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大话数据中心之UPS电源发展

2015年08月03日 15:14:42 | 作者:陈炎昌、韩玉 | 来源:cnw.com.cn

摘要:数据中心已经发展近20年,其供配电和电力电源方式也发展迅速。本文通过数据中心领域UPS(不间断电源)发展的历史,从供应商、用户、技术发展背景等多个角度进行剖析,让读者明白不间断电源UPS发展背后的因素和推动力,未来可能的...

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【网络世界独家约稿】

1、前言

数据中心已经发展近20年,其供配电和电力电源方式也发展迅速。本文通过数据中心领域UPS(不间断电源)发展的历史,从供应商、用户、技术发展背景等多个角度进行剖析,让读者明白不间断电源UPS发展背后的因素和推动力,未来可能的发展方向。需要特别指出的是,本文虽然涉及较多电源相关专业知识,但并非针对具体技术细节讨论电源专业问题,笔者主要想分享两点:

1) 从数据中心关键ICT负载的需求角度,怎么看待UPS电源产业,并非UPS电源行业怎样设计UPS。

2) 用最基本逻辑的角度去分析不同UPS方案、剖析互联网定制UPS、推导给出UPS系统架构方法论。

笔者在国内外工作期间,研究了不少中大型数据中心,这些数据中心的UPS电源架构包括传统的双变换塔式UPS、中大型模块化UPS、以及飞轮UPS等等。与此同时,大型互联网数据中心正掀起一阵电源改革风,包括Facebook的OCP电源架构,微软LES电源架构,国内240V直流集中电源抑或天蝎机架电源等。笔者想通过本文分享以下问题的理解:

各种UPS电源架构,究竟差别在哪里?

互联网公司那些“创新”电源方案,有什么奥妙?

哪种方案适合什么用户?

怎么判别和衡量各种方案优劣?

为什么互联网公司偏好定制UPS电源?

未来UPS技术方向探究

本文观点仅为笔者个人想法,不代表所在公司和其他公司的相关技术观点。相关素材图片均为笔者原创或来自网络上公开图片和素材。因笔者水平有限,文中若有谬误,请各位专家同行指正,欢迎探讨。

2 数据中心UPS物理逻辑属性

业界对UPS的划分有多种方式和维度,包括拓扑结构,动态和静态等。顾名思义,UPS是不间断供电,那到底什么是UPS的本质物理逻辑属性呢?在此,笔者提供了一张典型的双变换UPS供电系统简化全链条图,从市电引入到IT设备用电:

图1 传统双变换UPS供电系统图

典型的电力流向,是市电经过变压器(通常是交流10kV变换成380V交流,经过交流UPS进行交流转直流、直流转交流的双变换后,通过列头配电柜配电,最后把380V交流电分配到每个服务器。而服务器内部的电源,是把220V单相交流电转换成12V直流电,然后在电源内部有多路直流电压变换VR,变换成适合CPU、内存、硬盘等工作的电压。笔者认为,UPS本质物理逻辑属性只有三点,提供稳定的工作电压变换、储能设备、储能设备位置。最本质的东西往往并不复杂,对于交流的UPS,就是提供负载端所需要的交流工作电压,然后需要有储能设备,如蓄电池。下面以互联网公司目前主流应用的240V直流电源举例:

图2 240V高压直流供电系统图

比较交流UPS和直流UPS之间就可以看出,两者本质是一致,这里也拿380V直流比较,和240V除电压外,其余是一致的。

在此,笔者提出一种不同于现有理论体系的观点,称为UPS三要素法,工作电压、储能设备和储能设备位置。而这三者的逻辑关系是,储能设备在某个位置变换恒定的工作电压给负载,例如上面例子提及的双变换UPS和高压直流。

下一章,笔者将对业界的UPS电源架构用三要素法进行讲解。

3 从本质看各种UPS电源架构发展形态

上一章笔者提出三要素法,本章笔者会通过电力流向图结合三要素法分析各种业界的UPS方案。同时以380V双变换交流UPS为例子做对比,使读者更清晰理解各种UPS方案的区别。

3.1 Facebook的48V电源架构

图3 Facebook的48V电源

普及一下Facebook的电源设计背景,是基于双电源2N供电的服务器电源架构;Facebook采用定制电源架构,是市电直供电源加 48V的DC供电电源架构。整个电力流向图如下:

图4 Facebook的48V供电系统图

通过对Facebook的定制电源供电架构剖析,定制服务器电源里面,有N容量的电源,是直接277V单相交流电(北美是480V交流三相,277V交流单相),转换成12V的服务器电源,而另外一路N,是48V DC转换成12V DC。

同时,为了更加节能,Facebook进一步地把服务器电源设计成AC/DC和DC/DC之间是热备份关系,即平时主要用AC/DC的回路,市电直接供电。电池柜回路仅为电池充电用,当市电失效时,服务器电源PSU内部的48V DC/DC模块会启动,实现电池直接放电。这种热备份式后备供电模式,使得Facebook在绝大多数时间使用市电直接供电,系统效率高。

比较380V双变换交流UPS,我们可以发现,Facebook电源差别如下:

下图是Facebook定制48V电源的整机架,感兴趣的读者可以查找其他资料深入了解,在此笔者不作深入的技术分析。

图5 Facebook的OCP机架和供电方案图

3.2 240V高压直流电源+天蝎PSU后备电源架构

国内互联网企业,在天蝎电源基础上,在参考Facebook的电源架构后进行借鉴,改造成类似Facebook的电源架构方案。

天蝎机架和电源相关信息和spec,读者可以查看下面开放数据中心的链接:

http://www.opendatacenter.cn/uploads/soft/141202/1_2227411231.pdf

笔者用下图电力流向解释

图6 240V高压直流电源和天蝎PSU供电系统图

和Facebook采用相同的电源架构,不同的只是电压等级,可以看看下表比较总结:

和原有240V高压直流供电相比,可以看下表:

在线式和后备式这个差别,对设备最大影响是,在线式240V设计,电源模块数量配置≥负载需求,而后备式240V设计,电源模块配置容量≥电池充电量。举一个配置的例子,100kW的负载配置高压直流,10kW一个高压直流模块,充电功率为C10(10%输出负载,即10kW),使用后备式和在线式的240V高压直流配置差别:

可以看出,采用后备式供电架构,电源模块配置数量会大大减少,高压直流仅需要配置充电模块和冗余模块,采购成本能够大幅降低。

3.3 微软整机架电源+锂电池架构

自微软加入Facebook主导的OCP组织后,公布了其最新服务器电源相关设计是整机架电源+分布式本地化锂电池LES(local energy storage)。根据国外相关公开信息,微软的方案如下:

微软机架电源LES

对于服务器的PSU内部,在PSU的做AC/DC整流之前,加入了380V直流的锂电池,电力流向图如下:

图7 微软380V DC服务器电源供电系统图

微软的设计和Facebook不同,Facebook的48V设计使用铅酸电池,而微软把储能设备改成锂电池,电压变成380V直流。比较Facebook和微软的电源做法,我们可以比较差异

同样,微软的电源架构,改变了工作电压,必须定制服务器PSU电源适配。和国内240V直流集中电源不同,微软把380V DC直接做到每一个机架里面,而不是做一个大的380V高压直流电源设计,就是集中式改成分布式,这样的好处是简化供配电系统。为什么高压直流做分布式更好一点?

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[责任编辑:周源 zhou_yuan@cnw.com.cn]

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