数据中心基础设施工程师必知必会(5)-直流系统篇(下)

2020-09-30

本篇文章是本系列的第五篇文章,上一篇文章中咱们现已根本了解直流数据中心结构,以及其优缺点和未来远景,经过这篇文章您将会对直流数据中心有进一步的把握,了解到以下概念:

交直流数据中心配电计划。 电压等级在直流数据中心中的转化环节。 直流数据中心的重要特性。

1. 数据中心额定配电选项

a) 传统额定配电体系

传统的额定配电体系是将480V的额定电源糜烂成直流电源给蓄电池充电,再糜烂回额定电,在配电体系内降至208V,输送给IT设备。IT设备中的电源将电能糜烂回直流,并经过PSU将其降至较低电压,供处理器、内存和存储设备耗费,如下图1所示。

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图1:传统额定配电体系

b) 改进UPS的配电体系

近年来,制造商进步了组件的功率,并开发了新的操作形式,例如在一些UPS体系上使用了“节能形式”,以进步功率。图2显现了AC UPS在节能形式下的运转状况。绕过逆变器的糜烂,进步了功率;但是,这或许会蜕化体系的牢靠性。临界载荷不再与电源阻隔,也不受逆变器一般供给的严厉电压调理,需求杂乱的同步电路来保证牢靠的电力传输。

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图2:改进UPS的额定配电体系

c) 去除中心变压器的配电体系

经过消除配电进程中的降压环节,然后向IT设备供给较高电压。如图3所示,从UPS取得277V的额定输出,并直接将其发送到服务器电源。这种办法在未来或许有潜力,但因为一些原因,现在不可行。首要,经过将负载相向中性衔接,或许会引进额定的谐波电流,抵消部分预期的功率增益。其次,因为机架电压升高,在机架作业的IT人员对电弧闪的忧虑会添加。最终,在这个输入水平上没有商业可用的电源供给。总而言之,这个架构需求进一步的开发。

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图3:去除中心变压器的配电体系

2. 数据中心直流配电选项

关于今日寻求优化牢靠性和功率的安排来说,48V直流电源或许被证明是480V/208V额定配电的最佳挑选。48V直流电源在长途通讯网络中有着悠长的前史。它本质上是简略和牢靠的。一般来说,挑选48V DC作为规范有两个原因:

i. 人们认为直流电比额定电更牢靠,因为在断电时它能够直接衔接备用电池;

ii. 48V被认为是传输间隔和人的安全之间的最佳权衡,因为它在修理和意外露出时被认为是安全的。

a) 惯例直流配电计划

在大多数配直流配电中,48V直流电力体系被布置为三个不同的元素,如图4所示:

i.  480V额定-48V直流模块式电力体系

ii. 用于延伸运转时刻的电池组(至少8小时)

iii. 负载配电柜(BDFB/PDU)

这些元件与大型铜母线和电线衔接在设备周围,直接将电力分配给设备。在电源运用点,电源蜕化内部运用的直流电压至12V。当使用到数据中心时,很简单看到这种办法的长处。在AC/DC整流器的下流,电源彻底与主电源阻隔,被认为是“安全特低电压”(SELV),进步了安全性的一起,电弧亮光也不再是一个问题。

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图4:惯例直流配电体系

b) 行间UPS直流配电

传统的直流配电计划需求用大型铜母线将现已糜烂好的直流电源分配到机架。走运的是,有了新的依据行的直流拓扑,这些配电进程不再是必要的,480V额定电源能够直接衔接依据行间的数据中心UPS。在这种依据行的装备中,功率在十分挨近运用点的当地由额定糜烂为直流,这蜕化了导线的尺度和本钱(见图5)。

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图5:依据行间UPS的直流配电体系

数据中心正在进入一个新的老练阶段,要点在于以更低的本钱和更低的功耗牢靠地向安排交给更多的核算才干。依据行的直流电源为蜕化数据中心的杂乱性、进步功率和完成添加供给了一种有用的、可接受的解决计划。

3. 直流配电的特性剖析

a) 功率

数据中心电源架构的直流办法运用的组件比当时的额定办法要少得多。更少的组件需求更少的时刻来装置和服务,削减潜在的过错,进步体系的牢靠性,削减装置和维护本钱,这使得直流办法是一个经济有用的解决计划。依据日本电报电话公司(NTT)进行的一项研讨,数据中心体系的牢靠性有望进步10倍,这只是是因为它不那么杂乱。此外,依据ABB等公司的核算和研讨,服务器到达功率(supply-to-server efficiency)进步了约10%,削减根底设备出资本钱约15%,一起削减了大约25%的所需的空间。

b) 谐波

谐波是一般由非线性负载传达的正常额定波形的失真。在数据中心,额定服务器中运用的开关电源代表了能够发生谐波的非线性负载。谐波电流积聚在中性线,形成配电丢失和添加热量的发生。假如谐波的累积水平(即总谐波失真)过高,就会对灵敏的电子器件形成危害并蜕化功率,或许需求设备降额才干战胜。在杂乱的额定配电体系中,这些丢失很难猜测,但或许相当大,而在直流体系中简直不存在谐波。

c) 负载改变

许多数据中心在许多时分运转在规划负载的100%以下,实时负载常常改变。这种改变进一步使功率建模杂乱化。因为服务器以不同的速度翻开、关闭和运用,三相电力体系的每个阶段的负载都会发生改变,使得这三个阶段之间的一致性变得困难。不平衡的负载蜕化了整个体系的功率,发生了额定的热量。依据站点的杂乱程度和可用东西的不同,盯梢在哪个阶段的不平衡负载是十分耗时和繁琐的。负载平衡问题也只针对三相额定电源,与直流无关。

d) 冷却

在IT设备自身之后,冷却体系是数据中心的第二大电力用户。不只需求对IT设备发生的热量进行冷却,并且还必须抵消由功率糜烂丢失发生的热量。因为需求的糜烂次数较少,全体功率更高,直流电力体系比额定体系发生的热量更少,然后蜕化了数据中心的冷却能耗。依据经历,数据中心发生的热量每削减1瓦,就能够节约1.4到2瓦的冷却能耗。

e) 可用性

在体系层面,直流电力体系供给高可用性的办法有两种。首要,直流功率糜烂体系比可比的额定体系有更少的组件,这有助于更高的均匀毛病间隔时刻(MTBF)率和更多的正常运转时刻。此外,直流UPS运用离散整流器阵列,并运用独自的电力分配总线。这些整流器供给内置冗余,使得该体系能够习惯任何单个整流器的毛病,而不会当即影响功能或容量。单个整流器能够安全地在现场热换出,而不会影响体系运转,然后最大极限地削减体系均匀修正时刻(MTTR),而MTTR是导致体系无法运用的主要原因。

f) 扩展性

跟着设备和机架密度的稳步上升,电力体系将成为添加的限制要素。因而,数据中心规划和扩展的模块化办法越来越盛行,“集装箱化”数据中心的趋势便是证明。经过将一个完好的数据中心电力和冷却根底设备集成到一个彻底关闭的容器中,这些体系能够被传送到一个地点,并敏捷接入电力、通讯和冷冻水体系,然后完成额定的核算才干。因为其内置的冗余和紧凑的占用空间,直流UPS是这些使用程序的优异解决计划。相同的理念也体现在依据行的设备上,这使得现有设备的模块化扩展或对高密度行的支撑成为或许。额定和直流UPS体系都以行为根底的格局供给可扩展性,但直流UPS具有内建冗余的长处,并且与同类的依据行的AC体系比较,其占地面积至少要少50%。

4. 结语

直流电现已是IT根底设备的一个根本部分:要害负载耗费直流电源,一切备份电源发生直流电源。此外,额定电力由电网分配。因而,问题就变成了,在什么当地将额定电源糜烂成直流电源,一起供给恰当的断电维护?假如糜烂发生得太早,直流电就必须远间隔传输,这就需求大型导体来削减损耗。假如发生得太晚,则会在流程中引进额定的糜烂,这或许会蜕化功率和牢靠性,并添加本钱。

在许多使用中,功率糜烂和能量存储的抱负点是尽或许挨近负载。一个依据行间配电的直流配电体系答应在这些数据中心环境的有最佳功率,牢靠性和灵活性。

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