关键业务全保障TM专家
联名发表白皮
数据中心的电源转换
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执行概要
数据中心功率密度和设备多样性的增强正促使动力及制冷系统发生改变。关键业务服务
器及通信设备的性能及可靠性亦取决于动力及制冷系统。
由于各公司均配备新应用程序以提高业务对数据中心系统的依存度,不断上升的设备密
度使得系统的重要性不断增加。同时,随着服务器外形不断缩小,整套设施及独立机架
可为越来越多的设备提供支持。
上述变化提出了对动态数据中心基础设施的更高需求。当关键基础设施系统能更好的适
应新技术及新业务变化带来的密度、容量及可用性方面的改变时,即可大大提高运行的
灵活性,从而可实现更高的系统可用性并降低总成本。
在关键电源领域,动态基础设施必须包括 UPS 系统、配电系统及在架式电源管理。
UPS 系统中的冗余技术可支持更高的可用性及灵活性,但 UPS 模块数量不能太多。平均
无故障工作时间(MTBF)的分析显示,当 UPS 模块数量超过 4 时,该单总线模块系统会
存在许多应用上不能接受的可靠性风险。
由于服务器等核心设备数量的增加,促使了配电系统的改变。配电系统由单级式发展为
双级式以增加可扩容性、降低布线要求并更高效地使用数据中心空间。
独立机架目前可支持高达 20kW 的应用,从而产生了对在架式电源管理的需求。在架式
配电可增强机架电源的控制及可视性,同时简化电缆管理并增大机架的通孔率以提高空
气流量。
由一体化 UPS、配电及在架式电源管理设备所创建的电源系统,可实现当今数据中心及
网络机柜所需的可用性及可扩容性。
2
简介
服务器在数量、配置及密度方面的变化正在
重塑数据中心环境。更高的散热可形成热
区,从而影响服务器的可靠性,同时也使数
据中心的制冷模式发生了巨大的变化。该热
量由增加的功耗所致,将对 UPS 系统及配电
系统产生巨大影响。该类系统的设计如果缺
乏灵活性,就可能严重缩短数据中心的使用
寿命并威胁到设备的可用性。
回顾过去十年里 IT 设备机架对电源要求的
变化历程。1996 年,单个机架可最多容纳
14 台单线缆连接、以 220 伏电压运行的服
务器。该机架功耗约为 4kW。2001年,完
全填充满的机架可容纳 42 台服务器,这些
服务器大多都可采用双电源输入。
在五年内,单个机架内电源插座数量从 14
增加到 84,总能耗从 4kW 增至约 20kW。
刀片服务器的推出带来了更多的变化。目
前,一个
的机架可容纳 6 个双线连接、
以单相 220 伏电压运行的刀片,功耗为
24 kW。
该项革新给管理数据中心的 IT 经理提出了
诸多新的挑战:不断上升的功耗、对电路
需求的增加、对设备多样化的更高要求等
等。这些挑战推动了对能源基础设施的需
求,相关能源基础设施应能根据设备数量
的变化、设备分布密度及设备安装地点进
行调整。
该基础设施必须包含从市电输入到核心负
载的关键电源管理,包括:
• 取决于 UPS 类型和系统配置的电源可用性
• 从 UPS 至机架的配电
• 在架式电源管理
电源可用性
UPS 系统的内部结构设计
了 UPS 与输
入市电电源间的关系,并最终决定其在防
护特定电源干扰中的有效性。目前,正在
使用的 UPS 产品大致可分为三类:后备式、
互动式、在线双变换式。惟有在线双变换
反向传输拓扑可用于防护全范围电源干扰
并推荐用于当前关键业务或潜在关键业务
中,实际上包括了所有数据中心。选择在
线双变换 UPS 可确保可用性要求不会超越
UPS 拓扑。
使用冗余 UPS 系统有助于确保获得适当的
可使用级别。根据配置类型的不同,冗余
系统仍能确保可扩容性。表 1 为当前正在
使用的最通用的系统配置概要。
单机系统仅可用于支持 99.99% 的可用性等
级,或每年少于 1 小时的意外停机时间,
但关键业务系统在 UPS 维护期间将处于非
保护状态。
UPS 冗余可增强设备的可用性,支持 UPS
系统在不影响连接设备的电源质量的情况
下进行使用。含冗余 UPS 的单总线系统可
支持 99.999% 或更高的可用性,而双母线
系统用于通过消除 UPS 与核心用电负载设
备之间的单点故障来实现持续可用性。
冗余的最简单方式为 1+1 系统,其中每个
UPS 模块都可为所有连接的设备提供支持。
该配置以最少数量的 UPS 模块提供冗余。
设计缺乏灵活性,可严
重缩短数据中心的使用
寿命并威胁到设备的可
用性。
3
图 1 N+1 系统配置的系统可靠性为 10、15 及 20 年 MTBF,超过 3+1 配置后,可靠性将迅速降低。
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
1+11 3+12+1 5+14+1 7+16+1 9+18+1 11+110+1 13+112+1
模块
MTBF: 10 年
模块
模块
MTBF: 20 年
表 1 最通用 UPS 系统配置概要
系统类型 描述 总线数量
SMS
1+1
1+N
N+1
双母线 2N 或
2 x (N+1)
单台 UPS 系统。无冗余
2 台 UPS 并联运行
N 台所需的 UPS 加上一个冗余模块。
在高可用性应用中,N 小于 3,N+1 系统使用系统级旁路。(美国惯例)
单
单
单
单
双
单机系统仅可用于支持
99.99% 的可用性等级或
每年少于 1 小时的意外
停机时间,但关键系统
在 UPS 维护期间将处于
非保护状态。
1 台 UPS 加上 N 台为冗余而添加的 UPS。各台 UPS 均有其内置旁路。
(欧洲惯例及正在获取美国认可)
2 个 UPS 系统向 2 个独立输出分布系统供电。UPS 输出总线总是保持同步。每个总线
通常含一个冗余 UPS 系统,技术上称为 2 x (N+1),但有时也称为 2N。冗余亦可
通过 1+ N 配置完成,虽然该方式并不普遍,但正在为业界所接受。
确保较低的零件数量及系统复杂性。基于
软件的新扩容方法支持 1+1 系统根据当前
要求定制型号,同时可使容量增至 100%,
而无需添加 UPS 模块。
若系统复杂性可以控制,N+1 配置将试图并
可有效地平衡可扩容性及可用性。这要求选
择适当的 UPS 模块型号。若与将来使用要求
相比,初始负载量较轻,可尝试根据初始要
求选择 UPS 模块,但若 UPS 模块数目过多,
则可能在以后引起可靠性问题。
艾默生网络能源通过对能源系统的可靠性
进行分析,确定单母线、多模块 UPS 系统
可靠性最高可接受 3+1 的配置(图 1)。
超过该点后,可靠性开始迅速降低,原因
是模块数量的增加引起系统零件数量的增
加,从而增大了故障的可能性及与维护相
关的故障风险。服务器阵列可在发生多个
故障且性能减退时照常运行,但若 UPS 模
块故障导致系统低于承载能力点,则 N+1
UPS 系统将关闭。
系
统
可
靠
性
1+1 可靠性最大
系统配置
MTBF: 15 年
4
图 2 当 UPS 模块规格增大时,每千瓦成本将降低,因此采用小构建模块的 UPS 系统的总成本比采用
最佳规格构建模块的 UPS 系统的成本高。
N 模块
UPS 系统成本
成本
模块容量大小
若对可靠性的要求较高,UPS 单机容量规格
应不低于
的总设施负载的三分之一。
若确定会有增长,则容量规格应为初始负
载的一半。这样既提供了增长的空间,又
可确保在设施的整个使用寿命期间有足够
的可用性。作为能源系统中最昂贵的零部
件之一,电池的容量可等于初始负载,并
根据需要增加额外容量。
在选择 UPS 规格时,应同时考虑可靠性和
系统成本。单机容量增加,则 UPS 系统的
每千瓦成本将降低。例如,采用 10 个均为
10kW 的模块替代一个 100kW 模块,成本
反而更高。图 2 基于对艾默生网络能源有
限公司 UPS 产品的实际成本分析,显示当
设备规格增加时,每千瓦成本的下降走势。
间隔配电
传统的配电设计由 UPS 向所需的配电单元
(PDU)供电,然后直接向机架上的设备
进行配电。该设计足以应付服务器及机架
相对较少的情况,但目前的设备对可扩容
性及灵活性的要求更高。达到系统容量前
通常需要花费大量的成本用于断路器空间
扩展。
二级配电是一种新兴的替换方式,即在
UPS 和服务器间形成间隔配电以提高灵活
性和可扩容性(图 3)。
二级系统的第一级提供中级配电。与传统
的配电单元类似,中级配电单元从 UPS 获
得 480V 或 600V 电源。中级配电单元包括
传统配电单元的大多数零部件,但具有优
化的混合电路及支路。
二级配电指一种新的替
换方式,即在 UPS 和服
务器间形成间隔配电以
提高灵活性和可扩容性。
(小型模块)
单模块(满载模块)
容
量
每
容
量
单
位
成
本
大型 UPS 模块
更小型 UPS 模块
5
图 3 间隔配电为设备机架提供更多的极位,使配电系统更好地满足不断变化的应用要求。
单级配电
126 Poles
126 Poles
16
8
P
ol
es
16
8
P
ol
es
16
8
P
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e s
16
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UPS 系统
配电断路器。不用直接的负载级配电,该
设备通过 I-Line 配电盘的配电区为地面安装
配电柜供电。I-Line 配电盘具有极高的灵活
性,可根据需要增加多达 10 个具有不同额
定值的插件输出断路器。
负载级配电单元直接为安装于机架的设备
供电。该单元为安装于标准机架的高密度
部件,可安装于各排机架的末端或中间。
当安装至一排机架时,负载级配电单元与
设备机架组合,可提高设备的整体外观。
另外,可根据应用需要进行定制,包括单
源、双源(适用于双母线应用),或由 4
类不同的输入或源供电。
采用二级配电可区分可供应能力及实际配
电能力至独立系统,消除传统配电单元的
断路器空间限制。可配置负载级配电单元
以满足其直接支持的具体技术要求,同时
让中级配电单元维持原状。对于老式设备,
负载级单元可配置标准 225A、42 极配电
盘。对于当前或下一代设备,可对负载级
单元进行相关配置,以支持更高的电源密
度,如 400A 或 380V 配电盘,同时可保护
对中级配电单元的投资。
采用二级配电可区分供
应至独立系统的可交付
能力及实际配电能力,
从而消除传统配电单元
的断路器空间限制。
二级配电
市电输入
市电输入
集中配电单元 设置机架
UPS 系统
第一级配电
连接至额外负载配电单元
连接至额外负载配电单元
第二级配电
6
图 4 垂直安装智能电源插座的机架
以前的 UPS 规格确定理念扩展至中级配电单
元。若中级配电单元具有适当的规格,可根
据需要向中级配电单元及额外负载级单元添
加断路器,从而获得一系列增长周期。
该方法的另一个优势在于其对空调系统气体
流量的影响。在二级配电中,极大降低了对
地下布线的需要。跨过道走线仅用于从中级
配电单元至负载级单元的连接。自负载级单
元(沿 IT 设备机架分布)的配电垂直于机架
下部或穿过机架,使冷通道中并无电源线,
并缩短机架级设备的电缆长度。此外,该
方法还可确保从 UPS 至中级配电间的电源
路径数量更少、功能更强大,从负载级单
元至能耗点的路径更短,从而提高配电系
统的效率。
机架级电源管理
机架密度的变化为机架级电源管理提出了
新的挑战。随着服务器整体数量及每个机
架上服务器数量的增加,机架成为电缆管
理中最棘手的问题。这个问题并不仅仅存
在于移出设备时,大捆电缆还可能严重影
响机架里的空气流通,增加发生过热的可
能性。
此外,更高的密度增加了新设备电路过载
的可能性。当使用所有供应至机架的可用
电源时,新高密度型服务器可不占用机架
空间及使用外引线。当相关人员在单机架
上配备新服务器时,若未意识到具体机架
内的电源容量限制,可能引发问题。结果,
服务器可能安装至容量不足的机架,从而
导致电源电路过载和支路断路器跳闸,造
成整个机架故障。
智能电源插座是成本低廉、易于实施的在
架式电源管理解决
(图 4)。该类插座
可垂直或水平安装,以简化设备更换过程,
降低电缆干扰,并增加可视性和对机架能
耗的控制。该类电源插座可监控单个电源
插座的电气属性,包括经由 SNMP 和本地
LED 显示电压、电流、功率、相载或电源
电路实现实时远程管理。
更高级的插座亦可提供电源开关的插座级
控制,以监控插座并进行本地或远程打开/
关闭,从而防止因增加新设备而导致过载。
大捆电缆可能严重影响
机架里的空气流通,增
加发生过热的可能性。
7
在关键电源基础设施的
多点应用监控技术,可
为支持数据中心的整个
数据中心电源基础设施
提供全面的认识。
在某些应用中,若在分支电路级采用电源
监控可能更有效。虽然监控力度不如插座
级监控,但可支持更多变量监控。在某些高
密度环境中,一条电路可能仅支持一个高
密度机架,因此,支路监控与机架级监控
同等重要。
配电监控也可用于中级配电。大多数配电
单元提供主输入断路器的电源监控,因而
与支路监控相比,可提供更多的数据。此
外,亦可对次级输入断路器(控制负载级
配电单元)进行监控。这可提高可视性和
管理力度,用于识别容量限制和潜在过载
情况。
随着对电源要求的不断提高,更紧迫地要
求更好的能耗下游可视性。在关键电源基
础设施的多点应用监控技术,可为支持数
据中心的整个数据中心电源基础设施提供
全面的认识。对于任何要求支持快速交变
荷载的电源基础设施而言,支路或机架级
的电源监控应视为其重要组成部分。
结论
目前,数据中心正大力投入技术研发,以
适应未来的技术变革。不断提高的容量要
求及对可用性的需求促使数据中心运营更
多地关注基础设施设计,以实现更大的灵
活性、更高的可用性和更低的总拥有成本。
UPS 系统配置可与功能更强大、更灵活的
配电配置形成最佳组合,从而可使用户通
过采用最新监控技术更好地管理其关键基
础设施。该类方案可使当前和新型的设备
支持更高的密度和容量,同时确保以更快
捷的服务、更低廉的成本应对未来的信息
技术变革。
艾默生网络能源有限公司
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