随着5G、物联网、工业互联网和数字城市的加速发展,我国数据中心产业也进入了大规模的规划建设阶段。2017年我国传统IDC业务收入512.8亿元,占IDC全行业总收入比重78.8%;云服务收入137.6亿元,占比21.2%,比2016年提高2.8%。目前大多数数据中心存在能耗较高,电能使用效率(PUE)仍大于2.2,与国际先进水平相比有较大差距,节能潜力巨大。同时数据中心产生大量的温室气体排放,消耗大量的水资源,其设备废弃后造成较大污染,给资源和环境带来巨大挑战。图1为2017年全球和我国数据中心发展概况。
　　
　　随着云计算业务的不断扩大,集中处理云端业务需求量剧增,大型云数据中心广泛应用;在5G、工业互联网等领域,需在边缘侧快速响应客户诉求,边缘数据中心将大面积推广应用。未来数据中心朝着云边发展,如何解决边缘数据中心的后备电源是亟需解决的问题。
　　
　　1 后备电源需求
　　
　　为保证信息系统的安全,UPS间的建设尤为重要。由于供电系统中不可避免的存在如供电中断、电压浪涌、电压陷落、波形畸变、频率漂移、持续过压、持续低压、瞬间过电压和噪声干扰等情况,任一种情况的出现必将造成整个供电系统的不稳定,尤其是对通信网络信息设备轻则工作出错、通信失败,重则设备损坏、数据丢失、系统崩溃。作为网络信息系统核心的服务器及通信设备能否稳定地工作,取决于能否提供高质量、稳定的电源系统。
　　
　　UPS为服务器等数据通讯设备提供后备电源,根据需求,对服务器等重要设备提供供电。同时,还要求UPS还具有网络监控功能,UPS的工作状况能被系统管理员随时掌握。一旦UPS出现异常,可以通过多种告警方式通知到运维人员办公室、保安室,同时采用短信息方式通知相关负责人。
　　
　　传统的数据中心供电方式从UPS单机、1+1并机发展到现在的N+M并机和双母线,可靠性提高到99.9999%,冗余的UPS系统必然是降低了平均每台UPS的负载量,降低了其运行效率,从而提高了能耗。
　　
　　2 电池的选型
　　
　　机房的UPS设计为机房核心网络设备、服务器、监控等设备提供电源保障。随着业务发展和信息化系统的逐渐开展,使得机房服务器、存储等核心设备不断增加,而机房核心设备作为集团的信息化数据的载体和处理工具,需24h不间断工作,这对UPS供电系统的可靠性要求非常高。
　　
　　(1)锂电池的发展
　　
　　锂电池在不同受电设备的应用中已有20余载,锂离子化学成分和技术的改进已为UPS供应商提供了可行的方案,得益于电动汽车产业发展的推动,锂电的使用已在更大范围内铺开。
　　
　　UPS系统中,后备蓄电池组是整个供电系统的最后一道供电保障防线,又是电源维护工作的重点与难点,在UPS系统中断的事故中,约有50%的以上与蓄电池有关。随着信息技术的发展,人们对供电系统的可靠性要求更高,对实现绿色环保的意识更强。
　　
　　(2)磷酸铁锂电池优点
　　
　　①输出电压高:电压范围:2.5～3.6V,平台3.2V;
　　
　　②安全性强:正极材料具有良好的电化学性能,充放电平稳,可以过放电到零伏;
　　
　　③高温性能好:外部温度65℃时内部温度则高达95℃,放电结束时温度可达160℃;
　　
　　④高效率输出:标准2～5C、高电流可达10C,瞬间脉冲(10s)可达20C;
　　
　　⑤高循环寿命:3500次循环,容量大于95%;
　　
　　⑥可快速充电;
　　
　　⑦非稀有资源:采用磷酸源、锂源、铁源为材料,无战略资源及稀有资源。
　　
　　(3)磷酸铁锂电池和三元锂电池对比(表1)
　　
　　磷酸铁锂电池循环寿命长,高温性能好,安全性能高;三元锂电池低温性能好,价格优势高。结合数据中心机房应用,应选用磷酸铁锂电池,可靠性高。
　　
　　(4)电池管理系统BMS
　　
　　电池管理系统(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM,BMS)是电池与用户之间的纽带。它的功能:
　　
　　①准确估测电池组的荷电状态(State of Charge,即SOC),即电池剩余电量;
　　
　　②电池充放电过程中,实时采集每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压,防止电池发生过充电或过放电现象,故障检测报警功能;
　　
　　③为单体电池均衡充电,使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。
　　
　　(5)磷酸铁锂电池和铅酸电池对比(表2)
　　
　　(6)磷酸铁锂电池应用
　　
　　2018年工信部组织中国铁塔股份有限公司开展锂电池梯次利用,停止采购铅酸电池,大力推广锂电池梯次利用,截至2018年底,已在全国31个省市约12万个基站使用梯次锂电池约1.5GWh,替代铅酸电池约4.5万吨。2019年将继续扩大梯次锂电池使用规模,预计采购梯次锂电池约5GWh,替换铅酸电池约15万吨。运营商5G基站的建设都要求采用磷酸铁锂电池!
　　
　　工信部联节(2019)24号《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》提出要建立健全绿色数据中心标准评价体系和能源资源监管体系,到2022年,数据中心平均能耗基本达到国际先进水平,新建大型数据中心的PUE值达到1.4以下,中小型数据中心PUE值在1.8以下。要求加快绿色数据中心先进技术产品推广应用,高效供配电系统,包括分布式供能、市电直供、高压直流供电、不间断供电系统ECO模式、模块化UPS、储能电池管理、能效环境集成监控等。
　　
　　3 分布式电源的选型
　　
　　(1)产品特点
　　
　　①快速、灵活、分布式、模块化部署
　　
　　·简化数据中心规划设计;
　　
　　·按需快速部署;
　　
　　·模块化设计,电池可热插拔,主机更换时负载持续供电;
　　
　　·在同一数据中心兼容T2/T3/T4级别。
　　
　　②有效利用空间和承重
　　
　　·部署无需独立的分布式电源系统空间和电池室,有效机柜数量增加40%以上;
　　
　　·设备重量与服务器相当,承重仅需500Kg/平方米。
　　
　　③节能减排,机柜级能源管理有效结合云计算
　　
　　·高效率供电模块,全系列产品效率高达94%以上;
　　
　　·全锂电池备源系统,放电效率高达95%以上,寿命高达10年;
　　
　　·配合能源管理系统可以实现机柜级的能源管理并配合云计算进行调度。
　　
　　(2)产品特点
　　
　　①UPS主机模块可在线热拔插更换,保障系统安全不间断运行;
　　
　　②电池模块智能在线更换模式,实现电池模块零间断热拔插更换,保障系统安全可靠运行;
　　
　　③核心控制采用DSP三电平逆变技术,产品更稳定更高效;
　　
　　④具备输出4路智能分时控制功能,时间可以通过LCD面板设置,对负载设备进行分级管理,实现能源调度;
　　
　　⑤采用DSP智能控制技术,充电电流2～10A可任意设置;
　　
　　⑥系统集成完善的BMS智能电池管理系统,保障锂电池高效率可靠运行;
　　
　　⑦丰富的通讯接口USB、RS485、RS323、SNMP、干接点等通信接口,兼容IDC第三方网管;
　　
　　⑧通讯接口可以查看主机及电池的工作状态,实时了解设备工作状态;
　　
　　⑨具有独立的两路输入和输出端子(双路输入、输出),实现服务器柜级双电源备份组网;
　　
　　⑩具备维修旁路及侦测功能,当打开维修旁路盖板时,将自动转旁路,不需要人工按关机转旁路,且维修旁路盖板未安装,将无法开机。
　　
　　(3)产品组网模式
　　
　　①标准组网方案(图2)
　　
　　图2中,从列头柜输出的A路和B路两路市电同时接入到DPS,DPS输出两路电源到两个PDU,其中一路电源经过电池,市电中断后通过逆变环节为PDU-A供电,其中一路为市电直供,DPS仅做检测及管理,市电中断后该路电源所带PDU-B供电中断。
　　
　　②高可靠性组网方案(图3)
　　
　　图3中,从列头柜输出的A路和B路两路市电,市电A路接入编号为奇数的机柜,市电B路接入编号为偶数的机柜;每台分布式电源系统有两路输出,分别为本机柜IT负载和下一个编号的机柜IT负载供电,最后一个机柜为第一个机柜IT负载供电。③单路市电中断时的冗余机制(图4)图4中,当B路市电中断,A路市电正常时,由A路市电接入的分布式电源同时为A路及B路分布式电源所在机柜进行供电;虽然B路市电中断,B路分布式电源所在机柜供电不受影响。
　　
　　④不相邻设备故障时冗余机制(图5)
　　
　　图5中,不相邻设备设备故障时,故障设备所在机柜供电由相邻提供,供电业务不受影响。
　　
　　⑤两相邻设备故障时的冗余机制(图6)
　　
　　图6中,两相邻设备故障时,业务影响范围为1台设备供电受影响,影响范围较小;不相邻设备设备故障时,故障设备所在机柜供电由相邻提供,供电业务不受影响。
　　
　　(4)产品应用场景(表3)
　　
　　微模块数据中心将分布式电源系统及锂电池储能融合到微模块中,真正实现按需部署,模块化扩容,统一管理;参考架构:微模块数据中心符合《中国电信集团通信机房基础设施DC化重构的技术要求》中第六类。
　　
　　4 分布电源和模块化集中电源解决方案对比(表4)
　　
　　5 结束语
　　
　　数据中心的快速发展对用电设备的供电质量提出更高的要求,分布式电源技术的出现,是对传统UPS供电技术的探索和创新,能够彻底解决传统模式建筑中电源容量不足;空间利用率低,建设成本高;设计及安装周期长;对未来需求不明确;运营成本高,效率低,节能效果差;改造扩容更新困难,维护不方便等问题,最大程度降低数据中心的建设成本和运营成本。目前,国内分布式电源技术越来越成熟,相关产品性能及稳定性经过市场的验证,相信有越来越多电源厂家对数据中心电源提出创新电源解决方案,产品标准和建设规范随着完善,将在数据中心越来越广泛的应用。
　　
　　作者简介
　　
　　林志鹏,从事电源行业9年,现任厦门市爱维达电子有限公司大客户事业部总监,对数据中心电源、通信基站后备电源、工业用电源和电力用电源的解决方案配置建议与应用有丰富经验。
　　
　　编辑：Harris