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微软LES供电技术介绍

2015年05月07日 15:33:52 | 作者:腾讯计算机系统IDC平台部 李典林 | 来源:cnw.com.cn

摘要:本文对微软数据中心创新的LES供电架构做了详述,并与传统UPS等供电架构进行了对比分析。同时本文也有助于了解微软在整机柜及数据中心方面的一些创新和极致追求,非常值得国内同行参考学习。

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图7有这个电池BBU的更详细细节,采用了三洋电子日本产的电芯,于中国苏州集成电池包,额定电压为28.8V,容量为3200mAh,总计92瓦时的容量。PSU模块采用了雅达电子公司中国产的1600瓦12V输出电源模块。图8是LES的PSU电源铭牌介绍,图9是电源开盖图。

图7 LES的电池包

图8 LES的PSU电源铭牌介绍

图9 LES电源开盖图

图10 三种不同供电架构的投资及运营成本对比

从图10的数据中心15年生命周期内投资及运维TCO成本对比曲线表中,采用传统的集中式大型UPS其TCO基本呈线性增长,前期投入最大,而且还有每年逐步增长的维保费用产生;对于AC/DC共母线的电池BBU半分布供电架构,虽然初期投资比集中式UPS少一些,但由于其安装在服务器机柜内,需和服务器机柜一起采购一起退役报废,每3到4年需要重新采购一次,总TCO最高(编者语:实际未必,如果PSU电源和电池BBU整插框可利旧复用的话,同样可以支撑2代到3代的服务器机架,如果只是更换服务器板卡的话)。对于微软的纯分布式LES供电架构,只需传统UPS五分之一的价格,无需前期高昂UPS一次性投入,且每三年采购一次边成长边投资(+微信关注网络世界),综合成本远比前面两个方案要低。图11中分布式LES供电架构可以不再需要传统集中式大型UPS以及铅酸电池组,无需电力电池室可以节省机房占地面积达25%。还有场地的基础加固建设和顶部及外围的装修装饰,以及电力电池室的配电、散热、通风、排烟等工程。

图11 分布式LES供电架构可以带来空间节省

进一步的,如果从电网到服务器的整个供电路径上,传统集中式大型UPS和LES分布式供电架构的能耗对比如图12所示。对于1000KW电力从中压13.2KV输入到低压柴发ATS切换输出这一段都是一样的损耗到936KW输出,但采用传统UPS架构需要消耗UPS的94.4%效率双变换损耗、1.5%电池充电损耗、UPS按0.95的输出功率因数、及连接母排等方面损耗,只剩下了776KW的输出能力,而这部分对于分布式LES供电架构扣除1KW的传输损耗,仍剩余935KW的输出能力。继续往后,按照UPS输出STS的1%损耗、1%的输出降压到208V的变压器损耗、以及配电方面0.74%的损耗来计算,采用传统集中式UPS到服务器输入端只剩下755KW的供电能力,而采用LES分布式供电架构还剩余910KW的供电能力。最后到服务器主板的12V输入段,采用传统的集中式UPS架构只需考虑服务器PSU电源6%的效率损失,最终有710KW的供电能力;而采用LES分布式供电架构这里需要消耗2%的充放电功耗,最终到服务器主板剩余838KW的供电能力,比采用集中式UPS多出了129KW的总供电能力。如果按照一台服务器300W的功率计算,1000KW的电力采用集中式UPS可以支撑2366台服务器,而改采用LES分布式供电架构可以支撑2794台服务器,多出了428台服务器的供电能力,具有非常可观的收益。

图12 传统UPS供电架构和LES供电架构功耗对比

此外,对于LES分布式供电架构还带来可预测的性能等优势,特别在柴发切换过程中的可控电流冲击方面。我们知道相比较于市电电网,柴油发电机有更高的内阻以及更慢的瞬态响应能力,因此较大的负载电流冲击可能会导致柴发电压跌落,并触发开关跳闸。由于柴油发电机带容性负载方面能力较弱,容易使得柴发输出振荡关机保护。而我们知道市电直供下的服务器电源均为容性负载,特别是市电停电后ATS切换到柴发这一瞬间,服务器电源重启带来的的容性负载会对柴发有很大的冲击,很容易拉跨柴发并导致开关失压脱扣。如图13所示,2500KW的柴发在100%负载阶跃测试验证过程中就发现有29.7%的电压跌落,这导致了柴发输出振荡使得后级服务器电源不断重启,系统无法可靠切换而宕机。

图13 柴发带容性负载下的冲击振荡

如果采用LES分布式供电架构,则可以在服务器电源内部设置10到15秒功率逐步放开的功率walk in功能,如图14所示。减少了ATS切换瞬间对柴发的满功率瞬态冲击(此过程的IT负载部分由LES内置的电池来承担),而且这个功率walk in的电流是靠LES分布式电源可控的逐步放开增加。因此柴发不会受到满载瞬态冲击带来的失压振荡,同样在10到15秒内逐步带起全部的负载,保证了ATS切换的可靠性,减少了对柴发的冲击振荡伤害,提高了总系统可靠性。

图14 通过LES电源的功率walk in减少对柴发的启动冲击

通过前面的详细分析,图15总结一些LES分布式供电的优点:1、可以带来投资成本的大幅降低;2、降低了机房PUE同时提高了更多服务器的供电能力;3、去除了UPS系统等复杂环节,并复用了PSU电源等部件,大大精简了整个系统,提高了整体可靠性;4、采用分布式的LES供电架构,将UPS故障的影响面控制在很小的范围,而且可热插拔更换组件降低了MTTR修复时间,进一步提高了系统可靠性;5、边成长边投资,不需要前期大量投入,以及带来的长期轻载低效率运营成本;6、统一可控的控制策略,而且性能可预测,提高了系统切换的可靠性;7、集成可控的紧耦合系统可以实现快速响应控制等。

图15 LES供电架构优点小结

此外,由于采用了LES分布式供电架构对内置的锂电池包的安全性要求就很高了,尤其是其中的电芯。微软的LES电池采用了业界最为成熟可靠的松下18650锂电芯,这种电芯在特斯拉电动汽车、手持电钻、切割机等产品中也得到了广泛安全应用。也通过了UL实验室和美国国家测试标准的级间短路、异常充放电、挤压、针刺、碰撞、高温等各种极限测试,满足了正常使用下的安全性。在电芯的监测和保护方面,微软还做了电芯的内阻、温度和电压等BMS监测、过温关断、以及过流脱离保护等,如图16所示。

图16 电芯的各种安全保护措施

在电池包的封装设计方面,通过专门设计的电池底座将各个电芯适当隔离开来,即便某只电芯出现短路击穿,最多也只会影响到周边的几个电芯,保证其他电芯仍能正常可靠工作。对于短路击穿的电芯释放出来的少量可燃气体,在电池包的外层也专门设计了泄气阀,避免电池包出现可燃气集聚导致的鼓胀而爆炸,图17从多个方面保证了正常运行下的电芯和电池包使用安全性。

图17 电池包的安全保护措施

最后,通过图18的微软整机柜内的结构图,我们可以看到微软采用了纵向LES电源插框的设计,多个LES电源在机柜的右侧从上而下热插拔布置;散热方面也采用了风扇墙设计,每4U左右一个散热区,风扇支持转速自动控制和热插拔更换;所有的这些组件均可按需配置模块化热插拔维护,且自动化智能控制,整个系统很节能,非常值得天蝎整机柜参考借鉴。

图18 微软LES供电架构下的整机柜示意图

本文对微软的LES供电架构做了详述,介绍了其技术特点、和传统UPS等供电架构的对比分析,以及安全性的考虑等,是个很有创新的设计。通过这个材料,我们也了解到了微软在整机柜及数据中心方面的一些创新和极致追求,非常值得国内同行参考学习。

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[责任编辑:周源 zhou_yuan@cnw.com.cn]

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