更具弹性和IT基因的分布式电源系统(DPS)
如今,“双碳“、PUE、IT机柜出架率/获得率，TCO等成为数据中心从业者口中的高频词，也引发了业界对于众多绿色技术和产品方案的探索和实践。
2019年,工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局三部门联合印发了《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》,明确提出要加快绿色数据中心先进适用技术产品推广应用,重点包括:1.高效供配电系统:分布式供能、市电直供、高压直流供电、不间断供电系统ECO模式、模块化UPS等;2.高效辅助系统:储能电池管理、能效环境集成监控等。而本文介绍的分布式电源系统(DPS)是上述技术的集大成者,并且已经纳入2021年《国家通信业节能技术产品推荐目录(2021)》。
提起分布式电源系统,对于部分数据中心从业者来说想必是既“熟悉又陌生”。熟悉的一面在于日常工作中经常涉及集中式和分散式/分布式供电方案沟通和探讨;相对陌生的一面在于对网络机柜用分布式电源系统(简称DPS)的了解和接触相对较少,其2018年才获得正式官方身份(信息产业部于2017年11月7日正式发布了《YD/T3280-2017网络机柜用分布式电源系统》行业标准,并于2018年1月1日正式实施)。
在上述背景下,本文对DPS及其在数据中心中的创新应用提出了如下4点分析和思考。
一、DPS与传统UPS/HVDC在技术上相通
首先,需要明确的是:根据DPS行业标准和数据中心设计规范,DPS是不间断电源的一种。它的特殊性在于其标配电池,而且是为标准网络机柜网络设备提供不间断供电的UPS。
其次,对于DPS而言,其实质是一个基于全模块化设计的锂电池UPS系统,UPS和锂电池进行整体统一设计,两者均支持热插拔,且具备内部实时通信和保护联动机制,安全性高。
再者,与传统UPS/HVDC分类相呼应,DPS也分为交流在线式,交流后备式,直流式(高压直流型,输出240VDC或336VDC),交直流混合式。但是因为定义为分布式、网络机柜网络设备供电,因此输出一般为单相220Vac(交流类型)或240VDC(高压直流类型),通常额定功率在3-12kVA。一般给单个IT机柜或相邻2个IT机柜供电,系统功率较小,采用机架式安装。
二、DPS相对于传统机架式UPS具备后发优势
相对于传统机架式UPS配套铅酸电池方案,DPS在设计和诞生之初,已经充分考虑到传统方案设备更换维护困难,运维监控复杂等不足,具有后发优势。
首先,DPS采用全模块化设计,锂电池模块与电源模块均支持在线热插拔,设备维护和更换时间≤5min,简单、易操作。
其次,锂电池寿命长达10年或以上,重量和所需安装空间相对于传统铅酸方案减少60%以上;无需每隔3-5年更换一次蓄电池,且安装部署简单。对于具有承重和空间问题困扰的数据中心而言,其充分利用了现有IT机柜“浪费”的U位空间,以及楼板“富余”的承重指标,数据中心IT出架率可以提升20%以上。配合小母线、背板空调等分布式组合方案,机房整体出架率可以进一步提升。
最后,通过DPS集中监控软件,用户可以同时对大批量部署的DPS设备(含UPS、锂电池)进行统一集中监控和管理;此外,通过对IT机柜中DPS的用电分析,结合运行数据报表和图形显示等功能,可以进一步优化IT部署和提升能源利用率。
三、DPS带来极具弹性的架构和应用创新
集中式和分散式供电是一个相对的概念,本质上是一个供电规模和颗粒度的问题。在应用层面,集中式和分布式供电方案各有千秋。
部分新建/改建数据中心在设计规划时面临如下问题和挑战:
1)供配电系统整体部署,前期投入大;
2)IT机柜负载上架率低,上架周期长,U位空间浪费大,运行效率低;
3)服务客户/业务类型多,负载波动大,未来需求不确定。
4)老旧数据中心节能改造面临承重、空间不足,能耗高等问题;
分布式供配电架构中,DPS因为其颗粒度足够小,可以紧贴IT业务发展变化,真正做到按IT机柜颗粒度建设,线性投资,降低Capex。同时因为靠近IT负载,对于上游配电系统的影响小,适应性强。
3.1 供配电架构需要适配弹性的混合IT架构
云计算给IT业务处理带来足够的弹性,可以有效应对IT业务波动,提升IT资源利用率和系统可用性。从数据中心整个业务价值链来说,数据是核心生产要素,IT基础设施是生产设备,数据中心供配电系统更多起到的是辅助支持作用。随着IT技术的不断发展,通过虚拟化技术、分布式冗余技术、异地多活技术,也可以保障和提升数据可用性。因此IT基础设施和数据中心关键基础设施进行有效结合,即使采用低等级的数据中心关键基础设施,也可以满足A级数据中心中对于数据的高可用要求,同时降低了整个数据中心的关键基础设施投入,降低TCO。
当前众多云服务提供商、互联网公司、电信运营商,已经有了相关架构探索和实践。
《GB50174-2017数据中心设计规范》关于A级数据中心划分也进行了同步和说明:
1)对于在互联网和运营商业务里面已经广泛应用的“1路市电+1路UPS/HVDC”架构,在满足对上游电网、下游负载供电质量要求的情况下,可以归类为A级数据中心。
2)当两个或两个以上地处不同区域的数据中心同时建设,互为备份,且数据实时传输,业务满足连续性要求时,数据中心的基础设施可按照容错系统配置,也可以按照冗余系统配置。
3)在同城或异地建立灾备数据中心时，灾备数据中心宜与主用数据中心等级相同。当灾备数据中心与主用数据中心数据实时传输备份，业务满足连续性要求时，灾备数据中心的等级可与主数据中心等级相同，也可以低于主用数据中心的等级。
在对于可用性要求极高的金融行业，2021年12月31日中国人民银行在印发的《金融科技发展规划(2022-2025年)》中，也明确提出了”云管边端”高效协同，释放云端压力，快速响应用户需求；积极采用多活冗余技术构建高可靠、多层级容灾体系;建立绿色高可用数据中心。
3.2 DPS具备2N、不对称双总线、DR、RR架构基因
2N架构具备高可靠性和可用性特点,但是因其容错配置,应用中也存在系统负载率低,运行效率低,投资和运行成本高的问题。为了更好地平衡系统可用性和TCO,在供配电层面,“1路市电+1路UPS/HVDC“组成的不对称双总线、分布式冗余(DR)、后备式冗余(RR)架构逐步回到大众视野,并且付诸于实践。从数据中心整体系统角度,从中压到IT负载前端的各个供配电阶段,采用不同供配电等级,形成架构组合,以实现系统可用性与成本综合最优的方案架构探索也已经开始。
典型DPS内部集成有双路交流输入、2路或3路输出;其中一路市电供电,交流输入-交流输出,系统提供电压、电流检测和防浪涌保护等功能;另外一路经过DPS的电源模块,交流输入,输出直流(HVDCDPS)或交流(ACDPS)。通过对机房DPS设备数量和输入、输出回路接线方式的相应调整,就可以轻松实现“1路DPS+1路市电”不对称双总线、DR、RR架构,系统效率高达97%,可用性高达99.998%,且极具架构灵活性。在考虑采用ECO模式情况下,DPS系统效率可以高达99%。
3.3 “A级”单柜模块化数据中心集群
IT云化也引起了业界对于供配电云化的思考,DPS分布式供电相对于传统集中供电的优势在于颗粒度小,贴近IT负载,给单个或相邻2个IT机柜供电,管理调节可以更加精细。通过将分散于各个IT机柜的高压直流DPS直流输出并联,组成直流能源池或直流微电网。依托于能源虚拟化策略,可以灵活响应不同IT机柜工作负载需求和波动,在保证可用性的前提下,提升能源利用率。
对于集成小母线、DPS、背板空调等分布式产品技术于一体的IT机柜,某种程度上可以理解为一个独立的“单柜模块化数据中心”,或可以组成”单柜模块化数据中心集群”。依托于IT技术,不同IT柜、微模块、机房之间业务数据实时传输,在保障业务连续性和数据完整性的同时,实现数据中心级别的互为备份,提升系统可用性。结合国标GB50174-2017关于A级数据中心架构的定义,以及云服务提供商、央行等关于多活冗余架构的探索实践,采用低等级供电架构的多活数据中心,也可以具备A级数据中心数据可用性,同时符合数据中心绿色低碳的发展目标。
四、总结
综上所述,分布式电源系统(DPS)对于传统UPS方案,具备后发优势;本身技术先进,是高效供配电系统技术和高效辅助系统技术的集大成者;同时架构极具弹性,通过调整接线方式,可以灵活构建2N,T3,DR,RR架构,小身材大能量,满足各种高可用性场景需求。
此外,作为数据中心关键基础设施的核心组成部分,DPS契合当前互联网云计算技术和模块化数据中心建设的发展趋势,更具弹性和IT基因,尤为适配边缘计算节点,单柜模块化数据中心集群(如零售型colo),老旧机房节能改造等小颗粒度,分期建设场景。