深度研究：数据中心市电直供案例介绍

  随着IT业务的加快速度进行发展，数据中心的用电成为企业的沉重负担，让市电直接给设备供电是个可选方案，能够大幅度减少数据中心电力系统的能耗。

  传统的数据中心大都通过UPS来实现掉电保护，通常所有IT负载都要经过UPS，我们假定实际运行UPS的平均效率为91%，以及考虑UPS散热的空调能耗，按数据中心典型PUE为1.7来算，那么UPS环节带来的总能耗达15%；假定年电费为1个亿，那么如果省掉UPS，光经营成本降低1500万，暂且还没算UPS以及配电设备的投资减少。

  目前国内数据中心基本都建设在经济较发达地区，电网环境相对较好。随着现代城市电网的建设和发展，一线小时内，某电信公司近年投资了2个亿在柴发上，但几乎没用过一次，而且每个月一次的日常运营维护成本很高！

  当然UPS的作用不单单是实现了掉电保护，而且还能滤除电网的电压抖动、脉冲和浪涌等。那么设备是否一定需要UPS提供纯净的正弦波才能可靠工作呢？常识告诉我们身边就有几十亿的家电在市电下正常工作着，且不论性能和质量要好得多的IT设备电源。再者每一个服务器电源出厂需要在各种极限情况下做各种测试，规范和规定要求了IT设备电源需要满足各种恶劣电网下的适应性、防雷、浪涌、闪断等测试，从技术上保证了一般的情况下市电供电没有问题。

  我们知道电路越简单越可靠，串接在供电路径上的UPS自身也是个故障点，有太多的案例发生在市电正常时候因UPS自身的故障而导致机房设备停电，因为UPS电容只有5年寿命，漏液短路或者大电流下会爆炸燃烧，加上需要相同频率、相位、幅度等复杂的并机也经常出问题。若采用2N甚至2（N+1）的冗余配置，那么系统效率很低，投资所需成本太高，又很不划算。假如我们也可以提出一种新的供电结构，做好市电供电下的掉电保护，那么就可以省掉UPS环节。

  任何种类的UPS，不管是传统的在线双变换交流UPS，还是是谷歌的12V挂电池，以及facebook开放平台的48V定制电源等方案，原理都是利用电池做好市电掉电下的掉电保护，差别只是实现方式上的不同。甚至包括目前电信在推的240V高压直流方案，也是通过电池的备份来达到掉电保护的目的。关于240V高压直流，这里插一句，业界已经通过理论分析和实测表明，IT设备在240V电池下供电不但风险很小，而且可靠性还比在220Vac交流下更高。详细分析请参考拙作《交流电源的高压直流直供可行性分析》。

  下面简要介绍一下业界市电直供的一些案例，所有资料来自互联网以及厂商公开资料，仅供参考。

  下图是facebook俄勒冈开放数据中心的电力拓扑图，从图上我们大家可以看到去掉UPS后在此环节几乎零损耗，整个供电路经上只有变压器和配电的很少损耗，效率非常高。

  从Facebook的公开资料上看采用了分布式服务器电源加集中48V电池的方案，每台服务器配一个277Vac和48Vdc双输入、单输出为12.5V的定制电源。输入电压范围为180V-305Vac，掉电保持时间最少20ms，输出过压保护15V，风扇随环温调压控制。电池备份采用另外一个450W DC/DC电源，当5ms内发现AC掉电，***10ms内开始DC供电，过渡期间两者同时供。

  由于服务器电源在满负载下有10到20ms的输出保持时间，那么在轻载下输出保持可以到30ms以上，假定10ms内检测到市电停电，唤醒休眠的48V电源并建立输出电压需要10ms内，再预留10ms的buffer，那就能在市电停电的时候唤醒模块2并平滑过渡，facebook是利用这个特点把UPS给省掉。

  缺点是需要定制两款服务器电源来分别支持277Vac和48Vdc，而且把电池放在IT机柜旁，机房高温对电池使用寿命影响很大，以及电池放机房中对楼板的承重有额外需求。加上48V低压由于线缆压降的原因不能长距离传输，因此备份系统容量做不大，单位成本高，这些不足限制了在国内机房的应用。

  Google的12V挂电池方案采用分布式电源加分布式电池作备份，原理是每个服务器带一个电源并配一个铅酸电池，市电正常时候市电直接给设备供电并给电池充满电，市电中断时候电池放电备份几分钟，直至柴发起来继续供电。

  1、电源产自中国，output:13.65V 20.***，这个服务器的功耗你们可以估算了，不会超过250w。有趣的是这个电池接入开关电源，那么开关电源当成一个UPS看也不为过，就是一个13.65v输出的ups，不会比市面上几百块钱***档次的UPS更贵。

  2、关于电池，免维护铅酸蓄电池无疑，从公开的资料上其容量只有3.2ah，充其量只能够维持5、6分钟以内的服务器掉电保护时间。

  3、是一台兼容机主板+大路货硬盘+低端UPS+摩托车电池，粘在一块烂铁皮上。

  该方案的核心技术是电池管理及切换控制，原理如下图所示，实现供电效率达到99.99%。

  微软在2010年推出ITPAC的机柜服务器方案，从概念图上看机柜采用集中电源供电，并在12V母排集中挂锂电池备份方案。分为上半区和下半区单独供电，单机柜达到18.6KW功率给96台服务器供电。市电正常时候直接给设备供电，市电停电后靠锂电池过渡，直至柴发起来。

  选用的4.5KW服务器电源也是高效率的电源模块，通过12V集中母排给服务器子机单元供电。

  在2010年的IDF上，芯片巨头intel展出了其市电直供加12V输出分布式挂锂电池方案，其原理是采用电源集中供电（左图红圈部分），通过12V铜母排给服务器子单元供电，并在服务器子机内部的12V输入上分布式挂锂电池作掉电保护。该方案采用了类似谷歌的分布式电池到服务器子单元中，又采用了类微软的集中服务器电源供电的方案，总体效率非常高。

  2011年某网络公司大会上，该公司介绍了其市电直供的一些实践，比如采用市电主供+UPS备份的方案。双电源服务器分别由一路市电以及另外一路在线式UPS同时供电，这种模式下能够大大减少一半UPS的投资，以及减少一半UPS的运行损耗。若能够采取一定措施，让市电供电电源承担100%负载，UPS供电服务器电源处于空载备份方式，那么运行效率还会更高。

  下图是intel公司给的一个典型服务器电源的SPEC，通常经过认证的服务器电源都需要满足下面的这些电网波动适应性测试，实际根据之前电源开发的经验，服务器电源出厂前需要做各种极限环境下的测试，比如雷击测试，动态跳变，打静电耐压测试等等，以适应山顶基站等高温暴雨雷击以及远郊恶劣气候的考验，这也是facebook等公司敢直接用市电供电的原因。

  由于模块的实际应用中，电网中存在各种各样的谐波，特别是在轧钢厂的旁边，电网中存在的各种各样的谐波的幅值是相当大的，为了模拟模块在实际的使用情况，一定要进行谐波极限试验。

  模拟冲击电流波是一种非周期瞬态电流波，短时间内（？s级）上升到峰值，然后缓慢地下降到零，一般记作T1/T2 ?s，T1为视在波前时间，T2为视在半峰值时间，8/20?s表示：T1＝8?s，T2＝20?s。

  2010年上半年各电网公司、省（区、市）电力公司供电可靠性指标如下。报告数据显示，上半年，上海市电力公司、北京市电力公司、天津市电力公司的用户平均停电时间均低于1个小时，供电可靠率分别为99.9869%、99.9841%和99.9514%。山东、江苏、浙江、湖南、河南的城市用户平均停电时间均低于2个小时。

  随着数据中心技术的发展以及降低经营成本和节能减排的需求，加上现代电网可靠性慢慢的升高，通过一定的技术方案改进并做好市电掉电下的可靠保护，市电直供方案将在大型的互联网数据中心等场合的应用会愈来愈普遍，成为未来趋势。

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