能源硬件產(chǎn)品。

數(shù)字能源技術(shù)的關(guān)鍵是分布式軟件定義電池能量管控系統(tǒng)，可解決電池系統(tǒng)的“短板效應(yīng)”(由于電池單體固有差異性和固定串并聯(lián)成組方法的不匹配造成)所產(chǎn)生的一系列應(yīng)用問題(如充放電效率、循環(huán)壽命、有效容量、運維成本、可靠性和安全性等)。

軟件定義的電池能量管控系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)電池能量的數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化管控。該系統(tǒng)能夠在100ms內(nèi)完成電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)重構(gòu)，實現(xiàn)電池單體層面的充放電能量管理和控制，在不采用傳統(tǒng)主動或被動均衡電池管理系統(tǒng)(BMS)的前提下保證每節(jié)電池單體達(dá)到充放電截止電壓要求，同時實現(xiàn)毫秒級的故障電池單體的在線識別和在線隔離。通過電池能量交換系統(tǒng)將電池系統(tǒng)從傳統(tǒng)模擬能量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字能量系統(tǒng)，進(jìn)而與電池能量調(diào)度云平臺和電池巡檢云平臺無縫對接，實現(xiàn)電池系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)化能量管控。

電池能量管控云平臺通過上述電池能量交換系統(tǒng)將電池單體數(shù)據(jù)(如動態(tài)開路電壓和SOC等狀態(tài)信息)實時采集傳輸?shù)皆破脚_，基于電池單體狀態(tài)數(shù)據(jù)計算可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的等效SOC，同時將電池狀態(tài)數(shù)據(jù)通過專用API接口開放給第三方使用，如微網(wǎng)或配網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)。

系統(tǒng)自動巡檢云平臺通過上述電池能量交換系統(tǒng)、電池能量管控云平臺和整流電源，實現(xiàn)對機柜內(nèi)所有供電設(shè)備精細(xì)化管控，做到無需人工巡檢，實現(xiàn)故障電池單體在線識別和隔離、電池系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu)和在線更換故障單體電池等功能，改變傳統(tǒng)電池成組更換的運維范式，降低運維成本。

2.3 數(shù)字能源柜產(chǎn)品的實現(xiàn)

數(shù)字能源機柜將電源、電池及網(wǎng)絡(luò)機柜整合為一體，采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)機柜的外形，供電電壓等級為直流12V/-48V，為數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備提供安裝空間和分布式供電。數(shù)字能源機柜結(jié)構(gòu)中，電池模塊≤4U，整流電源≤3U，網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)哭器設(shè)備≥40U，其電路結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 數(shù)字能源機柜電路結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 各種供電架構(gòu)全程供電效率圖

3 數(shù)字能源技術(shù)及產(chǎn)品在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用分析

數(shù)字能源柜的研發(fā)實現(xiàn)，滿足了新形勢下ICT行業(yè)對供電高效、靈活及可靠性等方面的需求，提高了系統(tǒng)可靠性、電源資產(chǎn)和機房利用率。與傳統(tǒng)集中供電技術(shù)相比，具有以下技術(shù)特點。

(1)提出可軟件定義的電池能量管控技術(shù)，可根據(jù)每節(jié)電池的特性和狀態(tài)對充放電和成組進(jìn)行動態(tài)管理與控制，實現(xiàn)了電池數(shù)字化管控，智能巡檢運維。

(2)不間斷電源裝置中的各個功能模塊直接與母排總線連接，無需電力電纜，可緊湊地集成在一起，占用空間小，實現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)機柜內(nèi)快速分布安裝應(yīng)用。

(3)整流電源和電池采用模塊化設(shè)計，即插即用，按需配置，實現(xiàn)邊成長邊投資建設(shè)模式，電源和電池?zé)o需按機房容量一次性規(guī)劃建設(shè)。

(4)將整流電源和電池緊密集成在一個機框內(nèi)，分布布置在ICT設(shè)備機柜內(nèi)，無需專設(shè)電力電池室。

(5)數(shù)字能源柜具有工廠預(yù)制集成、快速部署、靈活配置等使用特點，實現(xiàn)了供電數(shù)字化、柔性化，匹配不同業(yè)務(wù)的ICT設(shè)備的部署要求并適應(yīng)不同ICT應(yīng)用場景安裝，在技術(shù)、管理等多個維度助力ICT行業(yè)減少對社會資源的占用，社會效益顯著。

數(shù)字能源柜推廣應(yīng)用將徹底顛覆現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)建設(shè)模式，無需單獨采購和安裝UPS、電池和網(wǎng)絡(luò)機柜等設(shè)備，同時經(jīng)濟(jì)效益顯著，供電效率提升3%～6%(見圖2)，機柜裝機率提升30%～40%，ICT設(shè)備安裝空間提升約20%。

同時其采用分布式供電架構(gòu)，與傳統(tǒng)集中式供電技術(shù)相比，具有較為明顯的比較優(yōu)勢，如表1所示。

4 結(jié)束語

數(shù)字能源柜適用于ICT行業(yè)各類場景安裝，包括通信局(站)、ICT機房、數(shù)據(jù)中心等，其柔性高效、安全智能、簡單緊湊的特點，將極大改善數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)建設(shè)成本高、運營成本高、業(yè)務(wù)匹配不靈活、空間占地等問題，助力數(shù)據(jù)中心行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

集中供電與分布式供電對比分析表 表1