IT數(shù)據(jù)中心電源與能源的管理

IT數(shù)據(jù)中心需要電力運(yùn)行服務(wù)器、存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)以及相關(guān)的冷卻和通風(fēng)設(shè)備。一些用戶甚至是IT的專業(yè)人士或提供商都很難做到充分地利用能源。為了有效地配置能源，除了了解設(shè)備銘牌上的信息外，進(jìn)一步地了解能源的使用是有必要的。銘牌上的數(shù)據(jù)并沒(méi)有明確地說(shuō)明哪些能源是立即需要的，哪些能源是還在需求中的，對(duì)能源需求的不明確將導(dǎo)致對(duì)能源的過(guò)度配置。如果對(duì)電力的配置估計(jì)過(guò)高，冷卻設(shè)施也會(huì)隨之增多，從而造成能源與冷卻消耗的過(guò)度浪費(fèi)。

電力可以按交流電(AC)或直流電(DC)的形式生成、傳輸或使用。電力公司采用交流電。大多數(shù)商業(yè)消費(fèi)類電子產(chǎn)品都是交流供電，如有必要，可以在內(nèi)部轉(zhuǎn)換為直流電。例如，服務(wù)器和存儲(chǔ)器以交流供電，再通過(guò)內(nèi)部變壓器轉(zhuǎn)換為直流電。一些非電池供電的項(xiàng)目使用原始的直流電或是DC-AC逆變器供電。交流電源可提供12OV、208V、240V和480V的電壓，隨服務(wù)類型和相數(shù)(一相、二相、三相)而變。頻率根據(jù)地點(diǎn)不同有所區(qū)別，北美地區(qū)使用60赫茲(Hz)，歐洲和世界其他地區(qū)使用50赫茲(Hz)。

在電費(fèi)單中，電力使用千瓦時(shí)(KWh)或千伏安(KVA)做單位。例如，一個(gè)小型l2kW的發(fā)電機(jī)能夠提供5OA，240V或者說(shuō)是l2kVA、6OHz的交流電。功率有時(shí)也可以用千伏安(KVA)來(lái)計(jì)算，數(shù)值為千伏數(shù)乘上安培數(shù)，比如，單相208V、1000A就是208kVA(0.208kVX10OOA宅O8k肌)。KVA可以通過(guò)已知的千瓦時(shí)除以已知的功率因子(pf)來(lái)確定，在不知道功率因子時(shí)，其值取0.8。KVA通常標(biāo)注在設(shè)備的銘牌、場(chǎng)地規(guī)劃和安裝指南或相關(guān)文件中。圖6.3舉例說(shuō)明了電力是怎樣通過(guò)電力公司，從發(fā)電機(jī)或電廠開(kāi)始，通過(guò)輸電網(wǎng)到達(dá)數(shù)據(jù)中心的。根據(jù)數(shù)據(jù)中心承載的應(yīng)用程序的規(guī)模與重要性，同時(shí)也存在多電源饋電方式，電力或來(lái)自于不同電源或接入點(diǎn)，或來(lái)自于更廣泛的電力輸電網(wǎng)。通常主饋電萬(wàn)式來(lái)自于電力公司的電力，備用電源由現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電機(jī)提供。

為了在停電期間和發(fā)電機(jī)啟動(dòng)并提供穩(wěn)定電力之前的短時(shí)間內(nèi)可以繼續(xù)用電，通常使用不間斷電源(UPS)系統(tǒng)。電源管理開(kāi)關(guān)可以手動(dòng)或自動(dòng)地在電力公司供電和自發(fā)電之間切換，以便進(jìn)行維修、診斷和故障排除，或者用于帶有負(fù)載平衡的維修旁路。配電器(PDU)可以把來(lái)自電源管理系統(tǒng)的高壓電轉(zhuǎn)變?yōu)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/IT">IT設(shè)備所需的電力。電纜可以鋪設(shè)在架空地板的下方或高架管道中。通常PDU可以遍布數(shù)據(jù)中心的不同位置，為服務(wù)器、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及計(jì)算機(jī)機(jī)房空調(diào)(CRAC)和HVAC提供電力。

在圖6.3中，電源控制單元、電源開(kāi)關(guān)或電源管理系統(tǒng)都通過(guò)一個(gè)或多個(gè)電力公司供電。在短期內(nèi)供電的UPS系統(tǒng)連接在電源控制單元上，用來(lái)在備用發(fā)電機(jī)啟動(dòng)之前使用動(dòng)力發(fā)電機(jī)或電池為系統(tǒng)提供電力。為防止主用電力斷電，動(dòng)力發(fā)電機(jī)先利用電力公司的電力轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)大型飛輪，提供足夠的動(dòng)能驅(qū)使一個(gè)小型的使用汽油、柴油、丙烷或天然氣的發(fā)電機(jī)啟動(dòng)并穩(wěn)定保持長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)電。除了電動(dòng)發(fā)電機(jī)，另一種替代辦法或額外冗余是使用電池備份系統(tǒng)，系統(tǒng)取決于電池的大小和數(shù)量，同時(shí)也可以為數(shù)據(jù)中心提供備用電力。

備用電力

發(fā)電機(jī)可以工作在持續(xù)發(fā)電的模式下，可以用作自發(fā)電，也可以用作電力公司的補(bǔ)充共同發(fā)電，或者是作為電力公司停電期間的備用電源。在用電高峰期，當(dāng)電力公司電費(fèi)更加昂貴和可用性難以保證時(shí)，自發(fā)電或聯(lián)合發(fā)電是補(bǔ)充電力的一種選擇。自發(fā)電的另一個(gè)用途是在用電高峰期能夠主動(dòng)減少或關(guān)閉電力公司供電，以此換取一些獎(jiǎng)勵(lì)，比如說(shuō)降低非高峰時(shí)期的電價(jià)或退款。發(fā)電機(jī)可以為家庭或個(gè)人提供數(shù)千瓦時(shí)到數(shù)百千瓦時(shí)甚至是兆瓦時(shí)級(jí)別的電力。能源可以選擇汽油、柴油、丙烷和天然氣。按照使用的能源種類，需要具備本地或應(yīng)急的存儲(chǔ)罐，用來(lái)儲(chǔ)備資源，以各不測(cè)之需。

UPS系統(tǒng)彌補(bǔ)了電力公司停電到發(fā)電機(jī)啟動(dòng)并提供穩(wěn)定電力之前這段時(shí)間的電力需求并可以為系統(tǒng)提供純凈的電力。根據(jù)發(fā)電機(jī)的規(guī)模和類型，以及電源管理或控制系統(tǒng)，當(dāng)控制單元檢測(cè)到功率損耗時(shí)，發(fā)電機(jī)便會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，而發(fā)電機(jī)啟動(dòng)和穩(wěn)定使用均需要等待兒秒時(shí)間。盡管存在電力公司停電與發(fā)電機(jī)穩(wěn)定供電之間的時(shí)間空白，但通過(guò)電池供電的UPS或是通過(guò)飛輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換動(dòng)能進(jìn)行發(fā)電的動(dòng)力發(fā)電機(jī)，都可以提供連續(xù)的電力使IT設(shè)備正常運(yùn)行。

在線式UPS可以為設(shè)備提供持久純凈(無(wú)浪涌和瞬時(shí)功率波動(dòng))的電力，在電力公司電力或主用電力轉(zhuǎn)換為備用電力時(shí)，UPS保證設(shè)備不會(huì)中斷運(yùn)行，同時(shí)為斷電、電壓降低、浪涌和瞬時(shí)功率波動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生提供了保護(hù)。交互式的UPS提供電源的調(diào)節(jié)與過(guò)濾，在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中存在短暫(兒毫秒之內(nèi))的中斷。通常對(duì)于供電設(shè)備，短期中斷是可以忍受的。離線的UPS通過(guò)無(wú)過(guò)濾的保護(hù)設(shè)備，將電力在幾毫秒內(nèi)轉(zhuǎn)換到電池供電。各種小規(guī)模獨(dú)立使用電池供電的UPS系統(tǒng)，適用于設(shè)備敏感的SOHO用戶和數(shù)字家庭。

在大型數(shù)據(jù)中心里，放置一排排電池組的大房間可以作為臨時(shí)的橋接電源使用，以維持電力需要，直到發(fā)電機(jī)準(zhǔn)備好供電。使用UPS系統(tǒng)需要注意的是，電池的維護(hù)與最終的處理均要采用環(huán)保的方式并遵從各項(xiàng)法規(guī)。電池的維護(hù)包括定期加蒸餾水、清潔和充電，同時(shí)需要安全的存儲(chǔ)與維護(hù)空間，并遠(yuǎn)離其他設(shè)備。表6.1給出了各種規(guī)模的數(shù)據(jù)中心和企業(yè)所用的各用替代電源的選擇方案。

可替換能源與直流電源

雖然大多數(shù)IT設(shè)備使用交流電源，但網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或在惡劣的環(huán)境和電信服務(wù)中所用的特殊服務(wù)器與存儲(chǔ)器都需要直流電源。在電信交換設(shè)備中對(duì)直流電源的需求源自對(duì)電池供電的需要。電信設(shè)備通常遵從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)建系統(tǒng)(NEBS)的準(zhǔn)則，在準(zhǔn)則中有不同的要求和等級(jí)，其中一個(gè)特點(diǎn)是有關(guān)-48V直流電源的使用。

為了努力優(yōu)化電力的使用情況，一些制造商和數(shù)據(jù)中心都在探索如何在減少所需AC-DC轉(zhuǎn)換器的前提下，在大型和密集的服務(wù)器中大量使用直流電源供電。需要說(shuō)明的是，根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)的電力配置，僅安裝一個(gè)直流供電的大型服務(wù)器或IT設(shè)備也不是一件容易的事。但是，進(jìn)一步考慮，在改建成擴(kuò)建的新的數(shù)據(jù)中心計(jì)劃中，如果能考慮直流電源的分配，也是值得的。

目前，電力公司使用來(lái)自不同的方式的能源和燃料進(jìn)行發(fā)電，其中包括煤炭、核能、天然氣、石油、風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能、沼氣和燃料電池。在某些地區(qū)，例如哥倫比亞河流域、拉斯維加斯、胡佛水壩地區(qū)、田納西河流域、挪威和中國(guó)的三峽大壩，流動(dòng)的水資源非常豐富，所以在這些地方，通常采用水力發(fā)電。而在一些開(kāi)闊、刮風(fēng)頻繁的地方，便可以采用風(fēng)力發(fā)電。太陽(yáng)能電池板是另一種用在設(shè)備或場(chǎng)所里的替代電源，可以作為輔助電源或主電源的一部分。太陽(yáng)能電池板在太陽(yáng)照射時(shí)，除了能提供一些基本的能源需求，還可以用來(lái)補(bǔ)充傳統(tǒng)發(fā)電中為UPS電池充電帶來(lái)的損耗。

燃料電池作為一種新興的能源發(fā)電技術(shù)，廣泛地用于大量固定和移動(dòng)的應(yīng)用程序中。燃料電池有兩個(gè)電極，分別是陽(yáng)極和陰極，它通過(guò)帶電粒子將電子從一極搬向另一極的化學(xué)反應(yīng)來(lái)發(fā)電，并使用催化劑來(lái)加快反應(yīng)速度。氫氣和氧氣常作為基本燃料，水是反應(yīng)的副產(chǎn)物。一個(gè)燃料電池的發(fā)電量較少，因此，常將多個(gè)燃料電池連在一起使用。對(duì)于一些嘗試采取給全部或部分設(shè)備配置直流龜源供電的數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，使用當(dāng)?shù)厝剂想姵氐暮锰幘褪窍薉C到AC再到DC的電源轉(zhuǎn)換。

燃料電池作為能源的優(yōu)點(diǎn)是有效地利用燃料，事實(shí)上，相比傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)電，也沒(méi)有排放類似溫室氣體的污染氣體，例如二氧化氮、二氧化硫和二氧化碳等。這種能源發(fā)電的工作模式相對(duì)安靜，因?yàn)橛行У厥褂萌剂希瑥亩鼓茉吹睦酶咏?jīng)濟(jì)節(jié)約。使用燃料電池發(fā)電的數(shù)據(jù)中心可以獲得能源效率的證書、退款和其他獎(jiǎng)勵(lì)。燃料電池的種類很多，有的可以作為小型便攜設(shè)備放在汽車或其他移動(dòng)設(shè)備中，有的可以用在固定的發(fā)電廠中。固定電廠或發(fā)電設(shè)備還可以從各種燃料(像甲烷、丙烷或氫氣)的燃燒中，同時(shí)獲得熱力和電力。

不同于要分別依賴有效風(fēng)力的風(fēng)能和明媚陽(yáng)光的太陽(yáng)能發(fā)電方式，燃料電池作為主要或備用的能源，將具有更高的可用性。例如從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，數(shù)據(jù)中心可以先利用主要電力，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，切換到燃料電池的自發(fā)電或聯(lián)合供電狀態(tài)。燃料電池同太陽(yáng)能和其他替代能源一樣，也可以為UPS系統(tǒng)的備用電池充電，從而替代對(duì)主要電力的需求。雖然燃料電池仍然需要不斷地發(fā)展，但隨著技術(shù)的不斷成熟，費(fèi)用更加便宜，它應(yīng)當(dāng)可以作為數(shù)據(jù)中心主用或備用電力的提供者。■