数据中心电源技术的应用及发展研究

孙发杰

中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 广东 广州 510663

引言

数据中心是海量数据存储、开发的重要场景，需要保证持续的稳定供电，避免因断电出现信息丢失，影响数据中心后续正常运营。作为数据中心的重要应用技术，电源技术的应用质量将会对我国许多行业未来发展产生间接影响，需要关注做好数据中心电源技术的研究工作。考虑到电源技术具有更新迭代的特点，除基础的技术应用外，也需要合理研究数据中心电源技术的未来发展，探索数据中心的新发展道路。

1 数据中心电源技术应用价值

在数据中心工作环境中，电源技术应用价值主要集中在以下两个方面：第一、电源智能化。在电源智能化技术中，可以根据供电电源的运行情况，进行故障的自我检测与自动报警，及时发现、排除故障，进而降低整个数据中心的维护成本。技术人员也可以根据电源技术的反馈情况，随时确认供电电源设备工作状态，并进行必要的调整，保障数据中心的稳定运行；第二、电源通用化。伴随各个领域快速发展，数据中心的设备数量也在不断增加，设备的输入输出接口不通用的问题，则成为影响数据中心电源技术高效应用的阻碍。通过电源通用化技术，可以逐渐影响各类设置的生产单位统一生产标准，推动全行业的电源硬件设备的通用化，合理提升故障排查与处理效率，进而助力数据中心电源技术的进一步发展。

2 数据中心电源技术具体应用

我国数据中心电源技术经过多年时间的发展，逐渐形成以不间断电源技术（Uninterruptible Power Supply，UPS）、高压直流输电技术（High Voltage Direct Curren，HVDC）、高压直流技术等为主流的技术应用模式，需要对这两种电源技术的具体应用展开详细分析。

2.1 UPS技术

2.1.1 直流UPS技术特点。基于直流UPS技术的数据中心电源系统，将拥有良好稳定性的直流电源，作为设备负载电流使用，对于谐波输入分量降低具有良好效果，在保护电网系统环境方面具有良好效果。为配置开关电源的网络设备提供直流电源，通信设备的谐波干扰问题得到有效解决，基本不会出现负载末端的零接地电压安全风险。而且，整个系统具有较为简单的设计结构，可以根据数据中心的允许需求，并联若干个功能模块，确保网络设备、通信设备得到最大化应用，合理规避资源浪费情况。以数据中心电源系统为代表的大型直流供电系统，会应用数字化模块运行模式，某个功能模块出现故障时，可以使用正常的功能模块及时替换，避免影响数据中心的正常运行，有效提升数据中心电源系统检修与维护效率[1]。

2.1.2 UPS技术运行系统。基于UPS技术的数据中心电源系统，已经从原本的集中式交流UPS模式发展为分布式直流UPS模式，逐步淘汰铅酸电池，使用供电效率更高的锂电池，并由电力室做统一监管。可以将基于UPS技术的数据中心电源系统细分为以下几种应用模式。

应用模式一：分布式锂电源系统。针对数据中心机房的供电需求设计的分布式锂电源系统，其通过磷酸铁锂电池新技术取代以往的集中供电模式。相较于在电力室集中放置的阀控密封铅酸电池，磷酸铁锂电池拥有2倍~3倍的使用寿命，具有体积小、重量轻的特点，可以直接放置在每个标准机架中，极大提升机房空间的利用效率与供电水平。磷酸铁锂电池的启动器拥有较大的启动电流，可以在短时间内达到深度放电效果，不会产生过多的环境污染。特别是近些年我国磷酸铁锂电池产量提升、价格下降，数据中心电源系统的开发建设成本也得到有效控制。基于UPS技术的数据中心电源系统的电源模块支持两路网络输入、输出，在供电处理过程中，如果电网系统拥有正常的输入条件，数据中心由电网直接供电；在市电发生中断故障时，数据中心电源系统会控制分布式锂电源系统转换到高压直流工作模式，数据中心由储能锂电池负责供电，以此保障数据中心的长时间稳定运行。在应用分布式锂电源系统后，即使出现少量的设备故障问题，也不会对整个电源系统正常运行造成影响。如果出现输入功率损失现象，电源系统则会自行切换到高压直流工作模式，省略逆变器处理程序，进入提升能源使用效率。而且，分布式锂电源系统是在机柜中进行分散放置，可以省略配置空调的资金投入，在后续维护方面，也可以有效降低资源消耗[2]。

应用模式二：服务器主板直挂电池系统。为机架装载的通信设备设置12V电池，结合UPS技术的分布式电源，构成双重备用能量设计，确保数据中心的所有服务器均具备电源供电与电池供电功能。在市电正常供应时，直接由市电向服务器进行直接供电，此时12V电池处于充电状态；在市电供应中断时，电池会先进行放电，再由分布式电源向数据中心供电。利用12V电池与通信设备的连接方式，可以有效降低电力资源在传输过程中的损耗问题。但是，服务器主板直挂电池系统需要投入较多的电池，实际建设成本偏高，供电效率并没有得到明显提升。

应用模式三：分布式电源架构。末端服务器主板的电源系统呈现分散化的电池分布状态，IT系统也呈现分散分布状态。并且，距离末端服务器主板越近，也需要更高的通信设备运行性能，对于电池控制也产生更高的标准。缩短电池从网络到服务器主板末端的距离，可以有效降低能量转换级数，提升电力资源的转换效率，却出现低压侧传输损耗提升的问题，这意味着电源架构会对数据中心的供电系统运行稳定性、建设成本等具有较大影响。根据UPS技术，将集中式电源架构升级成分散式电源架构，即通过240V高压直流供电系统+磷酸铁锂电池的电源架构，为数据中心的众多设备提供电力资源。分散式电源架构采用模块化设计结构，并以数据中心的机房设置情况，做模块堆叠处理。整个数据中心电源系统是在负载深处位置，有效缩短直流配电距离。相比于应用模式二的服务器主板直挂电池系统，分布式电源架构省略安装大容量电池供电设备的环节，有效降低数据中心电源系统的开发建设的资金支出。而且，分布式电源架构是整合集中式供电架构与分散式供电架构优势的产物，在应用方面具有良好优势[3]。

2.2 HVDC技术

2.2.1 HVDC供电模式。基于HVDC技术的数据中心电源系统，基本采用输出二级配电结构设计模式，即使用直流系统总输出屏+电源列柜的组合供电方式，为设备机架提供电力资源。如果数据中心电源系统容量偏大，或是数据中心的规模较大，拥有较多的运行设备，也可以采用三级配电结构设计模式，即在二级配电结构设计模式技术基础上，增加机房直流分配屏设计内容。相比UPS技术，HVDC技术允许电池直接连接HVDC的输出端，并通过浮充模式进行充电，并没有设置独立的电池充电器。HVDC的供电系统采用直流+/–级的母线供电模式，可以从根本上解决通信设备的零地电压问题，如图1所示。如果需要调整机柜容量，或是在机房内调整机柜位置，可以通过专用配电母线的即插即用技术优势，实现灵活调整[4]。

图1 HVDC供电模式结构示意图

2.2.2 HVDC与传统UPS技术对比。同为数据中心电源技术，HVDC与UPS均能满足数据中心的供电需求，两者在技术层面有一定差别，可以从系统可靠性、电能利用效率两个方面进行分析。

方面一：系统可靠性对比。UPS向通信设备输送380V/220V的交流电，阀控密封铅酸电池输送直流电。如果发生市电中断情况，此时在阀控密封铅酸电池的电力资源无法直接提供给通信负载，需要利用DC/AC的逆变器，把阀控密封铅酸电池的直流电转变成交流电，才能满足通信设备的使用需求。这意味着如果市电可以保持正常供应状态下，UPS逆变器无法正常运行，即便是阀控密封铅酸电池拥有充足储能、备用发电机状态正常，也会出现通信设备无法正常使用的问题，具有明显的单点故障问题。相比于UPS，HVDC向通信设备提供电力资源时，拥有以下两点优势：第一、HVDC的电池与配电模块保持直接连接状态，可以将电力资源直接输送给通信设备，在省略逆变器的逆变程序时，可以有效降低电力资源供应的故障问题；第二、HVDC在进行供电时，仅有一个幅值的电压差，将电压控制到通信设备的额定功率即可，不会出现频率同步或相位同步其他问题。

方面二：电能利用率对比。单套基于UPS技术的数据中心电源系统具有一定的单点故障问题，为有效提升其运行安全性，会采用主-备组合模式进行供电，这会出现50%的冗余问题。如果设置主-主-备的组合模式，仍然存在34%的冗余度。而且，在实际运行过程中，基于UPS技术的数据中心电源系统并不会保持满负荷运行。如果根据80%容量标准进行计算，UPS拥有47%的冗余度。而且，在诸多使用案例中也可以发现，数据中心电源系统安全稳定性与UPS冗余度存在较为严重的矛盾问题。基于HVDC技术的数据中心电源系统，拥有更高的通信设备负载率，则会拥有更高的HVDC利用率。HVDC的电能转换级数较少，可以省略DC/AC的逆变器逆变环节。使用240V直流电的HVDC，也不会出现谐波干扰现象，可以有效控制电力资源输送期间出现的电缆发热问题。基于HVDC技术的数据中心电源系统也可以实现功能模块的直接并联，功能模块利用效率超过80%。相比于传统UPS供电模式，HVDC供电模式可以减少20%的电力资源消耗[5]。

2.3 高压直流技术

基于220V电力电源、48V通信电源技术的240V高压直流技术，允许数据中心的大多数通信设备不用做额外改造，直接开展适配供电作业。而且，在240V高压直流技术在供电效率方面，可以达到96%的效果，拥有良好的运行可靠性，允许热插拔，也是我国数据中心电源技术重要的研究方向。现阶段，我国各地的数据中心约有10万台的通信设备由240V高压直流设备供电。比如典型的双电源服务器，供电架构采用一路市电直供，一路240V高压直流供应。对于数据中心的服务器电源，其内部采用自动均流模式，此时的市电与240V高压直流分别承担整个数据中心的一半负载。对于市电直供支路，在理论上供电效率可以达到100%的水平，根据数据中心运行情况设计的240V高压直流供电系统，可以通过节能休眠控制模式，获得94%~96%的供电效率，利用这种均分负载供电模式，在供电效率方面可以达到97%~98%的水平，要比常规的UPS供电架构的供电效率更高。在运行过程中，可以向数据中心提供稳定的电力资源供应，还能达到接近准市电直供技术的供电效率。如果数据中心的单电源服务器数量偏少，也可以选择直接挂接的方式，与240V高压直流支路进行连接，以便获得更高效率的电力资源供应。也可以考虑在数据中心的服务器电源设置主从设置，或是增加休眠电源的功能，这种模式下的高压直流技术供电效率可以达到99%。

3 数据中心电源技术未来发展方向

3.1 提升功率密度

伴随数据中心管理单位不断发展，会设置更多的运行设备，导致机房温度逐渐提升。但是，通过空调系统对机房进行制冷处理，在一定程度上又会提升能源消耗量。想要保证机房内部的温度平衡，就需要保证通信电源拥有良好的运行功率，以及较高的功率密度，避免出现通信设备过热损坏。未来数据中心电源技术的突破点，将会是电源的功率密度、运行功率等内容。

3.2 智能监控管理

在电源智能化技术的基础上，设计数据中心基础设施管理（Data Center Infrastructure management，DCIM），针对以服务器为代表的IT基础架构、空调系统等基础架构进行智能化监控管理。结合三维立体数据模型与仿真技术，进行数据中心电源技术的可视化处理，配合7day×24hour的视频监控技术，实现全天候实时化监控。如果出现运行数据问题，可以直接调取时间节点前后的运行数据，分析基础架构的具体运行问题，进而提升整个数据中心的管理效率与质量。

3.3 数字化控制

全产业未来发展方向将会是数字化发展模式，通过控制电源技术的使用稳定性与制造成本，实现电源行业的全面革新发展，并为数据中心提供更为可靠的数字化管理条件。

4 结语

在数据中心场景下应用电源技术时，需要对数据中心的运行需求做详细分析，结合本文理论内容，设计一套匹配数据中心可用资源的电源技术应用方案。在方案执行过程中，则要根据数据中心近一段时间内的数据处理情况，对方案细节内容做优化处理，确保数据中心电源技术得到更高效率的应用，提升数据开发利用效率，为相关领域可持续发展贡献力量。