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1 引言
近幾年來,中國的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施市場進入了高速發(fā)展階段。ICT Research報告指出,2011年,整體銷售額為141.83億元,增長率為9.4%。雖然其中部分產(chǎn)品銷售額為負增長,但是為2012年的增長打下了基礎(chǔ)。2013年整體規(guī)模為157.85億元,直到2014年,基礎(chǔ)設(shè)施整體銷售額增長到182.29億元,增長率為9.5%,預(yù)計2017年將增長到220.77億元,每年保持的增速為8%～9%。大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的同時也帶來了能耗的大幅度提升的問題,目前國內(nèi)各供應(yīng)商、運營單位、研究機構(gòu)均開展節(jié)能技術(shù)以及綠色能源等技術(shù),從而達到基礎(chǔ)設(shè)施可持續(xù)發(fā)展的目標。
本文是數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能技術(shù)及標準化系列講座之一,將重點研究數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施供電系統(tǒng)中應(yīng)用的主要節(jié)能技術(shù)的原理、應(yīng)用情況以及其標準化工作進展等。
2 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)架構(gòu)及節(jié)能技術(shù)
據(jù)美國采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(ASHRAE)技術(shù)委員會9.9(簡稱TC9.9)統(tǒng)計報告顯示,數(shù)據(jù)中心各部分的用電量分布大致如圖1所示。由圖可見,IT系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和供電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心能耗大戶。
供電系統(tǒng)主要由油機系統(tǒng)、高低壓變配電系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)和機房配電系統(tǒng)組成。其典型的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。
3 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)供電技術(shù)
隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)以及移動互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心已經(jīng)應(yīng)用到了各行各業(yè),其重要性也日益突出。目前數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域供電系統(tǒng)中,為了節(jié)能以及減少成本而提出的主流技術(shù)有高壓油機技術(shù)、高壓直流供電技術(shù)、市電與保障電源兩路供電技術(shù)和高倍率電池技術(shù),這些技術(shù)分別應(yīng)用在圖2中的各個子系統(tǒng)中。
(1)高壓直流供電技術(shù)
高壓直流供電技術(shù)作為早期應(yīng)用的技術(shù),在近一兩年呈現(xiàn)出大規(guī)模增長的態(tài)勢,圖3為某供應(yīng)商對各垂直行業(yè)高壓直流供電系統(tǒng)應(yīng)用情況做的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。由于高壓直流技術(shù)采用直流供電方式,消除了UPS中的逆變環(huán)節(jié),能夠簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高電能利用率,有效降低用戶投入成本,避免故障隱患,具有十分重要的應(yīng)用價值。
筆者認為高壓直流供電系統(tǒng)最大的優(yōu)勢是顯著地提高了可靠性,其次才是由于采用了模塊化結(jié)構(gòu),可以采用休眠等技術(shù)改變模塊負載率,從而獲得較高的能效。與傳統(tǒng)的大容量交流塔式UPS系統(tǒng)相比,系統(tǒng)實際運行效率會高一些,但與模塊化UPS等相比,效率無明顯的差異。
中國通信標準化協(xié)會制定了一系列的高壓直流供電系統(tǒng)及相關(guān)配套產(chǎn)品的系列標準:YD/T2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》;
YD/T2555-2013《通信用240V直流配電設(shè)備》;
YD/T2556《通信用240V直流供電系統(tǒng)維護技術(shù)要求》;
YD/T2656-2013《基于240V/336V直流供電的通信設(shè)備電源輸入接口技術(shù)要求與試驗方法》;
YD/T2089-2016《通信用336V直流供電系統(tǒng)》;
YD/T2088-2016《通信用336V整流器》;
YD/T3091-2016《通信用240V/336V直流供電系統(tǒng)運行后評估要求與方法》等。
處于報批階段的標準有:
《通信用240V/336V直流-直流模塊電源》;
《通信用240V/336V直流配電單元》等。
目前正在起草一篇《信息通信用240V/336V直流供電系統(tǒng)》國家標準。
關(guān)于高壓直流供電技術(shù)國際標準匯總表如表1所示。
從上述國內(nèi)、國際標準可以看出高壓直流系列標準的研究工作開展的比較全面,覆蓋了通信用240V/336V電壓直流供電環(huán)節(jié)中的各個單元部分,如系統(tǒng)、整流模塊、系統(tǒng)輸入輸出配電部分、與ICT設(shè)備之間接口、機柜的PDU、ICT設(shè)備內(nèi)部的PSU部分以及對整個系統(tǒng)的評估和維護等。作為國際標準化組織,國際電信聯(lián)盟ITU-T非常活躍,也制定了一系列的標準。而IEC目前正在制定的標準和報告有:
62040-5-3《直流UPS測試與性能》;
62040-5-1《直流UPS安全要求》標準;
IECTS62735-1《直流400V插頭插座》研究報告等。
(2)市電與保障電源兩路供電技術(shù)
市電與保障電源兩路供電(以下簡稱兩路供電)技術(shù)是指一路為市電直接供電,另一路為高壓直流(240VDC)或者交流UPS供電。其配置方式具有兩種供電模式:一種為一路市電供電,另一路為高壓直流供電;另一種為一路市電供電,另一路為交流UPS供電。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4和圖5。
目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的兩路供電系統(tǒng)工作模式有兩種。模式1為市電優(yōu)先工作模式:當市電正常時,為市電供電模式;當市電發(fā)生故障時,切換至保障電源模式,市電恢復(fù)正常后切換回市電供電的模式;模式2為均分負載工作模式:市電回路與保障電源回路無優(yōu)先級,為平均帶載的模式,如各帶50%的負載。
在進行實際測試中,可以發(fā)現(xiàn),兩路供電技術(shù)的應(yīng)用可以大幅度地提升系統(tǒng)的效率,達到97%～98%,同時系統(tǒng)的效率也不會因為負載率的變化而產(chǎn)生太明顯的變化,起到了高效穩(wěn)定的作用。但該項技術(shù)的應(yīng)用也應(yīng)注意到因為市電供電回路中,ICT設(shè)備電源由于市電供電存在著電壓中斷、電壓閃變、電壓不平衡、電壓諧波、電壓驟降或驟升等市電帶有的電能質(zhì)量問題。另外,當市電中斷時,由油機系統(tǒng)直接帶ICT設(shè)備。ICT設(shè)備電源模塊由于呈現(xiàn)容性特性,在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮油機系統(tǒng)帶容性負載的特性,如油機容量的配置等。
中國通信標準化協(xié)會于2014-2015年立項研究協(xié)會研究報告《針對服務(wù)器市電加保障電源的兩路供電模式研究報告》,在此研究報告的基礎(chǔ)上,2016年底提出了行業(yè)標準立項申請,正在完成相關(guān)手續(xù)。該研究報告主要研究了服務(wù)器設(shè)備供電現(xiàn)狀及存在的問題、市電直供系統(tǒng)(含市電直供可行性、系統(tǒng)架構(gòu)、工作模式等)、節(jié)能效果、可靠性分析和兩路供電模式優(yōu)勢分析等。
此外,中國通信標準化協(xié)會2016年已立項研究行業(yè)標準項目《電信互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心用交直流智能切換模塊》,研究主要用于交流和直流兩路供電系統(tǒng)中的切換模塊。該切換模塊是指在IT機架的一路交流(如市電)、另一路高壓直流供電場景下進行切換的轉(zhuǎn)換開關(guān),適用于各類數(shù)據(jù)中心、各類呼叫中心、各類營業(yè)中心、各類監(jiān)控中心、各類金融證券中心、部隊裝備中心、OA系統(tǒng)等大量使用IT設(shè)備的場景。當市電與高壓直流兩路供電系統(tǒng)工作在均分負載工作模式時,系統(tǒng)不需要此類開關(guān),但系統(tǒng)運行效率相比于市電優(yōu)先模式要低一些;而市電優(yōu)先模式下,需要此類開關(guān)進行切換。如當市電發(fā)生故障時,由此轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至直流供電回路;而市電恢復(fù)正常時,再切回直流供電模式。
關(guān)于此項技術(shù)的國際標準化方面,2015年由中國信息通信研究院提出文稿,把市電與高壓直流兩路供電技術(shù)寫入了ITU-TL.1204標準中,具體的描述以及電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。
當ICT設(shè)備具有冗余的電源模塊時,可采用交流和直流兩路混合供電技術(shù),在大部分時間由市電供電,從而獲得更高的效率。
此外,ITU-TSG5在2016年10月全會中,提出立項研究L.dualpowerinput《多路交流或高達400V直流輸入的ICT設(shè)備電源影響》標準。該標準將分為四種情況進行分析:帶有轉(zhuǎn)換開關(guān)的兩路交流電源模塊、帶有轉(zhuǎn)換開關(guān)的兩路直流電源模塊、具有內(nèi)置電路但無轉(zhuǎn)換開關(guān)的兩路直流電源模塊以及帶有轉(zhuǎn)換開關(guān)的交直流電源模塊,分別對傳送線纜、插頭插座、隔離裝置、電流均分方式、電池配置方式等方面進行深入研究。
(3)高壓油機供電技術(shù)
信息通信領(lǐng)域高壓油機是指輸出電壓為10kV的油機系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)提高了輸出電壓,減少了傳輸線路上的損耗,并隨著數(shù)據(jù)中心的容量大型化而得到了廣泛的應(yīng)用。表2是針對低壓和高壓油機組的簡單對比。由此表可見,雖然在復(fù)雜度和技術(shù)層次上高壓油機有著其較高的難度,但是一旦搭建出完善的供電系統(tǒng),高壓油機無論是在輸送距離、線損還是容量密度等方面都有著明顯的優(yōu)勢。
工業(yè)和信息化部發(fā)布了YD/T2888-2015《通信用10kV高壓發(fā)電機組》,該標準規(guī)定了由往復(fù)式內(nèi)燃(RIC)柴油發(fā)動機、交流(a.c)發(fā)電機、控制裝置和輔助設(shè)備組成的工頻高壓發(fā)電機組的技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、包裝、運輸和貯存。該標準適用于通信用輸出電壓為10kV電壓等級、額定頻率為50Hz的發(fā)電機組,3kV和6kV發(fā)電機組也可參照執(zhí)行。與低壓油機相比,此標準去掉了原低壓油機的電話諧波因數(shù)、不對稱負載下的線電壓偏差等指標,并在并聯(lián)運行要求上提出,兩臺以上型號規(guī)格相同的機組應(yīng)能穩(wěn)定地并聯(lián)運行,且可平穩(wěn)地轉(zhuǎn)移負載的有功功率和無功功率,其有功功率和無功功率的分配差度應(yīng)不大于單臺機組功率的3%,而原低壓油機的標準要求是不大于單臺機組功率的10%。此外,針對機組的燃油消耗率和機油消耗率上要求與低壓機組有所差異。在安全性要求中,由于高壓輸出設(shè)備與低壓電壓等級不同,因此針對輸出安全性要求有所不同,明確提出“高壓輸出設(shè)備應(yīng)符合GB/T11022-2011中對高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的技術(shù)要求”。
(4)高倍率電池技術(shù)
電池的放電倍率是指電池在規(guī)定的時間內(nèi)放出其額定容量時所需要的電流值,在數(shù)據(jù)值上等于電池額定容量的倍數(shù),通常以字母C表示。如電池的標稱額定容量為600mAh為1C(1倍率),300mAh則為0.5C,6Ah為10C,以此類推。高倍率電池能大電流放電與其極板設(shè)計有關(guān),能在大電流放電之后依然能放出電池容量的很大一部分。而普通電池在大電流放電時,只能放出很少一部分能量。圖7為某供應(yīng)商提供的高倍率電池與普通的閥控式密封鉛酸蓄電池進行放電功率的比較。從數(shù)據(jù)中可以明顯看出,在相同的備電時間,高倍率電池比普通電池的功率值大。
電池的倍率與電池的原材料和工藝有關(guān),電池的倍率特性是指電池的充放電性能,倍率越高,能夠承受的放電電流就越大。且在大電流放電倍率下的發(fā)熱問題也是高倍率電池所要面臨的重點問題。
中國通信標準化協(xié)會已立項研究行業(yè)標準《通信用高倍率閥控式密封鉛酸蓄電池》。該標準適用于通信機房、數(shù)據(jù)機房,放電倍率大于1C10的閥控式密封鉛酸蓄電池。此標準目前的討論稿中要求按照蓄電池在標稱功率下的放電時間應(yīng)大于15min,且針對功率密度系數(shù)、連接條壓降和溫升等特殊指標均提出了要求,建議業(yè)界給予關(guān)注。
4 結(jié)束語
本文對數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施供電系統(tǒng)中所涉及的節(jié)能以及減少初期投資成本的新技術(shù)進行了分析,并對與此相對應(yīng)的國內(nèi)國際標準化工作進行了介紹和解讀,希望給數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域內(nèi)研發(fā)和應(yīng)用工作人員提供參考和相關(guān)依據(jù)。