数据中心双路供电最佳效率模型分析

现有数据中心主要通过UPS系统为服务器设备供电,为保证系统的可靠性,通常采用了2N甚至2(N+1)的UPS双总线系统架构,为双
摘要

文章介绍了数据中心市电主用+高压直流热备供电方案的产生的背景,分析了该混合供电系统的效率模型,说明了交直流混供方案中系统效率是由市电+高压直流供电系统和IT设备电源模块两部分效率共同构成,包含高压直流电源的空载功耗,配电损耗,IT设备电源模块效率与电源模块负载率等多种因素,在不同的工作模式及电源模块负载率情况下,整个供电系统的工作效率与双路供电的负载分配比例相关。在电源模块空载效率低于1.5%情况下,建议采用市电负担100%,高压直流热备的工作模式,在此模式下整个供电系统处于最佳工作效率。

现有数据中心主要通过UPS系统为服务器设备供电,为保证系统的可靠性,通常采用了2N甚至2(N+1)的UPS双总线系统架构,为双电源服务器提供两路独立供电电源。正常情况下服务器内的两个电源按均分负载模式工作,各自负担服务器的50%工作负荷。目前数据中心计算能效指标例如PUE等时,基本没有考虑服务器设备自身的电源转换损耗,因此服务器电源的节能工作一直没有提到数据中心节能管理的目标体系里。

随着数据中心技术的大规模建设,数据中心供电系统的主要发展目标是在降低电源系统投资成本的同时,提高电源供电效率,减少后期运营成本。

 1 数据中心供电现状分析

数据中心安装的服务器设备中使用两个或两个以上的电源模块同时为服务器负载供电,负载的总负荷不大于其中一半电源模块的额定容量,一般把这种电源系统成为冗余电源系统。冗余电源系统多采用输入总线、负载总线和共享总线的“三总线”的电路结构。电源1、电源2…电源n为热插拔电源模块,它们以并联方式相连接,C1、C2…Cn为各电源模块的控制模块,S1、S2…Sn为受控电流调节器/隔离器。具体供电结构如图1所示。

数据中心双路供电最佳效率模型分析

系统正常工作时,控制模块通过调整电流调节器/隔离器的导通程度,使系统均衡地使用每个电源模块,既每个电源模块向系统提供相同的电流,这种工作模式称为“电流共享”;或者控制受控电流调节器/隔离器使得某一组电源工作,另一组电源处于热备份。冗余电源系统中的每个供电模块均可以热插拔,一旦某个供电模块损坏,就能在不停电情况下完成维修工作,而丝毫不影响系统的正常工作。

冗余电源系统从性质上可以归结为双电源系统。服务器采用双电源设计是为了提高服务器本身供电的可靠性。如果双电源服务器的每一路电源都能够通过独立的供电路由从独立供电电源取电,就能够获得最高的可靠性。在这个供电系统架构中,关键点是供电路由独立和供电电源独立。而传统意义上的保障电源系统架构,也就是UPS系统(单机/串联热备份/N+1直接并机)都不能做到供电电源相互独立,与之相配套的供电路由也相应的无法独立,也就是说每个环节都存在着明显的单点故障。所以,2N/2(N+1)的供电结构正是基于服务器冗余电源结构而兴起的供电解决方案,TIA-942因此将2N/2(N+1)的供电结构归入Tir4(最高可靠度供电等级)。

 2 数据中心双路供电模式

随着市电供电可用度的提高,采用一路市电、一路保障电源为服务器供电的方案开始成为技术发展的热点。此方案最早起源于后备式UPS设备,后备式UPS在市电正常时采用市电直接为负载供电,可以省去了UPS变换环节的损耗,当市电停电或异常时则切换到UPS电池逆变回路保障供电。

现在随着高压直流供电系统的发展,一路市电+一路高压直流保障电源的供电方案逐渐兴起,该供电方案既利用了市电无转换损耗直接为负载供电的特性,又在保障电源侧由电池组直接为负载提供断电保障,系统可用度比后备式UPS系统提高很多,互联网公司已经在自用数据中心中小批量使用。

依据市电和保障电源的不同工作模式,新的双路供电系统可分为两种工作模式:

①工作模式一(均分模式):正常状态下市电电源与保障电源各负担服务器设备的50%负荷,如任一路电源故障,则另一路电源负担100%负荷;

②工作模式二(主备模式):正常状态下市电负担服务器设备的100%负荷,保障电源处于热备状态,当市电发生故障时,则保障电源负担100%负荷。

依据系统架构,新的双路供电系统可分为两种系统结构:

①结构一:供电端为一路市电+一路UPS系统;

②结构二:供电端为一路市电+一路高压直流系统系统,受电端为双电源(一路直流型、一路交流型)服务器。

具体系统结构与技术演进见图2。

数据中心双路供电最佳效率模型分析

 3 双路供电系统效率分析

对于数据中心基础设施,输入的是电能,有效输出是计算设备所消耗的电能。数据中心的模型

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