一種可靠、高效、靈活的數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電解決方案

李玉昇,彭廣香,何茜（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

一種可靠、高效、靈活的數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電解決方案

李玉昇,彭廣香,何茜
（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

摘 要隨著中國移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速發(fā)展，中國移動(dòng)各地?cái)?shù)據(jù)機(jī)房將陸續(xù)建設(shè)，如何合理設(shè)置機(jī)房供電系統(tǒng)，對節(jié)能、節(jié)地都起著至關(guān)重要的作用。本文結(jié)合通信電源新產(chǎn)品、新技術(shù)應(yīng)用，提出了一種可靠、高效、靈活的數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電解決方案。

關(guān)鍵詞供電結(jié)構(gòu)；高壓直流；鋰電池

1　引言

中國移動(dòng)正在規(guī)劃建設(shè)多個(gè)集團(tuán)級和更多數(shù)量的省級數(shù)據(jù)中心，這些數(shù)據(jù)中心將優(yōu)先采用云計(jì)算和虛擬化技術(shù)，以及倉儲(chǔ)式、模塊化機(jī)房的建設(shè)模式，具有規(guī)模大，用電負(fù)荷密度高、總功率大、空間緊湊等特點(diǎn)。同時(shí)中國移動(dòng)對規(guī)劃建設(shè)的數(shù)據(jù)中心提出了低成本、低能耗、擴(kuò)展靈活的目標(biāo)。因此對機(jī)房供電系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性、運(yùn)行維護(hù)成本、節(jié)能環(huán)保和占地空間等提出了更高的要求。

本文通過對通信電源新產(chǎn)品、新技術(shù)應(yīng)用分析，提出了新型全分散供電結(jié)構(gòu)、336 V高壓直流電源和鋰電池的應(yīng)用，來實(shí)現(xiàn)建設(shè)高可靠性、高維護(hù)性、高效節(jié)能和高靈活性的數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電系統(tǒng)。

2　新型全分散供電結(jié)構(gòu)

2.1新型全分散供電結(jié)構(gòu)形式

新型全分散供電結(jié)構(gòu)是指將不間斷電源系統(tǒng)（含電池）分散安裝在用電設(shè)備的列頭或列間，就地為ICT設(shè)備供電，全分散供電系統(tǒng)主要由電池柜、電源機(jī)柜和配電柜組成，其組成示意圖如圖1所示。

圖1　全分散供電系統(tǒng)設(shè)備組成示意圖

2.2新型全分散供電結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1） 可取消電力電池室的建設(shè)，節(jié)約機(jī)房前期土建建設(shè)成本。由于將電源設(shè)備（含電池）分散到ICT設(shè)備機(jī)房內(nèi)部安裝，無需再單獨(dú)設(shè)置電力電池室，這樣可減少機(jī)房前期土建建設(shè)成本，更能提高機(jī)房的利用率。

（2） 柔性規(guī)劃，按需擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)邊成長邊投資的建設(shè)模式。選擇模塊化電源設(shè)備建設(shè)，電源系統(tǒng)容量可以根據(jù)機(jī)房的實(shí)際容量需求配置，逐步擴(kuò)容，無需在建設(shè)初期一次性按最大容量建設(shè)，只要在機(jī)房初期規(guī)劃好配電容量即可。

（3） 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。從電源系統(tǒng)組

成方面來看，全分散供電電源系統(tǒng)組成相對傳統(tǒng)集中供電電源系統(tǒng)組成簡單，系統(tǒng)可靠性非常高。全分散供電系統(tǒng)完全貼近通信設(shè)備供電，省去了輸出配電屏到列頭柜間的供電環(huán)節(jié)，通過系統(tǒng)可靠性計(jì)算，全分散供電系統(tǒng)可用度可達(dá)到99.999 999%。

（4） 電源系統(tǒng)效率高，節(jié)能效果明顯。選用高效電源設(shè)備，電源系統(tǒng)效率能夠達(dá)到95%以上，與傳統(tǒng)“1+1”UPS冗余系統(tǒng)相比，電源系統(tǒng)效率可提高5%～10%。

（5） 電源系統(tǒng)配置靈活，可滿足不同等級通信設(shè)備的用電需求。由于電源設(shè)備安裝在每列設(shè)備的列頭或列間，可根據(jù)通信設(shè)備供電等級要求，采用單電源或雙電源系統(tǒng)供電，因此，當(dāng)機(jī)房全部采用全分散供電結(jié)構(gòu)后，可以隨時(shí)應(yīng)對同ICT設(shè)備的供電需求，提高了工作效率。

（6） 電源設(shè)備安裝緊湊，提高了機(jī)房通信設(shè)備的裝機(jī)率。由于列頭電源設(shè)備均采用19"標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜安裝，設(shè)備安裝緊湊，占地面積小，拆裝方便，所以搬遷易、快捷、無浪費(fèi)或少浪費(fèi)，隨時(shí)可滿足機(jī)房區(qū)域調(diào)整的需求。

2.3新型全分散供電結(jié)構(gòu)對設(shè)備的選型要求

為了能夠在同一機(jī)房內(nèi)與ICT設(shè)備機(jī)柜同列安裝，與ICT設(shè)備機(jī)柜保持風(fēng)格一致，電源設(shè)備選型配置要求如下：

（1） 電源機(jī)柜、配電柜和電池柜尺寸要求為標(biāo)準(zhǔn)19"機(jī)柜；

（2） 電源設(shè)備應(yīng)采用高可靠性的模塊化電源（如組合式高壓直流），電源系統(tǒng)容量可根據(jù)需要行擴(kuò)容；

（3） 電池應(yīng)選用大電流放電特性好，占地面積小、重量輕，無酸霧，適合在標(biāo)準(zhǔn)19"機(jī)柜內(nèi)安裝的蓄電池（如鋰電池）；

（4） 電源系統(tǒng)應(yīng)有完善的監(jiān)控管理功能，并能夠接入機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

隨著通信電源技術(shù)的發(fā)展，模塊化電源和新型鋰電池在通信行業(yè)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)有的新型電源產(chǎn)品（如高壓直流和鋰電池等設(shè)備）完全能夠滿足全分散供電方式電源設(shè)備的配置選型要求，為我們創(chuàng)造了采用全分散供電結(jié)構(gòu)的條件。

3　336 V高壓直流電源應(yīng)用

高壓直流供電系統(tǒng)（HVDC）是近幾年正在研究的一種集中了UPS供電系統(tǒng)和-48 V直流供電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為一體的新型供電系統(tǒng)。

336V（標(biāo)稱電壓）高壓直流電源是中國移動(dòng)提出的面向未來全新的供電方案，這與國際上提出380 V的運(yùn)行電壓是一致的，具有國際先進(jìn)水平。

3.1336 V高壓直流電源技術(shù)特點(diǎn)

336V高壓直流供電系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)效率低、可擴(kuò)展性差、可靠性低、成本高等弊病，具有電路簡單、變換少、可靠性高、效率高、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。其與傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對比如圖2所示。

圖2　傳統(tǒng)UPS與HVDC內(nèi)部結(jié)構(gòu)對比圖

336V高壓直流供電系統(tǒng)可以很好的解決交流UPS存在的諸多問題，各種參數(shù)對比如表1所示。

3.2336 V高壓直流電源供電方案

根據(jù)服務(wù)器輸入電壓的不同，336 V高壓直流電源在數(shù)據(jù)中心中供電方案主要有以下兩種。

方案1：選用輸入電壓為12 V直流服務(wù)器，通過在服務(wù)器機(jī)架中部配置336 V/12 V的嵌入式電源集中為12 V直流服務(wù)器供電。

12 V直流服務(wù)器應(yīng)用已非常成熟，目前阿里巴巴、谷歌、Facebook數(shù)據(jù)中心均選用的12 V直流服務(wù)器。

方案2：選用輸入電壓為400 V直流服務(wù)器，直接采用336 V高壓直流系統(tǒng)供電。其供電結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

目前國際上400 V高壓直流電源接口標(biāo)準(zhǔn)已于2012年2月發(fā)布， HP、IBM等企業(yè)將在年內(nèi)陸續(xù)推出400 V直流服務(wù)器。

表1　傳統(tǒng)UPS供電和高壓直流參數(shù)對比分析表

3.3336 V高壓直流電源產(chǎn)品成熟度

目前國內(nèi)主要通信電源廠家（如華為、艾默生、志成冠軍、中達(dá)、動(dòng)力源、核達(dá)中遠(yuǎn)通等）均研發(fā)生產(chǎn)出高效率（95%以上）的336 V直流電源產(chǎn)品和高效率（94%以上）的336 V/12 V嵌入式電源或PSU，大部分廠家參與了中國移動(dòng)336 V高壓直流電源試點(diǎn)應(yīng)用工程，從系統(tǒng)各項(xiàng)測試結(jié)果來看，產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)完全適用通信和數(shù)據(jù)設(shè)備的供電需求。

隨著國內(nèi)外高壓直流相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的陸續(xù)發(fā)布和產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，通信電源廠家將推出各種類型的336 V直流電源及相關(guān)配套產(chǎn)品，我們相信336 V高壓直流電源供電方案將成為數(shù)據(jù)中心高效供電解決方案。

3.4數(shù)據(jù)中心ICT設(shè)備336 V直流供電支持情況

3.4.1 ICT設(shè)備336 V直流供電原理

目前ICT設(shè)備主要以交流供電為主，交流電源模塊（PSU）主要有兩種，ATX標(biāo)準(zhǔn)電源和SSI標(biāo)準(zhǔn)電源，其簡化的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3。交流220 V輸入先經(jīng)過EMI、整流、PFC電路，變換成380 V左右的直流，然后再將380 V直流經(jīng)過DC-DC電路變換成12 V直流，12 V直流通過分壓電路獲得0.8～5.0 V直流電壓提供給ICT設(shè)備電子負(fù)載使用。

圖3　交流電源模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

對于采用交流電源模塊供電的ICT設(shè)備，可以將其交流電源模塊替換為336 V直流電源模塊完成直流化升級。336 V直流電源模塊的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖4。相比交流電源模塊，省去了整流、PFC這些AC-DC電路，直接將336 V直流經(jīng)過DC-DC電路變換成12 V直流，12 V直流通過分壓電路獲得0.8 V～5.0 V直流電壓提供給ICT設(shè)備電子負(fù)載使用。因變換環(huán)節(jié)和電路簡化，336 V直流電源模塊比交流電源模塊的可靠性、效率更高，成本更低。

圖4　336 V直流電源模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

從以上拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的對比可以看出，ICT設(shè)備交流電源模塊和336 V直流電源模塊有以下共同點(diǎn)。

（1）ICT設(shè)備內(nèi)部基礎(chǔ)工作電壓均為12 V直流，通過分壓電路獲得0.8 V～5.0 V直流電為電子負(fù)載供電。無論外部輸入交流還是直流最后都需要轉(zhuǎn)換成12 V以下直流電壓為電子負(fù)載供電。

（2）DC/DC環(huán)節(jié)具均備電氣隔離。對ICT設(shè)備的電子負(fù)載來說，交流電源模塊和336 V直流電源模塊輸出電源要求相同，交流電源模塊供電的ICT設(shè)備在更換電源模塊后可以采用336 V直流電源供電。

3.4.2 現(xiàn)有ICT設(shè)備336 V直流供電支持情況

數(shù)據(jù)中心主流應(yīng)用的設(shè)備有路由器、交換機(jī)（盒式交換機(jī)、框式交換機(jī)）、服務(wù)器（機(jī)架式服務(wù)器、刀片式服務(wù)器）、存儲(chǔ)磁陣、防火墻設(shè)備等，這些設(shè)備中的大多數(shù)是采用交流電源模塊供電，這些交流電源模塊部分是可插拔的獨(dú)立的模塊，部分是固定安裝在設(shè)備內(nèi)部的獨(dú)立的模塊。這些主流設(shè)備，大多數(shù)都可以通過將交流電源模塊更換為直流電源模塊的方式，支持336 V直流供電應(yīng)用。

但目前的路由器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般沒有內(nèi)置交流電源模塊或者48 V直流電源模塊，不能通過更換電源模塊的方式支持336 V直流。設(shè)備內(nèi)部的業(yè)務(wù)單板、控制單板等部件，也不能支持336 V直流直接輸入供電。因此，路由器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要通過外置336 V 轉(zhuǎn)48 V直流電源框的方式來實(shí)現(xiàn)支持336 V直流供電。未來，隨著路由器設(shè)備供電架構(gòu)的演進(jìn)，也會(huì)出現(xiàn)內(nèi)置336 V直流電源模塊的供電架構(gòu)，直接支持336 V直流供電。

以華為公司生產(chǎn)的ICT設(shè)備為例，數(shù)據(jù)中心ICT設(shè)備支持336 V直流供電情況如表2所示。

表2　華為ICT設(shè)備支持336 V直流供電情況統(tǒng)計(jì)表

4　鋰電池應(yīng)用

鋰電池是一種新型電池，目前主要應(yīng)用在在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，自2010年起，中國移動(dòng)已經(jīng)開始在一些移動(dòng)通信基站和高壓直流供電系統(tǒng)設(shè)備的測試系統(tǒng)中試用，探索中國移動(dòng)引入鋰電池的安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性。

4.1鋰電池技術(shù)特點(diǎn)

鋰電池與傳統(tǒng)鉛酸電池相比，具有環(huán)境污染小、適用溫度范圍寬、循環(huán)壽命長、高溫性能好、充電效率高、能量比高（占地面積小、重量輕）等優(yōu)點(diǎn)。磷酸鐵鋰電池與傳統(tǒng)鉛酸電池對比分析如表3所示。

從表3對比分析來看，鋰電池非常適合大電流短時(shí)間放電場合，因此對于高密度數(shù)據(jù)中心建議優(yōu)先考慮配置鋰電池，特別是與高壓直流電源配合使用，供電結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，占用空間小，能完全實(shí)現(xiàn)全分散供電結(jié)構(gòu)的要求。

表3　鋰電池與傳統(tǒng)鉛酸電池對比分析表

4.2鋰電池應(yīng)用方案

目前，在通信行業(yè)，鋰電池產(chǎn)品主要以48V電池模塊（由16節(jié)3.2 V電芯組成）形式出現(xiàn)的，當(dāng)與336 V直流電源配合使用時(shí)，選擇7個(gè)48 V鋰電池模塊串聯(lián)成336 V鋰電池組使用。

由于鋰電池必須使用BMS（電池管理系統(tǒng)），且需要對每個(gè)3.2 V單體進(jìn)行監(jiān)測和控制，以保證電池的一致性，但單一BMS管理100只以上的單體電池難度也很大

針對此問題，我們提出了336 V鋰電池組雙理模式，底層為單元BMS，對單個(gè)48 V鋰電池行監(jiān)測和管理；上層為系統(tǒng)BMS，綜合處理底BMS單元的監(jiān)測信息和管理要求，同時(shí)與336 V直流電源監(jiān)控模塊進(jìn)行通信，來實(shí)現(xiàn)對336 V鋰電池組內(nèi)部電芯進(jìn)行管理，確保電池充放電的安全。

4.3鋰電池產(chǎn)品成熟度

目前， 國內(nèi)外主要鋰電池廠家（如LG、比亞迪、雙登等）均研發(fā)生產(chǎn)出能夠與336 V直流電源系統(tǒng)的電池產(chǎn)品，并進(jìn)行了與336 V直流電源配合應(yīng)用測試，從測試數(shù)據(jù)來看，高質(zhì)量的鋰電池能夠在數(shù)據(jù)中心機(jī)房中安全使用。

5　結(jié)束語

目前中國移動(dòng)正積極開展通信電源新技術(shù)、新產(chǎn)品的應(yīng)用研究，如在新型數(shù)據(jù)中心哈爾濱試點(diǎn)工程、呼哈基地中已采用了336 V直流電源和鋰電池供電方案。

隨著通信電源新技術(shù)的不斷發(fā)展應(yīng)用，通信電源設(shè)靠性的提高，以及數(shù)據(jù)中心機(jī)房規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和維護(hù)人員的觀念的革新，相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)的完善，我們相信全分散供電結(jié)構(gòu)、336 V高壓直鋰電池的應(yīng)用必將成為數(shù)據(jù)中心機(jī)房中一種主要供電解決方案。

A reliable, efficient and flexible power supply solution for data center

LI Yu-sheng, PENG Guang-xiang, HE Xi
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

AbstractWith the rapid development of China Mobile data business, the data center will continue to build, how to set up a reasonable power supply system, the energy saving, the festival is playing a vital role. In this paper, the application of new technology, a kind of reliable, effi cient and fl exiblepower supply solution for data center room is put forward.

Keywordspower supply structure； HVDC； lithium battery

收稿日期：2014-

中圖分類號TN915

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號1008-5599（2015）11-0078-05