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数据中心的新建非常简单,从无到有,按照标准规范,只要资金允许,按照业务发展的需要规划设计即可。但是数据中心的改造却需要考虑到方方面面,如下问题是每一个想改造数据中心的单位所不可避免的:
1、面对业务的不断发展,现有数据中心还能撑多久,何时扩建?(机柜容量、电力容量、空调冷量等等方面);
2、有了扩建计划,但不知道怎样的容量与配置是最合理的,如何规划?
3、如何确保业务不间断运营的同时大幅度扩建数据中心,如何保障?
4、怎样提升数据中心的整体使用率,怎样合理化的整合,从而获得更高的商业价值?
5、应该采用外包、托管、云平台服务哪种解决方案,来缓解扩建前的业务扩充压力;
6、如何减少错误发生概率、改善数据中心运行环境,提升数据中心可用性。

以作者的逻辑思维方式来分析数据中心改造面临的几大问题,首先我们当知道数据中心全生命周期包括哪些内容,后面的文章作者会带领大家从理论分析到实战技巧逐步解决以上问题。

一张图了解数据中心全生命周期:

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一、高压直流电源技术原理

如关于IT负载电源的分析,90%以上的数据设备电源普遍采用ATX和SSI拓扑架构,其典型的原理框图如图 1 所示。在交流UPS供电时,IT内部的电源总是将外部供给的交流电通过整流器变换成直流电,然后再经DC-DC变换成不同的等级给IT负载内部的数据部件供电。
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图1 IT设备内部电源

国内交流数据设备采用的供电电压等级为220V AC。数据设备PSU一般是110VAC、220VAC和50Hz、60Hz自适应,各厂家数据设备内配置的PSU设计指标一般满足下表的指标要求。可见,在交流供电时,PSU最高输入电压为264V,最低输入电压为90V,其最高、最低电压峰值分别为:
最高电压峰值:264V×1.414= 373.3V;
最低电压值:  90V×1.414 =127.3V。
 
表1
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如果仅从允许的电压输入范围来看,只要直流母排工作电压不高于350V,低电压不低于150V,数据设备一般可以正常工作。这就产生了是否可以将相应的直流电压直接向数据设备供电的问题,实际应用表明采用240V制式的直流电源直接向数据设备负载供电,绝大部分的数据设备负载不用做任何改造,就能正常工作,这就是目前240V HVDC供电的基本原理。但是对于336V制式的直流电源,其原理是完全一样的,只是数据设备内部的PSU需要定制化,来适应336V DC供电的需要,这也是目前直流336V 制式没有240V制式应用广泛的最主要制约因素。目前,240V制式高压直流在应用时,用电设备基本不做任何改造,经过简单测试验证后即可投入应用。国内已有多个数据中心运行在 240V 高压直流供电环境下。

采用UPS供电与采用HVDC供电的基本拓扑架构如下图所示。从图中可以看到,UPS电源和HVDC电源都是先经过整流器把AC整流成DC,它们是一样的原理;在第二级,UPS是经过逆变器把DC逆变成AC,而HVDC是经过DC-DC变换器来把DC转换成另一电压的DC(实际在DC-DC变换器内部,需要把直流先逆变成高频交流,然后经高频变压器降压后,再整流成DC),来实现对数据设备的供电。从电力电子的变换级看,HVDC电源本身比UPS实际是多了一个变换级,但是由于ZCZS等技术的采用,尽管多了一个变化级,变换效率还是可以达到很高的水平,与高频UPS基本相当。

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图 2 UPS设备的变换级与高压直流设备的变换级比较

高压直流电源在数据中心的应用架构
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图3 高压直流电源在数据中心的应用架构图
 
从图3可见,高压直流在数据中心的供电架构与UPS基本相同,由交流输入配电屏、高压直流电源柜、直流总输出屏、直流列头柜、数据设备机柜内直流PDU、备用蓄电池组等环节组成。

与UPS供电系统一样,高压直流电源根据数据中心的重要性等级,可选择如下三种供电方式:

1、高压直流单电源系统双路供电
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2、高压直流双电源系统双路供电
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3、高压直流电源与市电直供构成的双路供电
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二、高压直流技术的应用优势

1、数据中心模块化设计
高压直流系统通常采用模块化设计,目前最为常用的HVDC模块容量为40A和50A,可根据需要灵活组成集中式供电系统或分布式供电系统。

对于集中式系统,通常数据中心单系统容量最大选择在1000A或1200A。

对于分布式供电系统,可以组成小容量一体柜,也可以直接将高压直流系统放置在列头柜位置(当然,此时蓄电池也需要摆放在列头柜底部或旁边),无须设立配套的独立电源室,可节省机房空间。相对于集中式供电,分布式供电故障影响面小,只影响一小区域。

由于模块化设计,高压直流系统不仅各个子系统供电设备可以分期建设,而且每个子系统内部还可随着 IT 设备上架量不断增加HVDC模块,逐步按需配置模块个数。

2、数据中心可靠性如何提高
与UPS供电系统比较,高压直流系统的可靠性在以下三个方面占有优势:

一是高压直流模块并机技术,由于没有频率和相位同步的问题,只需要负荷均分就可以了,因此并机技术相对简单,稳定性与可靠性都得以相应提高;

二是高压直流系统通常采用多模块系统构成,如对于由20个50A模块构成的1000A系统,在负载较轻时可以自然组成N+M冗余系统,这里N是所带负荷需要的模块数(最大为20),M是系统冗余备份的模块数(最大为20),这样在电源模块故障时,通过模块冗余方式来提高系统运行的可靠性;

三是高压直流的备用蓄电池系统直接并接在高压直流电源与数据设备负载之间,这样当高压直流系统即使出现完全“崩坍”时,备用蓄电池系统仍然可以不受限制地支持数据设备的供电。

3、数据中心高效节能
目前高压直流模块的效率大约在95%左右,与IGBT整流UPS(俗称高频整流UPS)基本一样。但是相对于传统相控整流UPS(俗称相控整流UPS),尤其是相对于12脉冲相控整流UPS而言,具有明显的效率优势。

而且高压直流系统通常都具备模块休眠功能,可以根据实时负载需求开启合适的工作模块个数,一方面提高工作模块的负载率,另一方面让多余的模块处于休眠状态,从而保证在全负载范围和机房全生命周期都可实现高效率。当然,目前部分IGBT整流UPS也具备了这一模块休眠功能。

此外,目前一些通信运营商的高压直流系统不再采用 2N 配置,而是采用单高压直流电源系统的双母线供电方案;或者采用一路高压直流供电一路市电直供的供电方案。从而省去了第二套高压直流电源系统的损耗,来实现进一步的节能效果。

4、数据中心高压直流的可维护性

高压直流系统的最大优势是可维护。由于其模块化设计和模块可插拔功能。

使数据中心维护人员的维护能力得到了极大提高,在日常的维护或模块故障时,不再依赖厂家的技术支持,可自行独立完成模块的更换与系统的维护。如果发现了故障模块,需要做的只是热插拔更换故障模块,象更换块服务器硬盘一样简单,一线的现场人员即可处理,非常便捷。

其次,由于高压直流系统内部的 N+M 配置方式,即便坏了一个高压直流模块,对系统的可靠性几乎没有影响。而且电池作为另外一个备份单元,也可给运维人员提供充足的割接改造等腾挪时间。

三、高压直流技术的应用问题

在中国通信运营商和BAT的努力与推动下,虽然高压直流电源在数据中心的应用取得了很大的成就,但是仍然不可避免的存在以下问题:

1、数据设备的直流适应性问题。对于将原来交流220V供电的数据设备,直接采用高压直流供电,根据公开报道的数据,有的说90%以上设备没问题,也有的说97%以上的设备没问题,但是不管是90%还是97%,有一点是肯定的,就是不是100%的数据设备都能采用高压直流供电。这就带来那些余下的不能用高压直流供电的数据设备怎么办的问题,目前常用的做法是加逆变器来解决,当然这部分的供电可靠性就会显得薄弱。

2、数据设备在高压直流供电时发生故障的法律问题。尽管前面说90%的数据设备可以接受高压直流供电,但是从法律意义上来说,直流供电毕竟不是这一数据设备规定的标准供电方式,相当于改变了这一设备的规定使用条件。这样,从法律角度看,设备故障厂家可以自动免除保修责任。(在中国通信运营商和BAT的不懈努力下,据报道,目前部分以高压直流作为标准供电方式的数据设备已经在一些数据中心得到了推广与应用)。

3、市电的备用问题。对于高压直流电源系统而言,当高压直流电源出现系统性故障时,由备用电池来支持数据设备的供电,但是通常标配的时间是15min。如果在备用电池放完的时间内,系统还不能恢复,即使外部市电和柴油发电机正常,也会面临数据设备断电的风险。因为高压直流后边都是直流配电,市电无法直接接入。

4、电池短路故障问题。某些权威报道显示,数据中心电源系统的故障90%是由蓄电池系统引起的,如果这一数据是真的,那就很危险了。高压直流系统的蓄电池系统是直接接在数据设备的前面的,万一电池短路故障,可能就会引起后端数据设备系统的瞬断事故。 , ,
阀控型铅酸 (VRLA) 蓄电池常用于不间断电源(UPS)系统的三相来源。由于其重量与尺寸的缘故,数据中心需具备强化的承载结构。VRLA 电池的性能特性也会受温度影响,进而增加空调系统的负载。VRLA 电池并非特别耐用且需定时更换,这也造成营运成本的增加。
 
由于 VRLA 电池没有经济可行的替代方式,因此设计工程师必须忍受其缺点。不过,近年来锂电池的情况有所改变。直到目前为止,由于在价格、能源、容量、安全与可靠性之间未达到合理平衡,因此数据中心的不间断电源系统并没有使用的可行性。但由于电动车技术的进步,此问题已获得解决。第一部由锂电池供电的不间断电源系统已于 2016 年上市。现在所有的主要大厂皆使用锂电池,此方向已公认为最有希望的选择。根据Bloomberg New Energy Finance 报导,截至 2025 年,锂电池解决方案将占数据中心使用 UPS 市场的 40%。
 
数据中心锂电池的优缺点
 
消费电子公司通常使用锂钴电池,该电池容量可达多个安培时,这些不间断电源系统均搭载矩形的锂锰电池。而其安装容量为 60 安培时,并搭载更长的使用寿命与多种程度的故障防护。有时个别模块,甚至个别电池需负责监控重要性能参数,如温度、电压和电流。有时电源机柜或甚至整部系统都可负责此监控流程。必须实施监控才能完全掌控充电与放电流程,避免发生临界加热与不可逆的化学程序。锂电池也具备更高的能量密度 (Wh/kg) 与更高的输出功率密度 (W/kg)。拥有与铅酸电池相似的能量储存容量,而重量则是铅酸电池的三分之一不到,此优点有助于降低系统的总质量达 60-80%。
 
近年来,数据中心因空间限制与更高效率营运的需求而皆以增加其功率密度为主要目标。更有效率的可用空间俨然是数据中心拥有者最重要的工作之一。体积小巧的锂电池能减少在不间断电源系统中的占用空间达 50-80%。此类电池的充电时间更少且自行放电的速率更佳,当发生频繁的运行中断时可扮演重要的角色。闲置时,锂电池每月会损失约 1-2% 的电量。最重要的优势为其长效的使用寿命。铅酸电池的使用寿命极短,只有 3 至 6 年。而另一方面,锂电池则能持续使用约 10 年。根据不同的化学、技术与温度,锂电池的充电效率可长达 5,000 次生命周期且免维护,而铅酸电池的平均充电效率则只有 700 次生命周期。
 
锂电池的整体拥有成本为期 10 年(数据中心 UPS 的平均使用寿命),相较之下铅酸电池少了 39%。尽管此为乐观预估值,但至少能保证节省 10%。锂电池唯一一个严重的缺点就是初期投资明显更高。这也是为何大型数据中心早已成为导入新型解决方案的先驱。此设施更重要的目的在于降低整体拥有成本,而非短期获利,即便在此情况下积少成多的节省成本仍相当可观。另外,小型电池的好处能更有效的利用可用空间,同时可靠的监控系统也能确保更优异的安全及稳定的性能。锂电池可在比 VRLA 更高温度下运行,而不会损失容量,并可降低冷却系统的负荷。当然,甚至还有配备锂电池的单相 UPS。各种应用模型都是从最大数据中心开始、其次为工业应用,最后于小型服务器室或甚至个别机架结束。
 
方便更换
 
所有客户最后都会自问的最重要问题是:目前是否是将不间断电源系统升级为锂电池的适当时机?若要回答此问题,首先要考虑的是技术容量的可用性。新电池无法适用于所有 UPS 机型,因此可能需要重大的硬件与嵌入式软件升级。即使在相同的标称电压下,电池充电与放电的特性也会有不同。
 
在数据中心中一般 UPS 系统的预期寿命通常为 10-15 年。铅酸电池可使用 3-6 年,而锂电池可使用长达 10 年或甚至更久。在 UPS 系统(低于 5 年)的使用初期,大量更换为铅酸电池可证明其实用性。不过换成锂电池后,极可能到 UPS 系统使用寿命结束时锂电池还能使用。若您的不间断电源系统使用寿命接近中期,电池使用寿命可能更长,因此在大多数情况下更换电池根本毫无意义。在其使用寿命结束时,应考虑将您整套的 UPS 系统换为全新的锂电池解决方案。不过,即便对老旧的 UPS 系统而言,安装昂贵的电池仍十分方便。您应考虑其价格不断下降,以及老旧系统维护成本与完全更换成本的比率。

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预测及展望
 
尽管由锂电池供电的 UPS 系统能持续降低营运成本及整体拥有成本,但大部分的客户仍采用历经时间检验的VRLA 解决方案。首先可通过使用锂电池只有长期优势的观点解释此现象。不过,这确实会大幅增加资金成本。在任何情况下,客户在创新的投资部分每年都持续成长且只涨不跌。对大型数据中心而言,节省的数量会十分庞大,因此锂电池供电系统将会在企业部门逐渐增加。锂离子化学也持续在进步中。新解决方案和技术将随时间出现,而锂电池的价格将进一步下降。

数据机房承重需求

由于改造的机房建筑大都是普通的商用楼宇,其均布活荷载仅有300kg/m2左右的荷载,而服务器机房的平均重量大于400kg/m2,因此改造工程机房服务器机柜区域的建筑结构必须进行加固。在承重加固结构改造方面,我们有着丰富的工程设计和工程实践的经验。以下将以电信行业运营商的机房技术要求作为参考,讨论本次结构加固的方案和设计。

机房规划平面图:
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图1 机房规划平面图

数据机房所在楼为框架结构,这种结构以钢筋混凝土浇注的柱和梁构成整幢楼房的基本框架,在梁上铺设(或浇注)楼板,楼板或梁上建隔墙,从而完成整个楼房的建造。楼房内所受的力一般经过“楼板→(次梁)→主梁→柱”的路线传至地面。根据上图的平面布局规划,对必须加固的区域进行设备重量统计。

单台机柜重量统计:

IDC 机房机架、服务器重量

名 称

尺寸(mm)

重量(KG)

每架安装数量

总重

备注

机架

2200x600x1100

168

 

168

含隔板重量

服务器

4U

40

8

320

按每个机柜安装8台4U服务器计算

合计:

488

 
数据中心网络常见的通讯故障主要集中在:硬件故障、系统故障两个类别:

(1)硬件故障:

数据中心是通过无数计算机硬件组成的,硬件出现问题,就会导致部分功能无法正常发挥或运作。无论是设备、线路、端口,哪一点出现故障,都会导致网络通讯故障的出现。硬件方面的故障相对比较容易查找,例如线路故障,一般的成因就是线路明显的老化或者破损,而影响到了整体网络的运营;再比如,端口故障,计算机端口作为数据中心网络的重要环节,若出现接触不良、损坏等传输问题,就会影响到整体网络的运行。硬件故障只要进行逐一排查,就可以及时进行更换处理,相对比较好解决。

(2)系统故障:

数据中心是计算机领域比较热门的研究之一,因此研究技术十分成熟。计算机网络构成主要包括TREE、FAT-TREE、BCUBE、FICONN等,主要采用模块化、层次化、扁平化的设计思路与虚拟化的分割管理技术,将成千上万台设备,以单元为单位进行划分,逐一进行管理。通过分层、递归的结构进行联结,尽可能的避免了所谓“关键节点”的存在。这样组合也形成了良好的冗余与容错性,如果其中出现故障的某一个或某几个单元,没有被检测出来,也不至于影响数据中心的整体运行。但是如果超出一定比例,就会在影响数据中心网络的高速运行,拉慢网络通讯的速度,所以仍旧需要针对性的查找故障进行处理。