数据中心未来供电技术发展浅析

　　引言

　　随着大规模数据中心建设及对能源利用效率的关注，未来数据中心供电的发展方向一定是市电直供技术。一方面通过简化供电架构降低前期投资成本，也可以通过高效供电降低后期运营成本。本文所提高的高效率供电并不局限于电网侧到IT设备这段路径，而是关注从一次能源侧到CPU的整个能源路径上的高效率传输。尽管这样整体的设计可能导致传统PUE上升，但系统全局的单位总能耗是降低的。

　　未来数据中心供电发展的整体趋势是由高压/集中式/交流大UPS向低压/分布式/直流小UPS方向发展，由机房外集中式铅酸电池向IT机柜内分布式小(锂)电池方向发展，从化石能源向绿色能源方向发展。

 

　　数据中心供电不间断的核心保障在于不间断电源及其电池技术，因而电池连接的位置不同决定了供电架构的不同。目前业界主流备用电池电压由高到低分别有大于400V AC(集中式UPS)，380V、240V及48V DC(直流电源)，和内嵌至IT设备内部的12V电池等。下图对上面几种方案进行了说明。

 

　　电池靠近CPU、主板的设计对数据中心供电系统主要会带来以下变化：

　　供电系统更加分散，IT系统呈分布式布置

　　从电网到CPU供电路径转换级数减少，转换效率更高

　　低压侧传输损耗会增加

　　对电源及电池的控制管理水平要求增高

　　供电定制化程度高，普通小规模用户开展难度大

　　对比集中式和分布式、高压和低压架构，不同的设计会很大程度上影响供电系统的可靠性、供电效率和造价成本，另外技术生态的成熟性、应用灵活性对数据中心供电选择还会有很大影响。

　　说到底，数据中心不间断供电技术的发展取决于电池技术的发展。随着风能、太阳能电池、燃料电池等绿色能源在数据中心内的引入，高能量密度锂电池技术的发展，数据中心行业将面临更多的机遇和挑战。关于此部分讨论这里暂不展开，本文暂以业界主流技术为主进行梳理分析，抛砖引玉，以便大家更为深入的讨论未来数据中心的发展方向。

　　一、380V高压直流技术

　　1、传统380V高压直流技术

　　380V高压直流技术在国内外已经开展多年，已经有了很多研究和标准。虽然相比传统UPS供电及48V通信电源有很大优势，但是涉及到IT设备电源定制及直流供配电等配套服务跟进，截至目前展开的应用规模都很小，基本停留在实验室试点阶段。

　　数据中心是一套复杂的系统，从服务器到数量相对较少的网络设备，以及消防、弱点、照明等会涉及到不同的供应商，如果仅仅为了适应380V直流供电而要求所有设备定制，那么设备定制成本增加和开展难度将抵消其节能利好，很难在行业内推广。

　　因此，截至目前，业界开展的380V高压直流项目规模都比较小，示范性意义大于实际节能意义。

 

　　2、380V高压直流在新能源方面的应用

　　太阳能、风能、燃料电池的发展未来可能会推进380V高压直流电源技术的发展。由于绝大多数分布式能源是波动性的，需要先整流稳压并电池储能后才可以直接用于数据中心供电，传统48V电源系统电压较低，传输损耗及线缆投资较大，不适合较大规模分布式能源使用，而380V高压直流系统就存在较大优势。IT设备侧，DC/DC变换器直接将380V高压直流降压降到12V或5V甚至更低电压，减少了电源内部AC/DC整流环节，供电路径上效率较高，很可能是未来发展的趋势。

 

　　二、240V直流供电系统

　　针对380V高压直流技术还不成熟，IT设备电源需要定制的情况，国内大规模应用的240V高压直流技术很好地解决了此类问题。240V高压直流技术源于220V电力电源及48V通信电源技术，具有成熟的技术和经验积累，绝大部分IT设备不用任何改造就可以直接适配供电。此外，240V高压直流供电技术拥有96%的高效率、智能节能休眠、高可靠性、热插拔易维护特性等，极大地普及了高压直流技术在国内外的应用展开，截至目前，国内已有近10万台以上的IT设备运行在240V高压直流设备之上。

 

　　1、 AC+240V HVDC 50%+50%

　　目前业界以腾讯为首等互联网公司提出的基于240V高压直流技术衍生出来的市电+240V高压直流供电架构，正进一步改变传统UPS等靠硬件多重冗余来保障可靠性的高投入低能效模式。

 

　　对于目前大多数的双电源服务器，可以采用如上图所示的采用一路市电直供，另外一路来自240V高压直流的供电架构。服务器电源内部自动均流，市电和240V高压直流各承担一半负载。由于市电直供支路可以达到近100%的供电效率，而240V高压直流供电具有的节能休眠控制策略可使其效率可在全负载范围内达到94%-96%，这样均分负载情况下的综合供电效率高达97%-98%，比传统的UPS供电架构效率高出很多，在保证2N供电可靠基础上还实现了准市电直供技术的高效率。当然，对于少量的单电源服务器，可以直接挂接在240V高压直流支路上。

 

　　2、AC+240V HVDC 100%+0% 服务器主从模式

　　在前面市电+240V高压直流数据中心侧不用任何变化，如果能在服务器的电源上做些主从设置，或者目前部分厂家的服务器具备支持休眠一个电源的功能，那么这种主从模式下，市电主供、高压直流系统休眠后备，综合供电效率更是高达99%，实现数据中心供电系统的超高效率。

 

　　实现服务器电源主从模式的方式很多，如下采用腾讯专利的服务器电源调压技术可以通过电源硬件上的微调，即可实现可靠的主从工作及故障切换等，开展起来非常容易。当然也可以通过更为高级的软件控制等策略实现双电源工作在主从模式下，这里不再展开说明。

 

 

　　采用主从模式工作下的服务器，由于从电源在市电正常的时候基本不带载，因此高压直流系统可以只是个容量很小的充电器，大大节省了240V高压直流电源系统的投资及空间占用，可以是电源和电池一体柜的简单电池柜设计。市电正常情况下，市电几乎承担绝全部负载，同时对电池充电备用，实现99%的供电效率。当市电停电的时，电池瞬间承担起全部IT负载，直至柴油发电机起来带起整个数据中心负载，电池逐步退出并重新被充满，继续等待下一次停电发生。

 

　　采用240V高压直流技术可以比传统供电方案实现高效率，甚至实现近100%的市电直供，但其双电源配置(当然也可以类似facebook采用市电+240V高压直流的单模块双输入电源设计降低成本)以及高压电池等仍不是很完美方案，但仍属于过渡技术，将会被新的更好技术取代。