数据中心机柜电源系统研究

艾默生网络能源有限公司    曹播    朱利伟

 

 

    【摘  要】阐述数据中心机柜电源对于IT设备供电的重要意义，介绍各种类型数据中心机柜电源系统的实现方式，PDU的标准与法规，现状与未来。
    【关键词】数据中心供电  冗余电源  PDU  机柜整体解决方案

1  数据中心供电链条
    数据中心供电系统指的是从市电变压器、发电机组之后，包括ATS自动切换开关、配电系统、UPS、供电电缆、机柜供电等环节如图1所示。

图1  数据中心常见供电链路

    图1为数据中心供电系统原理图，从图中可以清晰的看出数据中心IT负载获取能量的路由。而机柜电源的获取和分配处于整条链路上最为接近负载的一部分，其重要性不言而喻。因此，有必要先行探讨一下IT设备的取电方式。

2  IT终端设备的取电特性
   （1）IT 设备电源的特性直接决定机柜电源及路由器件的几乎所有主要特性，包括：外型，电气容量，电压，频率，电流等级，绝缘等级，防雷等级，监控方式等。举例来说，在国内某场地，一个铭牌功率为250W的PC服务器，考虑到其电源的要求，其前端的插座配置选用IEC320 C13 10A 250V的规格即可（如图2所示）。

图2  IEC320 C13 10A 250V插座

    （2）IT 设备电源对可靠性等级的需求直接决定了机柜电源及路由器件的组网方式。IT设备中广泛使用两个或两个以上的电源同时供电，这种多电源供电技术在业界称为“冗余电源”。IT设备冗余电源系统从性质上最终大多都可以归结到双电源系统上。IT设备冗余电源(双电源系统)设计为提高服务器本身供电的可靠性提供了极佳的物质基础。常识上讲，如果双电源服务器的每一路电源都能够通过独立的供电路由找独立的能量源去电，就能够获得最高的可靠性。
    所以，2N/2(N+1)的供电结构正是基于服务器冗余电源结构而兴起的供电解决方案，而事实上，TIA-942将2N/2（N+1）的供电结构归入Tir 4（最高可靠度供电等级）如图3所示。
    这种2N的供电结构不仅要求在市电变压器、发电机组之后，包括ATS自动切换开关、配电系统、UPS、供电电缆、机柜供电等环节电气冗余，也要求物理冗余，因此，设计合理的数据中心机柜供配电系统如于图4所示，两条供电母线通过两条独立的供电路由给IT设备提供冗余供电。

图3  2N供电结构示意图

 图4.：2N 数据中心机柜供配电

3  大/中型数据中心机柜电源系统
    对于大/中型数据中心机柜电源系统，考虑到其电源输入主要是引自外部的大/中型的UPS系统，因此，具体到机柜电源系统，更多的需要谈到供配电的路由器件，机柜PDU。
    PDU意思是电源分配单元，也叫电源分配管理器，顾名思义PDU应具备电源的分配或附加管理的功能。电源的分配是指电流及电压和接口的分配，电源管理是指开关控制（包括远程控制）、电路中的各种参数监视、线路切换、承载的限制、电源插口匹配安装、线缆的整理、空间的管理及电涌防护和极性检测。 由于数据中心的几乎所有的IT设备都已经或者将要放置在标准机柜内，所以，PDU作为机柜的必备附件也越来越受到相关各方的重视。
    PDU从根本上讲，还是插头/插座的一种，因此，也一定接受业界相关法规的界定。

3.1  PDU分类及相关标准。
    电源插头/插座产品分为工业用途、家用和类似用途两大类。
    家用和类似用途插头插座产品是户内或户外使用的、家用和类似用途的、仅用于交流电、额定电压在50V以上但不超过440V、额定电流不超过32A的、带或不带接地触头的插头和固定式、移动式插座。该类产品覆盖：插头插座类产品包括：单相两极插头、插座、器具插座；单相两极带接地插头、插座、器具插座；三相插头和插座，PDU归类于B类“家用和类似通途”。
    家用和类似用途插头插座的执行的国家标准：
    ◆ GB1002-1996《家用和类似用途单相插头插座型式、基本参数和尺寸》；
    ◆ GB1003-1999《家用和类似用途三相插头插座型式、基本参数与尺寸》；
    ◆ GB2099.2-1997《家用和类似用途插头插座》器具插座的特殊要求；
    ◆ GB2099.3-1997《家用和类似用途插头插座》第二部分：转换器的特殊要求；
    ◆ GB2099.1-1996《家用和类似用途插头插座》第一部分：通用要求；
    ◆ GB17465.1-1998《家用和类似用途的器具耦合器》第一部分:通用技术要求；
    ◆ 等效采用IEC60320-1：1994标准；
    ◆ 另有，行标报批稿《通信设备用电源分配单元（PDU)》截至200年3月正在网上公示。

3.2  专用性
    世界上大部分国家都会制定有本国（地区）的“插头插座型式、基本参数和尺寸”的标准，即有本国（地区）的电源插头、插座的样式、标准；例如：A、GB1002-1996《家用和类似用途单相插头插座型式、基本参数和尺寸》标准，确定了中国的插头、插座的样式和标准；B、BS1363确定了英国的插头、插座的样式和标准（英联邦国家基本上都是采用英国的BS标准）。

3.3  通用性
    世界各个国家（地区）的《家用和类似用途插头插座》第一部分：通用要求都是等效采用的IEC884-2-1标准，即各个国家的“通用要求”基本都是相同和一致的（除个别章节的内容有所修改变动外）。“通用要求”规定了对插头、插座进行测试、合格判定的技术要求、试验方法的通用技术标准。“通用要求”即各个国家的技术要求和标准基本上不存在标准高或标准低的问题，都是属于强制性的标准。
    IEC60320（一般常用IEC320来表达）标准下的系列插头、插座是目前在世界各国应用最广泛的、通用性最强的一类用于计算机、通讯设备等产品领域的标准制式，在中国（GB17465）也是应用非常广泛的一种插头、插座型式。一般常用插座的规格，如：IEC320 C13（10A）、IEC320 C19（16A）；常用插头的规格，如：IEC320 C14（10A）、IEC320 C20（16A）；IEC320标准的插头、插座最关键也是最突出的特点是：国际标准化、通用性强、结构安全可靠、易于更换；

4  PDU与普通插座的区别及发展方向（如表1所示）
    表1

    当前PDU迅速的朝着智能化，网络化的方向发展，着重实现数据中心用电安全管理和运营管理的功能。通过对各种电气参数的个性化，精确化的计量，不但可以实现对现有用电设备的实时管理，也可以清楚的知道现有机柜电源体系的安全边界在哪里，从而可以实现对机架用电的安全管理。此外，通过侦测每台IT设备的实时耗电，就可以得到数据中心的基于每一个细节的电能数据，从而可以实现对于机架乃至数据中心用电的运营管理（如图5所示）。

图5  具备用电参数测量和网络监控功能的PDU

5  小型数据中心机柜电源系统
    对于小型的数据中心，虽然供电链路逻辑仍遵循图1所揭示的路由，但物理的形态会有很大的不同：UPS及其输出配电都可以集成到机柜里面。对于小型数据中心而言，机柜电源系统就有更多的内涵：除了PDU,还有UPS（包括电池系统），监控等系统，系统的集成度提高了，维护与管理也变得更加容易（如图6所示）。

6  结束语
    随着数据中心的飞速发展，数据中心机柜电源系统也正在快速演进。基本上系统的可靠性，大容量和易监控始终是数据中心机柜电源系统发展的主要技术脉络。机柜电源系统将一如既往的对数据中心安全可靠的运行提供重要的保障。
参考文献
1  GB1002-1996《家用和类似用途单相插头插座型式、基本参数和尺寸》
2  曹播.服务器电源系统于新一代数据中心设计的基础意义.2008