——王偉

    摘要：本文通過對數(shù)據(jù)中心機房IT負載電源工作原理的分析，揭示了IT負載對輸入電源品質(zhì)寬廣的適應性，從而為在數(shù)據(jù)中心采用UPS綠色休眠技術(shù)提供了必要條件。現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心通過采用綠色休眠技術(shù)不僅大幅度提高了系統(tǒng)的節(jié)能降耗水平和PUE指標，同時提高了數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)可靠性和供電安全等級。

    一　引言

    綠色節(jié)能已經(jīng)成為當今數(shù)據(jù)中心建設(shè)的潮流，而能源使用效能值（PUE）則是衡量數(shù)據(jù)中心競爭力的一個重要指標。據(jù)最新的報道，國外最先進的數(shù)據(jù)中心的PUE值可以達到1.06，而我們國家IDC的PUE平均值則在2.5以上，這意味著IT設(shè)備每耗一度電，就有多達1.5度電被數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施消耗掉了，這一現(xiàn)象在中小規(guī)模數(shù)據(jù)中心中更為嚴重，通常其PUE的測量值普遍在3左右。這表明有大量的電能被消耗在供電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)這些基礎(chǔ)設(shè)施上了，而用于IT設(shè)備中的電能僅為總耗電的33%。

    專注于解決數(shù)據(jù)中心能耗問題的綠格子組織（Geen Grid）近日推出了兩個新的標準，分別是炭使用率（CUE）標準以及即將推出的水使用率標準（WUE），旨在更強烈地推動數(shù)據(jù)中心PUE指標的快速改善。因此，無論從節(jié)能還是生存角度看，PUE值都應該引起數(shù)據(jù)中心運營商的高度重視。

    對于影響數(shù)據(jù)中心PUE值的供電、制冷兩大基礎(chǔ)設(shè)施而言，供電系統(tǒng)的能效是問題的根本，因為供電系統(tǒng)的低效加劇了制冷系統(tǒng)的負擔，雙倍地導致了PUE指標的攀升。而數(shù)據(jù)中心所有營運負載幾乎都是通過UPS電源來供電的，因此如何進一步挖掘UPS系統(tǒng)的工作效率，將是快速改善數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)乃至整個數(shù)據(jù)中心PUE指標的核心途徑。

    二  IT負載對供電系統(tǒng)的真實需求

    要提高整個數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的能效，我們必須重新來科學地審視數(shù)據(jù)中心IT負載，挖掘IT負載對輸入電源供電品質(zhì)的真實需求。

    當前IT負載內(nèi)部的輸入電源模塊基本采用兩種標準制式，即ATX制式和SSI制式。這兩種制式電源的主電路如圖1所示。

（a）ATX標準

（b）SSI標準

圖1 　IT負載的輸入電源

    分析這一電源的工作原理可以看出，無論是ATX還是SSI電源，輸入的220V交流電進入IT負載內(nèi)部后，都必須經(jīng)四級變換，最后轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的12V、5V、3.3V的直流電壓，提供給IT負載內(nèi)部的CPU、內(nèi)存、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信芯片等“真正的IT負載”使用。這四級變換分別為：

    1.       輸入濾波級：噪聲抑制與濾波，對輸入交流電進行必要的濾波；

    2.       第一變換級，橋式整流器，將穩(wěn)定或不穩(wěn)定的220V交流電變?yōu)榧s200~300V的直流電；

    3.       第二變換級：高頻逆變器，將經(jīng)濾波的直流電經(jīng)高頻開關(guān)PWM調(diào)制轉(zhuǎn)換成精度非常高的穩(wěn)壓穩(wěn)頻交流電。不同的電源，這一交流電頻率通常會在50KHZ到250KHZ之間選定，隨著電源技術(shù)的進步和功率器件的發(fā)展，這一頻率將來可能高達1MHZ；

    4.       第三變換級：高頻隔離變壓器，將高頻交流電降壓并隔離；

    5.       第四變換級及輸出濾波級：高頻整流器及輸出濾波，將穩(wěn)定的高頻交流電轉(zhuǎn)換成恒定的直流12V(或5V、3.3V)輸出。

    從這四級的變換過程可以看出，IT電源自身具有非常高的對電網(wǎng)干擾的凈化、隔離功能及對電壓、頻率波動的穩(wěn)壓功能，而且一般服務(wù)器負載對輸入交流電源電壓、頻率窗口的適應性非常寬。以HP Proliant DL380服務(wù)器為例，其輸入電壓范圍為AC 100~240V，頻率輸入范圍為50~60HZ；Sun Fire V100服務(wù)器的輸入電壓范圍為AC 90~264V，頻率輸入范圍為47~63HZ。與UPS相比，其對市電電壓與頻率的適應能力不亞于絕大部分的UPS電源，甚至優(yōu)于UPS電源。

    由此，我們可以得出如下結(jié)論：IT負載完全允許在一定范圍內(nèi)波動的輸入交流電源。這一結(jié)論也與 IEEE給出的計算機對電能質(zhì)量要求的 ITIC曲線完全相符，如圖（2）所示。

圖2　IT設(shè)備的ITIC曲線

    四、改變UPS工作模式來提高能效的可能性

    當前數(shù)據(jù)機房UPS系統(tǒng)的工作模式為雙變換在線工作模式，本來的目的是通過“AC-DC和DC-AC的雙變換”給IT負載提供穩(wěn)定的凈化電源。但是在這一模式下，UPS的效率很低，通常滿載工作效率僅90~95%（視UPS結(jié)構(gòu)的不同），如果對于當前數(shù)據(jù)機房普遍采用的2N電源系統(tǒng)架構(gòu)，其正常工作的最大負載率僅為40%左右，在這一負載率下，UPS的工作效率也相應降低，通常約為85~94%左右，這導致了能源的極大浪費并降低了整個數(shù)據(jù)中心的PUE指標。

    根據(jù)上一節(jié)的分析，IT負載自身的輸入電源具有“AC-DC、DC-AC、AC-AC和AC-DC的四個變換級”，而且其變換的頻率是當前所有UPS的開關(guān)變換頻率的10~20倍以上，因此其變換輸出的精度也幾乎是UPS的10～20倍，而且IT電源自身也允許輸入交流電源在一定范圍內(nèi)波動，可見在絕大部分的工作時間內(nèi)，UPS的雙變換對于IT負載來說是完全沒有必要的多余重復，這就如同一個十歲的孩子不再需要預先嚼細的食物一樣。其次，從數(shù)據(jù)中心機房的輸入供電系統(tǒng)看，通常都配置了專用的大容量10KV/380V隔離變壓器、補償電容柜、防雷防浪涌抑制器等，其輸入市電的品質(zhì)也得到了較好的保證。筆者曾對某企業(yè)數(shù)據(jù)中心的輸入市電進行了長達三個月的電能質(zhì)量檢測，測量結(jié)果看出市電的電能質(zhì)量是非常優(yōu)秀的，其電壓純凈度、穩(wěn)定度，頻率穩(wěn)定度及其它干擾、瞬時電壓畸變等的數(shù)據(jù)甚至優(yōu)于UPS供電輸出。

    所以，在這樣的市電及IT負載電源背景下，為了進一步提高節(jié)能水平，考慮對數(shù)據(jù)中心機房UPS供電系統(tǒng)引入效率高達99%的綠色休眠技術(shù)，并依據(jù)輸入市電的品質(zhì)設(shè)置自動分級運行模式，直接用IT負載內(nèi)部電源的“高精度四變換”代替UPS電源的“雙變換”，消除多余的“重復變換”，是完全可行和必要的。

    五、UPS綠色休眠在線模式的原理

    與雙變換在線工作模式剛好相反，綠色休眠在線模式的工作原理是在輸入市電品質(zhì)較好的情況下，將市電通過UPS旁路直接供電給數(shù)據(jù)中心的IT負載，而UPS內(nèi)部的逆變器處于在線備份狀態(tài)，從而使整個UPS系統(tǒng)的供電效率高達驚人的99%，而且這一休眠效率不受UPS負載率的影響，實現(xiàn)了“UPS基本不耗能”的節(jié)能降耗總目標；同時通過微秒級的快速跟蹤及DSP技術(shù)，始終保持逆變器在線備份的電壓、頻率、相位參數(shù)完全與旁路輸入同步，保證了分級切換的“不間斷”。

    根據(jù)輸入市電的品質(zhì)，這一UPS系統(tǒng)的工作可分成下列三級：

    第一級――綠色休眠在線模式。如下圖所示，當UPS檢測到市電的電壓與頻率落在最里邊的圓內(nèi)時（圓的大小即第一級模式時的電壓U1與頻率F1可依據(jù)負載的性質(zhì)　及輸入市電的狀況改變與設(shè)置），UPS自動進入綠色休眠節(jié)能模式運行。在這一模式下，UPS內(nèi)部的整流器、逆變器、充電器均處于在線休眠狀態(tài)，不僅基本不損耗電能，而且使主功率器件也處于電休眠狀態(tài)，提高了這些UPS內(nèi)部核心部件工作的可靠性并延長其使用壽命。

圖3　 UPS分級運行模式

    第二級――雙變換在線模式。當市電的電壓與頻率波動加劇，超出最內(nèi)部的圓形界線落在圖3中間的圓環(huán)型帶區(qū)時，UPS立刻轉(zhuǎn)換到整流、逆變的雙變換模式，此時的UPS40%負載工作效率通常在85~94%左右,與目前數(shù)據(jù)機房UPS的工作模式完全相同。

    第三級――電池放電逆變模式。當市電的電壓與頻率越出中間的圓時或者停電時，即超出了UPS整流輸入所允許的電壓與頻率范圍時，UPS將關(guān)斷整流器，進入電池放電工作模式，此模式下UPS的滿載工作效率約為86～95%左右。

    根據(jù)國內(nèi)典型的數(shù)據(jù)中心實際電能質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對于進行上述分級運行的UPS系統(tǒng)，如果設(shè)定U1=240V,F1=51HZ，其一年的95%時間將運行在休眠模式，小于5%的時間工作在雙變換模式，不到1%的時間工作在電池放電模式。如果以一個負載容量為5000KW的中等規(guī)模IDC機房采用老式12脈沖相控整流UPS為例，假設(shè)其40%負載率下的效率為達到了國家能效III級UPS標準的87%為計算依據(jù)，其每年的電費節(jié)約將高達460多萬元，如表1所示。

    表1　 采用分級運行模式后的節(jié)能數(shù)據(jù)

    四、綠色休眠在線模式的安全切換問題

    采用UPS綠色休眠在線模式對數(shù)據(jù)中心機房的節(jié)能效果是非常顯著的，但是很多用戶擔心分級轉(zhuǎn)換的時間間隙問題，是否會因切換時間過長導致負載斷電呢？

    實際上這種擔心對于伊頓公司的產(chǎn)品與技術(shù)而言是多余的，以伊頓公司的最新一代UPS――9395為例，由于采用了專利的休眠技術(shù)、同步跟蹤技術(shù)及多DSP數(shù)字鎖相技術(shù)等諸多業(yè)界領(lǐng)先的技術(shù)，不僅保證了分級的安全性和穩(wěn)定性，也保證了切換時間的快速性。

圖4　輸出電壓動態(tài)偏離曲線 

    首先是分級切換時的電壓變動數(shù)據(jù)，其實測的三相電壓變動曲線如圖4所示，UPS輸出三相電壓動態(tài)偏離值遠小于UPS 標準CLASS 1及計算機安全標準ITIC曲線的輸入電源安全要求，標明切換瞬間的電壓波動很小，完全優(yōu)于IT負載對輸入電壓波動的容差；其次是切換間隙時間，實際測量的三相電壓波動的切換時間最大為1.6ms，單相電壓波動的切換時間最大也為1.6ms，如圖5所示，這一時間不僅遠小于機房IT負載所要求的安全轉(zhuǎn)換間隙，還遠小于數(shù)據(jù)中心機房常用的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)STS 所能達到的最快4～5ms的轉(zhuǎn)換時間，從而確保了機房負載在轉(zhuǎn)換過程中的供電安全性。

圖5　切換時間  

    五、綠色休眠在線模式提升了UPS系統(tǒng)的安全可靠性

    與雙變換在線工作模式相比，工作在綠色休眠在線模式的可靠性也得以明顯提高。

    傳統(tǒng)的雙變換在線模式在95%的時間內(nèi)，工作在整流器和逆變器頻繁開關(guān)工作及承受負載電流沖擊的工作狀態(tài)，其功率管不斷地在開通、關(guān)斷狀態(tài)變換，導致了大量的開關(guān)損耗和器件的溫升，并加速了器件的“疲勞”與老化，其系統(tǒng)的故障率相對較高，這也是為什么長期以來行業(yè)用戶總是對UPS可靠性心里沒底的根源所在。

    而采用綠色休眠工作模式的UPS，在95%的工作時間內(nèi)，UPS內(nèi)部的整流器、逆變器、均處于在線休眠狀態(tài)，沒有任何負載電流流過，也不需要功率管狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，不僅基本不損耗電能，而且使主功率器件完全處于“休息”狀態(tài)，提高了這些UPS內(nèi)部核心部件工作的可靠性并延長了使用壽命。

    在切換狀態(tài)時，雙變換工作模式當UPS出現(xiàn)故障時需要一次切換轉(zhuǎn)到靜態(tài)旁路系統(tǒng)工作；而休眠工作模式當出現(xiàn)市電故障時，需要一次切換到雙變換工作。切換的可靠性基本等價。

    所以相對而言，綠色休眠技術(shù)在節(jié)約大量能源的同時，也提高了UPS系統(tǒng)的工作可靠性。

    六、與早期的“效率優(yōu)化”或“旁路優(yōu)先”的技術(shù)差異

    伊頓9395的綠色休眠在線模式在節(jié)能效果與轉(zhuǎn)換安全性上完全不同于一些廠商及原伊頓愛克賽自身在90年代中期推出的所謂“效率優(yōu)化”或“旁路優(yōu)先”等古式技術(shù)。長期以來，“效率優(yōu)化”或“旁路優(yōu)先”技術(shù)一直無法解決“效率優(yōu)化了”但轉(zhuǎn)換時間太長(超過10ms)或轉(zhuǎn)換時間改進了但“效率不夠優(yōu)化，僅96~97%”的矛盾，由此導致了工作在這一模式的UPS工作可靠性和穩(wěn)定性不高，機房負載始終處在供電中斷風險的隱憂之中。如一些廠家采用“旁路優(yōu)先”的在線互動工作模式，效率通常小于97%，由于跟蹤精度差經(jīng)常導致需要切換時無法安全切換的致命問題；而另一些廠家則采用“后備式”工作模式，轉(zhuǎn)換時間太長通常約需10ms，這是高端IT負載所無法承受的。而伊頓9395綠色休眠技術(shù)，通過多DSP技術(shù)架構(gòu)并引入現(xiàn)代最先進的“云”計算技術(shù)理念，溶合當代電力電子技術(shù)的最新進展，實現(xiàn)了系統(tǒng)效率、轉(zhuǎn)換時間及轉(zhuǎn)換安全性三者的有機統(tǒng)一，大幅度提高了UPS在休眠狀態(tài)及“休眠”到“喚醒”工作轉(zhuǎn)換過程中的節(jié)能效率，并確保了極高的工作可靠性。

    這一在線休眠模式不僅能輕易地實現(xiàn)UPS單機的休眠而且能實現(xiàn)多臺并機系統(tǒng)的休眠，所以它非常適合擁有大容量UPS的數(shù)據(jù)中心機房。即使與最近在通信行業(yè)正在嘗試的高壓直流電源相比，其效率與可靠性也明顯優(yōu)于后者。在國外，這一技術(shù)得到了非常廣泛的應用，帶來了數(shù)據(jù)中心電源安全與節(jié)能和諧統(tǒng)一的革命性變革；在國內(nèi)最大的IC制造業(yè)70多臺伊頓9395 200~800K全部成功地工作在在線休眠模式。

    七、結(jié)論

    由于IT負載電源自身的四級變換對輸入電源的高精度凈化、穩(wěn)壓功能以及現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心機房UPS供電系統(tǒng)通常具有的較好電能品質(zhì)，在絕大部分市電品質(zhì)良好的工作時間內(nèi)繼續(xù)讓UPS工作在雙變換模式不僅是能源的無端浪費，而且這一多余的重復變換還導致了UPS事故的高發(fā)和可靠性的大幅度下降，因此轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)技術(shù)觀念，在數(shù)據(jù)中心機房廣泛采用UPS綠色休眠在線技術(shù)作為主工作模式是大勢所趨。

    同時由于UPS技術(shù)的飛速進步和多年的成功應用，UPS綠色休眠在線技術(shù)在提高能效、保證輸出電能的切換穩(wěn)定性、切換快速性及切換的可靠性方面得到了可靠的技術(shù)保障和長期的實踐驗證，從而為綠色休眠技術(shù)在數(shù)據(jù)機房的廣泛應用消除了不必要的技術(shù)顧慮。

    采用效率高達99%的綠色休眠技術(shù)UPS，可大幅度提高數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的節(jié)能降耗水平，從而提高數(shù)據(jù)中心機房的PUE指標踏上一個全新的臺階，因此它應該成為當今數(shù)據(jù)中心UPS電源必須的功能和首推的工作模式。■