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浅谈数据中心基础设施节能技术及标准化(一)

双击自动滚屏 发布者:精密空调 发布时间:2017-03-03 09:22:08 阅读:次【字体:

1 引言

近几年来,中国的数据中心基础设施市场进入了高速发展阶段。ICT Research报告指出,2011年,整体销售额为141.83亿元,增长率为9.4%。虽然其中部分产品销售额为负增长,但是为2012年的增长打下了基础。2013年整体规模为157.85亿元,直到2014年,基础设施整体销售额增长到182.29亿元,增长率为9.5%,预计2017年将增长到220.77亿元,每年保持的增速为8%~9%。大量基础设施建设的同时也带来了能耗的大幅度提升的问题,目前国内各供应商、运营单位、研究机构均开展节能技术以及绿色能源等技术,从而达到基础设施可持续发展的目标。

本文是数据中心基础设施节能技术及标准化系列讲座之一,将重点研究数据中心基础设施供电系统中应用的主要节能技术的原理、应用情况以及其标准化工作进展等。

2 数据中心供电系统架构及节能技术

据美国采暖制冷与空调工程师学会(ASHRAE)技术委员会9.9(简称TC9.9)统计报告显示,数据中心各部分的用电量分布大致如图1所示。由图可见,IT系统、制冷系统和供电系统是数据中心能耗大户。

供电系统主要由油机系统、高低压变配电系统、不间断电源系统和机房配电系统组成。其典型的系统架构如图2所示。

3 数据中心供电系统节能技术供电技术

随着大数据、云计算、物联网以及移动互联网的飞速发展,数据中心已经应用到了各行各业,其重要性也日益突出。目前数据中心领域供电系统中,为了节能以及减少成本而提出的主流技术有高压油机技术、高压直流供电技术、市电与保障电源两路供电技术和高倍率电池技术,这些技术分别应用在图2中的各个子系统中。

(1)高压直流供电技术

高压直流供电技术作为早期应用的技术,在近一两年呈现出大规模增长的态势,图3为某供应商对各垂直行业高压直流供电系统应用情况做的统计数据。由于高压直流技术采用直流供电方式,消除了UPS中的逆变环节,能够简化系统结构,提高电能利用率,有效降低用户投入成本,避免故障隐患,具有十分重要的应用价值。

笔者认为高压直流供电系统最大的优势是显著地提高了可靠性,其次才是由于采用了模块化结构,可以采用休眠等技术改变模块负载率,从而获得较高的能效。与传统的大容量交流塔式UPS系统相比,系统实际运行效率会高一些,但与模块化UPS等相比,效率无明显的差异。

中国通信标准化协会制定了一系列的高压直流供电系统及相关配套产品的系列标准:YD/T2378-2011《通信用240V直流供电系统》;

YD/T2555-2013《通信用240V直流配电设备》;

YD/T2556《通信用240V直流供电系统维护技术要求》;

YD/T2656-2013《基于240V/336V直流供电的通信设备电源输入接口技术要求与试验方法》;

YD/T2089-2016《通信用336V直流供电系统》;

YD/T2088-2016《通信用336V整流器》;

YD/T3091-2016《通信用240V/336V直流供电系统运行后评估要求与方法》等。

处于报批阶段的标准有:

《通信用240V/336V直流-直流模块电源》;

《通信用240V/336V直流配电单元》等。

目前正在起草一篇《信息通信用240V/336V直流供电系统》国家标准。

关于高压直流供电技术国际标准汇总表如表1所示。

从上述国内、国际标准可以看出高压直流系列标准的研究工作开展的比较全面,覆盖了通信用240V/336V电压直流供电环节中的各个单元部分,如系统、整流模块、系统输入输出配电部分、与ICT设备之间接口、机柜的PDU、ICT设备内部的PSU部分以及对整个系统的评估和维护等。作为国际标准化组织,国际电信联盟ITU-T非常活跃,也制定了一系列的标准。而IEC目前正在制定的标准和报告有:

62040-5-3《直流UPS测试与性能》;

62040-5-1《直流UPS安全要求》标准;

IECTS62735-1《直流400V插头插座》研究报告等。

(2)市电与保障电源两路供电技术

市电与保障电源两路供电(以下简称两路供电)技术是指一路为市电直接供电,另一路为高压直流(240VDC)或者交流UPS供电。其配置方式具有两种供电模式:一种为一路市电供电,另一路为高压直流供电;另一种为一路市电供电,另一路为交流UPS供电。具体系统结构见图4和图5。

目前行业内应用的两路供电系统工作模式有两种。模式1为市电优先工作模式:当市电正常时,为市电供电模式;当市电发生故障时,切换至保障电源模式,市电恢复正常后切换回市电供电的模式;模式2为均分负载工作模式:市电回路与保障电源回路无优先级,为平均带载的模式,如各带50%的负载。

在进行实际测试中,可以发现,两路供电技术的应用可以大幅度地提升系统的效率,达到97%~98%,同时系统的效率也不会因为负载率的变化而产生太明显的变化,起到了高效稳定的作用。但该项技术的应用也应注意到因为市电供电回路中,ICT设备电源由于市电供电存在着电压中断、电压闪变、电压不平衡、电压谐波、电压骤降或骤升等市电带有的电能质量问题。另外,当市电中断时,由油机系统直接带ICT设备。ICT设备电源模块由于呈现容性特性,在系统设计时应考虑油机系统带容性负载的特性,如油机容量的配置等。

中国通信标准化协会于2014-2015年立项研究协会研究报告《针对服务器市电加保障电源的两路供电模式研究报告》,在此研究报告的基础上,2016年底提出了行业标准立项申请,正在完成相关手续。该研究报告主要研究了服务器设备供电现状及存在的问题、市电直供系统(含市电直供可行性、系统架构、工作模式等)、节能效果、可靠性分析和两路供电模式优势分析等。

此外,中国通信标准化协会2016年已立项研究行业标准项目《电信互联网数据中心用交直流智能切换模块》,研究主要用于交流和直流两路供电系统中的切换模块。该切换模块是指在IT机架的一路交流(如市电)、另一路高压直流供电场景下进行切换的转换开关,适用于各类数据中心、各类呼叫中心、各类营业中心、各类监控中心、各类金融证券中心、部队装备中心、OA系统等大量使用IT设备的场景。当市电与高压直流两路供电系统工作在均分负载工作模式时,系统不需要此类开关,但系统运行效率相比于市电优先模式要低一些;而市电优先模式下,需要此类开关进行切换。如当市电发生故障时,由此转换开关切换至直流供电回路;而市电恢复正常时,再切回直流供电模式。

关于此项技术的国际标准化方面,2015年由中国信息通信研究院提出文稿,把市电与高压直流两路供电技术写入了ITU-TL.1204标准中,具体的描述以及电路结构如图6所示。

当ICT设备具有冗余的电源模块时,可采用交流和直流两路混合供电技术,在大部分时间由市电供电,从而获得更高的效率。

此外,ITU-TSG5在2016年10月全会中,提出立项研究L.dualpowerinput《多路交流或高达400V直流输入的ICT设备电源影响》标准。该标准将分为四种情况进行分析:带有转换开关的两路交流电源模块、带有转换开关的两路直流电源模块、具有内置电路但无转换开关的两路直流电源模块以及带有转换开关的交直流电源模块,分别对传送线缆、插头插座、隔离装置、电流均分方式、电池配置方式等方面进行深入研究。

(3)高压油机供电技术

信息通信领域高压油机是指输出电压为10kV的油机系统。由于该系统提高了输出电压,减少了传输线路上的损耗,并随着数据中心的容量大型化而得到了广泛的应用。表2是针对低压和高压油机组的简单对比。由此表可见,虽然在复杂度和技术层次上高压油机有着其较高的难度,但是一旦搭建出完善的供电系统,高压油机无论是在输送距离、线损还是容量密度等方面都有着明显的优势。

工业和信息化部发布了YD/T2888-2015《通信用10kV高压发电机组》,该标准规定了由往复式内燃(RIC)柴油发动机、交流(a.c)发电机、控制装置和辅助设备组成的工频高压发电机组的技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存。该标准适用于通信用输出电压为10kV电压等级、额定频率为50Hz的发电机组,3kV和6kV发电机组也可参照实行。与低压油机相比,此标准去掉了原低压油机的电话谐波因数、不对称负载下的线电压偏差等指标,并在并联运行要求上提出,两台以上型号规格相同的机组应能稳定地并联运行,且可平稳地转移负载的有功功率和无功功率,其有功功率和无功功率的分配差度应不大于单台机组功率的3%,而原低压油机的标准要求是不大于单台机组功率的10%。此外,针对机组的燃油消耗率和机油消耗率上要求与低压机组有所差异。在安全性要求中,由于高压输出设备与低压电压等级不同,因此针对输出安全性要求有所不同,明确提出“高压输出设备应符合GB/T11022-2011中对高压开关设备和控制设备的技术要求”。

(4)高倍率电池技术

电池的放电倍率是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值,在数据值上等于电池额定容量的倍数,通常以字母C表示。如电池的标称额定容量为600mAh为1C(1倍率),300mAh则为0.5C,6Ah为10C,以此类推。高倍率电池能大电流放电与其极板设计有关,能在大电流放电之后依然能放出电池容量的很大一部分。而普通电池在大电流放电时,只能放出很少一部分能量。图7为某供应商提供的高倍率电池与普通的阀控式密封铅酸蓄电池进行放电功率的比较。从数据中可以明显看出,在相同的备电时间,高倍率电池比普通电池的功率值大。

电池的倍率与电池的原材料和工艺有关,电池的倍率特性是指电池的充放电性能,倍率越高,能够承受的放电电流就越大。且在大电流放电倍率下的发热问题也是高倍率电池所要面临的重点问题。

中国通信标准化协会已立项研究行业标准《通信用高倍率阀控式密封铅酸蓄电池》。该标准适用于通信机房、数据机房,放电倍率大于1C10的阀控式密封铅酸蓄电池。此标准目前的讨论稿中要求按照蓄电池在标称功率下的放电时间应大于15min,且针对功率密度系数、连接条压降和温升等特殊指标均提出了要求,建议业界给予关注。

4 结束语

本文对数据中心基础设施供电系统中所涉及的节能以及减少初期投资成本的新技术进行了分析,并对与此相对应的国内国际标准化工作进行了先容和解读,希翼给数据中心领域内研发和应用工作人员提供参考和相关依据。


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