数据中心供配电系统的现状
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1)传统UPS技术远远落后于数据中心的发展

“硅进铜退”已成为电力电子领域的发展趋势。在经历了MOSFET、IGBT等功率器件的更新换代、DSP与数字电路的广泛应用、LLC、软开关、三电平逆变等新拓扑的逐渐成熟后,高频化、数字化、智能化已成为电子产品的主流趋势。“铜”所代表的变压器、滤波电感等传统模拟电路器件正逐渐被“硅”所代表的各种单片机、控制芯片、新型半导体功率器件等数字电路器件所代替。正是“硅”的大量应用,使得电子产品体积越来越小、效率越来越高、运算速度越来越快,这一趋势在IT领域尤为明显,如刀片服务器、原子路由器等。在消费电子领域,则表现为越来越薄的手机、越来越小的各种盒子等。而对UPS行业来说,“铜”代表的是传统工频UPS的隔离变压器,“硅”代表的是更加智能化的高频UPS。“硅”的大量使用,使得UPS更加智能化,因为涉及到软件的要求越来越多,UPS也已从传统的硬件产品变成了软硬结合的产品。同时,从环保的角度来看,铜是不可再生资源,而硅主要来自于沙子,储量巨大。所以,无论从技术角度还是从经济成本角度考虑,“硅进铜退”都必将是UPS发展的重要趋势。

多方因素阻碍UPS技术进步。相比消费类电子产品的快速更新换代,数据中心的供配电产品明显进步缓慢。这主要是因为供配电产品的“基础设施”属性注定了,只要不坏,客户很少会主动进行更换,笔者就曾在某运营商机房看到华为公司十多年前推出的UPS目前仍在使用。除此之外,部分设备厂商出于自身利益的考虑,也进一步阻碍了新技术在UPS领域的应用。结果导致在国内新建的各种数据中心中,仍不时可以看到各种传统工频机的身影。

2)供电设备长期低效率运转,电力浪费严重

对数据中心来说,追求更低的PUE和运营成本是CIO们永远的任务。由输入变压器和ATS开关所组成的UPS输入供电系统,以及由UPS及其相应的输入和输出配电柜所组成的UPS供电系统,它们的功耗约占数据中心机房所需总功耗的10%左右。其中7%左右的功耗来源于UPS供电系统,3%左右来源于UPS输入供电系统。对于大型数据中心来说,降低UPS供电损耗,可有效提升PUE,节省电费开支。

而实际情况是,对于大部分的数据中心来说,UPS实际运行负载率都不会超过40%。尤其是对于可靠性要求较高的数据中心,传统供配电系统在设计时往往会采用2N架构,UPS实际运行负载率甚至还不到20%。而对于大部分传统UPS来说,在20%负载率左右的实际效率普遍低于85%。所以,在数据中心实际运营中,大部分UPS都在长期低效率的运行,电费浪费情况严重。据测算,对于200kW的小型数据中心而言,如果能将UPS实际运行效率提升到95%以上,每年仅电费就可节约30万元。

3)傻大笨重,安装维护困难

传统工频UPS一般采用塔式结构,其内置变压器往往导致UPS体积巨大、笨重,运输安装困难。对于大功率UPS,往往会因为超重而不得不采用大型工程机械来进行吊装,如果运输通道过窄,甚至还需要砸开机房墙壁进行搬运。所以一旦初期安装完成,基本很难再进行扩容。但对于业务快速发展的企业尤其是互联网企业来说,未来的不确定性往往要求基础设备也同样具备随需扩容的能力,传统的UPS显然无法满足这一诉求。腾讯微模块概念的提出、HVDC的大量应用,无疑都是对快速建设、快速扩容、快速维护这一趋势的体现。

近年来云计算的迅速兴起,虚拟化技术的大量应用,使得各种应用与IT硬件设备进一步解耦。与此同时,便宜好用的X86服务器逐渐代替传统小型机,模块化的架构设计也早已成为IT设备的普遍趋势。“即插即用、坏了就换”的维护模式,使得对IT运维人员的数量和能力要求进一步降低。而传统的塔式UPS,一旦损坏就必须停机由专业人员进行维护,维护费用高昂、恢复时间漫长,故障的UPS长期运行在旁路模式的同时也使得业务中断的风险大幅增加。传统塔式UPS已经成为制约数据中心稳定运营的瓶颈。