數據中心電源技術的應用及發展研究

孫發杰

中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司 廣東 廣州 510663

引言

數據中心是海量數據存儲、開發的重要場景，需要保證持續的穩定供電，避免因斷電出現信息丟失，影響數據中心后續正常運營。作為數據中心的重要應用技術，電源技術的應用質量將會對我國許多行業未來發展產生間接影響，需要關注做好數據中心電源技術的研究工作。考慮到電源技術具有更新迭代的特點，除基礎的技術應用外，也需要合理研究數據中心電源技術的未來發展，探索數據中心的新發展道路。

1 數據中心電源技術應用價值

在數據中心工作環境中，電源技術應用價值主要集中在以下兩個方面：第一、電源智能化。在電源智能化技術中，可以根據供電電源的運行情況，進行故障的自我檢測與自動報警，及時發現、排除故障，進而降低整個數據中心的維護成本。技術人員也可以根據電源技術的反饋情況，隨時確認供電電源設備工作狀態，并進行必要的調整，保障數據中心的穩定運行；第二、電源通用化。伴隨各個領域快速發展，數據中心的設備數量也在不斷增加，設備的輸入輸出接口不通用的問題，則成為影響數據中心電源技術高效應用的阻礙。通過電源通用化技術，可以逐漸影響各類設置的生產單位統一生產標準，推動全行業的電源硬件設備的通用化，合理提升故障排查與處理效率，進而助力數據中心電源技術的進一步發展。

2 數據中心電源技術具體應用

我國數據中心電源技術經過多年時間的發展，逐漸形成以不間斷電源技術（Uninterruptible Power Supply，UPS）、高壓直流輸電技術（High Voltage Direct Curren，HVDC）、高壓直流技術等為主流的技術應用模式，需要對這兩種電源技術的具體應用展開詳細分析。

2.1 UPS技術

2.1.1 直流UPS技術特點。基于直流UPS技術的數據中心電源系統，將擁有良好穩定性的直流電源，作為設備負載電流使用，對于諧波輸入分量降低具有良好效果，在保護電網系統環境方面具有良好效果。為配置開關電源的網絡設備提供直流電源，通信設備的諧波干擾問題得到有效解決，基本不會出現負載末端的零接地電壓安全風險。而且，整個系統具有較為簡單的設計結構，可以根據數據中心的允許需求，并聯若干個功能模塊，確保網絡設備、通信設備得到最大化應用，合理規避資源浪費情況。以數據中心電源系統為代表的大型直流供電系統，會應用數字化模塊運行模式，某個功能模塊出現故障時，可以使用正常的功能模塊及時替換，避免影響數據中心的正常運行，有效提升數據中心電源系統檢修與維護效率[1]。

2.1.2 UPS技術運行系統。基于UPS技術的數據中心電源系統，已經從原本的集中式交流UPS模式發展為分布式直流UPS模式，逐步淘汰鉛酸電池，使用供電效率更高的鋰電池，并由電力室做統一監管。可以將基于UPS技術的數據中心電源系統細分為以下幾種應用模式。

應用模式一：分布式鋰電源系統。針對數據中心機房的供電需求設計的分布式鋰電源系統，其通過磷酸鐵鋰電池新技術取代以往的集中供電模式。相較于在電力室集中放置的閥控密封鉛酸電池，磷酸鐵鋰電池擁有2倍~3倍的使用壽命，具有體積小、重量輕的特點，可以直接放置在每個標準機架中，極大提升機房空間的利用效率與供電水平。磷酸鐵鋰電池的啟動器擁有較大的啟動電流，可以在短時間內達到深度放電效果，不會產生過多的環境污染。特別是近些年我國磷酸鐵鋰電池產量提升、價格下降，數據中心電源系統的開發建設成本也得到有效控制。基于UPS技術的數據中心電源系統的電源模塊支持兩路網絡輸入、輸出，在供電處理過程中，如果電網系統擁有正常的輸入條件，數據中心由電網直接供電；在市電發生中斷故障時，數據中心電源系統會控制分布式鋰電源系統轉換到高壓直流工作模式，數據中心由儲能鋰電池負責供電，以此保障數據中心的長時間穩定運行。在應用分布式鋰電源系統后，即使出現少量的設備故障問題，也不會對整個電源系統正常運行造成影響。如果出現輸入功率損失現象，電源系統則會自行切換到高壓直流工作模式，省略逆變器處理程序，進入提升能源使用效率。而且，分布式鋰電源系統是在機柜中進行分散放置，可以省略配置空調的資金投入，在后續維護方面，也可以有效降低資源消耗[2]。

應用模式二：服務器主板直掛電池系統。為機架裝載的通信設備設置12V電池，結合UPS技術的分布式電源，構成雙重備用能量設計，確保數據中心的所有服務器均具備電源供電與電池供電功能。在市電正常供應時，直接由市電向服務器進行直接供電，此時12V電池處于充電狀態；在市電供應中斷時，電池會先進行放電，再由分布式電源向數據中心供電。利用12V電池與通信設備的連接方式，可以有效降低電力資源在傳輸過程中的損耗問題。但是，服務器主板直掛電池系統需要投入較多的電池，實際建設成本偏高，供電效率并沒有得到明顯提升。

應用模式三：分布式電源架構。末端服務器主板的電源系統呈現分散化的電池分布狀態，IT系統也呈現分散分布狀態。并且，距離末端服務器主板越近，也需要更高的通信設備運行性能，對于電池控制也產生更高的標準。縮短電池從網絡到服務器主板末端的距離，可以有效降低能量轉換級數，提升電力資源的轉換效率，卻出現低壓側傳輸損耗提升的問題，這意味著電源架構會對數據中心的供電系統運行穩定性、建設成本等具有較大影響。根據UPS技術，將集中式電源架構升級成分散式電源架構，即通過240V高壓直流供電系統+磷酸鐵鋰電池的電源架構，為數據中心的眾多設備提供電力資源。分散式電源架構采用模塊化設計結構，并以數據中心的機房設置情況，做模塊堆疊處理。整個數據中心電源系統是在負載深處位置，有效縮短直流配電距離。相比于應用模式二的服務器主板直掛電池系統，分布式電源架構省略安裝大容量電池供電設備的環節，有效降低數據中心電源系統的開發建設的資金支出。而且，分布式電源架構是整合集中式供電架構與分散式供電架構優勢的產物，在應用方面具有良好優勢[3]。

2.2 HVDC技術

2.2.1 HVDC供電模式。基于HVDC技術的數據中心電源系統，基本采用輸出二級配電結構設計模式，即使用直流系統總輸出屏+電源列柜的組合供電方式，為設備機架提供電力資源。如果數據中心電源系統容量偏大，或是數據中心的規模較大，擁有較多的運行設備，也可以采用三級配電結構設計模式，即在二級配電結構設計模式技術基礎上，增加機房直流分配屏設計內容。相比UPS技術，HVDC技術允許電池直接連接HVDC的輸出端，并通過浮充模式進行充電，并沒有設置獨立的電池充電器。HVDC的供電系統采用直流+/–級的母線供電模式，可以從根本上解決通信設備的零地電壓問題，如圖1所示。如果需要調整機柜容量，或是在機房內調整機柜位置，可以通過專用配電母線的即插即用技術優勢，實現靈活調整[4]。

圖1 HVDC供電模式結構示意圖

2.2.2 HVDC與傳統UPS技術對比。同為數據中心電源技術，HVDC與UPS均能滿足數據中心的供電需求，兩者在技術層面有一定差別，可以從系統可靠性、電能利用效率兩個方面進行分析。

方面一：系統可靠性對比。UPS向通信設備輸送380V/220V的交流電，閥控密封鉛酸電池輸送直流電。如果發生市電中斷情況，此時在閥控密封鉛酸電池的電力資源無法直接提供給通信負載，需要利用DC/AC的逆變器，把閥控密封鉛酸電池的直流電轉變成交流電，才能滿足通信設備的使用需求。這意味著如果市電可以保持正常供應狀態下，UPS逆變器無法正常運行，即便是閥控密封鉛酸電池擁有充足儲能、備用發電機狀態正常，也會出現通信設備無法正常使用的問題，具有明顯的單點故障問題。相比于UPS，HVDC向通信設備提供電力資源時，擁有以下兩點優勢：第一、HVDC的電池與配電模塊保持直接連接狀態，可以將電力資源直接輸送給通信設備，在省略逆變器的逆變程序時，可以有效降低電力資源供應的故障問題；第二、HVDC在進行供電時，僅有一個幅值的電壓差，將電壓控制到通信設備的額定功率即可，不會出現頻率同步或相位同步其他問題。

方面二：電能利用率對比。單套基于UPS技術的數據中心電源系統具有一定的單點故障問題，為有效提升其運行安全性，會采用主-備組合模式進行供電，這會出現50%的冗余問題。如果設置主-主-備的組合模式，仍然存在34%的冗余度。而且，在實際運行過程中，基于UPS技術的數據中心電源系統并不會保持滿負荷運行。如果根據80%容量標準進行計算，UPS擁有47%的冗余度。而且，在諸多使用案例中也可以發現，數據中心電源系統安全穩定性與UPS冗余度存在較為嚴重的矛盾問題。基于HVDC技術的數據中心電源系統，擁有更高的通信設備負載率，則會擁有更高的HVDC利用率。HVDC的電能轉換級數較少，可以省略DC/AC的逆變器逆變環節。使用240V直流電的HVDC，也不會出現諧波干擾現象，可以有效控制電力資源輸送期間出現的電纜發熱問題。基于HVDC技術的數據中心電源系統也可以實現功能模塊的直接并聯，功能模塊利用效率超過80%。相比于傳統UPS供電模式，HVDC供電模式可以減少20%的電力資源消耗[5]。

2.3 高壓直流技術

基于220V電力電源、48V通信電源技術的240V高壓直流技術，允許數據中心的大多數通信設備不用做額外改造，直接開展適配供電作業。而且，在240V高壓直流技術在供電效率方面，可以達到96%的效果，擁有良好的運行可靠性，允許熱插拔，也是我國數據中心電源技術重要的研究方向。現階段，我國各地的數據中心約有10萬臺的通信設備由240V高壓直流設備供電。比如典型的雙電源服務器，供電架構采用一路市電直供，一路240V高壓直流供應。對于數據中心的服務器電源，其內部采用自動均流模式，此時的市電與240V高壓直流分別承擔整個數據中心的一半負載。對于市電直供支路，在理論上供電效率可以達到100%的水平，根據數據中心運行情況設計的240V高壓直流供電系統，可以通過節能休眠控制模式，獲得94%~96%的供電效率，利用這種均分負載供電模式，在供電效率方面可以達到97%~98%的水平，要比常規的UPS供電架構的供電效率更高。在運行過程中，可以向數據中心提供穩定的電力資源供應，還能達到接近準市電直供技術的供電效率。如果數據中心的單電源服務器數量偏少，也可以選擇直接掛接的方式，與240V高壓直流支路進行連接，以便獲得更高效率的電力資源供應。也可以考慮在數據中心的服務器電源設置主從設置，或是增加休眠電源的功能，這種模式下的高壓直流技術供電效率可以達到99%。

3 數據中心電源技術未來發展方向

3.1 提升功率密度

伴隨數據中心管理單位不斷發展，會設置更多的運行設備，導致機房溫度逐漸提升。但是，通過空調系統對機房進行制冷處理，在一定程度上又會提升能源消耗量。想要保證機房內部的溫度平衡，就需要保證通信電源擁有良好的運行功率，以及較高的功率密度，避免出現通信設備過熱損壞。未來數據中心電源技術的突破點，將會是電源的功率密度、運行功率等內容。

3.2 智能監控管理

在電源智能化技術的基礎上，設計數據中心基礎設施管理（Data Center Infrastructure management，DCIM），針對以服務器為代表的IT基礎架構、空調系統等基礎架構進行智能化監控管理。結合三維立體數據模型與仿真技術，進行數據中心電源技術的可視化處理，配合7day×24hour的視頻監控技術，實現全天候實時化監控。如果出現運行數據問題，可以直接調取時間節點前后的運行數據，分析基礎架構的具體運行問題，進而提升整個數據中心的管理效率與質量。

3.3 數字化控制

全產業未來發展方向將會是數字化發展模式，通過控制電源技術的使用穩定性與制造成本，實現電源行業的全面革新發展，并為數據中心提供更為可靠的數字化管理條件。

4 結語

在數據中心場景下應用電源技術時，需要對數據中心的運行需求做詳細分析，結合本文理論內容，設計一套匹配數據中心可用資源的電源技術應用方案。在方案執行過程中，則要根據數據中心近一段時間內的數據處理情況，對方案細節內容做優化處理，確保數據中心電源技術得到更高效率的應用，提升數據開發利用效率，為相關領域可持續發展貢獻力量。