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数据中心节能之供配电规划设计
发布人:admin   发布时间:2016-3-10    浏览量:

          本文摘自张广明老师的《数据中心供配电规划设计的若干问题》,供交流分享。更多分享敬请关注。   

           1、数据中心的价值怎么体现

        在建设数据中心的方面现在可用性、适用性和总拥有成本。这三个方面不是当时就看得出来的,往往是三年、五年以后才看得出来,也很少有人三、五年之后评估,在建设的初期也仍然可以看,这里讲到可用性,可用性的评估就包括你的东西是不是标准化的,批量生产的,系统能不能修复和快速修复,各个子系统之间是不是很匹配,可以无缝的继成,降低了复杂性和你的管理。对于适用性也可以去评估它,评估它布局的行动、扩展的能力和重新配置的能力。


成本——投资陈本、运营成本、能源成本,能源成本也是运营成本。但是它很中重要,所以单列出来,这三个成本,你是不是进行了优化的设计,这里有五条可以评估。这是第一个问题,作为我们信息的主管和设计部门在规划数据中心的时候要把可用性、适应性和总应用成本放在首位。但是我们现在很多数据中心没有完全做到这一点,这是第一个问题。


        2、供电系统存在的问题和现状

        现在的供电系统,UPS供电系统就干两件事,一个是提高可用性,一个是降低谐波。存在的问题就有五个方面,可靠性的问题,相互干扰的问题、能源消耗的问题、系统的标准化问题,可扩然的问题。值得注意的是,很多问题当时是看不出来的,用户更注意以硬件故障形势表现出来的问题,这些问题很容易追查责任,谁的设备坏了就找谁,实际上设备故障仅仅是一个方面,更多的方便还是前面讲的它的价值,可容性问题、降低成本的问题和适应性的问题,包括这里有讲到维护的难度问题,没有人评估,没人追查责任和负责任。


        数据中心供电系统的趋势是系统不断的复杂化,设备堆积、结构笼统、成本不断攀升,效率难以再有效提高,五花八门难以标准化,这就是现状。

        3、供电系统规划原则和规划内容


        这里有一句话,规划设计决定整个数据中心的性质、商业需求、目标、规模、近期远期的计划、能源效率预期的目标,规划设计规定了数据中心建设的整个过程,实际上对设备选型、施工、安装、运行维护都做了严格明确的规定,数据中心绝大多数问题起源于规划设计。后来可能发生很多问题,都可以追溯到当初没有规划设计好。


        在五年前做了一个模型,在电源、空调、监控、安防最重要的全是规划设计,规划设计好了其他都好说。规划设计的内容包括定位、规模、选址,持续发展能力可用性经济性的评估和分析。不科学的规划设计表现为(这个是特别值得大家注意的):听主观的异端确定数据中心的规模、预算、建造技术。


        在功能技术可行性不能明确的情况下首先从工程细节和设备采购入手,技术可行性和功能不明确。好像整个规划设计不是在做全面正确的规划,反过来是在填空。由于它用了UPS,规划设计的人就要准备空间,准备通道。

        4、供电系统的建设规模和容量


        目前,供电容量统计的范围包括:IT设备、消防、安全以及监控系统;供电设备损耗、配电、UPS系统;制冷系统;照明以及其他辅助设备。但是确定总功率容量时仍存在一定的问题,例如需要充分考虑可持续发展能力。在设计前期就应该保证数据中心能够有5年的扩展能力,同时也要关注数据中心改造的经济可能性以及改造的技术可能性。张广明老师建议,电力电网系数的容量应该是估算总负荷的1.25倍。


        由于功率密度在文献中没有统一的定义,这导致在用户群中产生了很大的混乱,这也导致了用户以功率密度确定供电总容量。所以这个问题变得很严重。密度有很多方法,IT设备制造商用的办法,建筑设计用的办法,IT运营人员用的办法等对密度解读方法都不一样,现在大家比较简单容易做的就是用基价功率密度比较好,但是基价功率密度怎么取?又是一个问题。密度是有高密度基价、低密度基价、中密度基价,你在考虑你的制冷方案的时候,供电方案的时候必须考虑高密度基价,特别是制冷方案一定考虑高密度基价怎么解决?

        所以,设计供电和制冷方案时必须考虑最高功率密度,而估算总功率容量时则要用平均机架功率密度,平均机架功率密度2~~3K,就是高密度数据中心。然而不切实际的高功率密度确定总功率对基础设施也有一定的影响。

        5、供电系统设计理念的变化

        研究工作从单台设备开始向整个供电系统变化。一个完整的不停电供电系统中除了关键设备UPS外,还可能有变压器、瞬态电压浪涌抑制器、电网进线开关柜、负载配电柜、柴油发电机组、交流稳压器、隔离或升降压变压器、电池系统、各种开关、防雷设备、断路器、转插、保险,上百乃至脊背个连接接点和相应的传输线。电源设备厂商和供电系统设计者应该意识到,在不断提高关键设备的性能和可靠性的同时,还必须加强对整个供电系统的研究。这些问题包括:

        1:系统中各种设备和环节的互相匹配和可靠性问题:
        2:系统可用性和冗余配置问题
        3:可修复和降低修复时间问题
        4:各种设备和环节连接技术的研究和连接的规范化问题
        5:UPS设备的模块化冗余系统的结构问题
        6:供电系统的布局问题
        7:系统的可维护性和集中管理问题
        8:系统的可扩展性问题等

        对系统可靠性的研究向可用性的研究变化。对可用性的研究促进了供电系统配置方案和供电设备性能得到全面的发展,研究内容包括:

        1:系统可修复和可快速修复设计
        2:设备和系统的冗余可容错技术
        3:设备的模块化可在线热插拔维护和扩容技术
        4:系统的集成一体化技术
        5:智能管理和与IT系统无缝集成的通讯管理技术等。

        可用性通常情况下是指,在一个固定的时间段内系统或设备在使用过程中,可以正常使用的时间与总时间之比,可用性高意味着给用户更多的正常使用时间,把故障后不可用时间降到最低限度。

        提高供电系统的适应性。一般来说,物理设施不可能像软件一样进行逻辑上的升级,适应性向一步到位的系统设计模式提出了挑战,对于供电系统来说,要适应这些变化,需要考虑一下的设计思路:模块化标准化的设计、开放式设计、集成化设计、高密度、小型化设计。

        6、关于供电方案布局的讨论


        因数据中心的规模不同、机房布局不同、维护水平不同、对可扩展能力的要求不同等因素,供电布局方案有三种形式:集中式、区域式、分散式。

        从可用性来说,集中式的故障隔离性以及故障修复难度最大,分散式则相对简单;从易管理性来说,分散式的系统管理最难,而集中式的系统管理是相对容易的;从适应性来讲,集中式布局方案的UPS输入供电系统变更和扩容比较难,而分散式则相对简易;从易维护性来说,集中式布局更容易维护,工作量也较小,集中式布局从一次性购置、扩容或者变更、运行成本来看,其成本是最高的。

        7、备用交流电源和柴油发电机

        当代数据中心如果做到连续运行,必须基于两个基本条件,不停的供电和连续制冷。从实践中我们总结到的经验来看,电池已经不能保证系统不停的供电的功能。处于成本和空间的条件限制,空调制冷系统组要配置能任意延长供电时间的第二路备用交流电源。实际上,柴油发电机是满足隔离要求的理想的市电。


        在数据中心油机类型和容量的选择上,首先要清楚数据中心是否是柴油机的唯一负载,或油机是第二路市电。容量选择的原则:按系统PUE计算,对于未刻意进行节能改造的数据中心,如果PUE=2.5左右,可以考虑油机的最小容量是IT负载的三倍。如果UPS输入功率因数低,谐波电流大,需要邮寄容量再打裕量。制冷设备存在着功率因数低、启动电流大的问题,也需要油机容量再打裕量。

        8、备用直流电源电池的容量

        在数据中心中备用蓄电池主要功能是在市电故障备用油机启动和切换时间内向负载供电,电池组点牙膏,单体电池以12V电池为主,备用时间一般为5-10分钟,油机启动时间则为10-15秒,切换时间仅为几百毫秒,通常电池的放点时间<1分钟,因此,在现代数据中心中,电池备用时间是有个理论上的最大可用时间的,尽管设计者不可能把之一时间缩减到几十秒钟,但5—10分钟也就足够了。
        
        作者介绍张广明,中科院计算所研究员,一直从事计算机电源设备和计算机供电系统的研究。研究过的设备和电路技术包括:线性稳压器、恒压变压器、开关电源、逆变电源、变频电源、UPS、ATS转换开关等。从1999年开始,主要从事UPS设备和供电系统的应用性研究,特别是系统的可靠性科学研究、新的供电系统设计理念、数据中心各种供配电方案和系统配置的研究,发表学术论文50多篇,撰写5本学术专著,绝大部分研究课题都取得了研究成果,得到了推广应用,并多次获中国科学院和国家科技成果奖。特别是近几年对直流UPS供电系统的研究,开创了我国在这一领域研究的先河。

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