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论ICT电源技术的发展

导读: 论ICT电源技术的发展...

从一百多年前第一个电报发出开始,现代通信技术开始起步,相应地用于通信技术(CT)的电源同步发展,并随着通信技术的发展逐步成熟完善。
  
  同样的20世纪四十年代以来,随着第一台计算机的诞生,针对计算机和计算机集群的信息技术(IT)供电方案也开始发展,并与数据中心一起走过大半个世纪。当前CT和IT技术的发展到现在已经融合成为ICT技术,无法分开。
  
  在通信技术和信息技术发展中,除了技术本身遇到了无数的挑战外,为其提供动力的电源也是经历了无数风雨,不断向前发展。本文目的在于希望通过简要分析ICT电源和信息技术的发展过程,通过历史的脉搏,梳理出电源发展的特点,并期望从中找到电源将来发展趋势。
  
  一、直流通信电源的发展
  
  电话和电报刚开始实际使用时,基本处于点对点通信,每个终端自带电源,如手摇发电机,干电池等。但是随着通信量的增加,大面积敷设电话线变得不太现实,交换中心产生了。交换中心也从人工慢慢向自动交换机、程控交换机发展。当交换机出现的时候,通信的局站就有了雏形。交换机让通信组网有了现实的基础。
  
  随着通信局站对电话机采用“共电”方式供电以后,通信局站的用电负荷除了需要给交换机供电外还需要给所有电话机供电,可以认为服务于通信设备的通信电源诞生了,从一开始诞生就对可靠性提出了极高的要求。通信局站作为电话通信的关键节点甚至是唯一节点,通信中断就会带来很大的负面影响。时至今日,通信局站的可靠性依然是及其重要的一个考核指标,无论是运营商,还是供应商为之付出了不懈的努力,也取得了丰硕的硕果,形成了稳定的高可靠性架构。
  
  1.1通信电源的初生
  
  由于电报和电话属于手持设备,信号对于用户而言都是易于直接接触的,为了人身安全,采用了安全电压直流48V(最高电压不超过60V)。考虑到减少对建筑钢筋的电化学腐蚀,采用了正极接地-48V的电源系统对通信设备进行供电。
  
  通信电源发展初期,采用工频变压器的线性稳压电源作为通信电源。线性稳压电压的输出电压稳定性非常好,能够很好的满足通信负载的使用要求。作为与市电连接的唯一通道,线性电源存在单点故障风险,电源故障直接导致负载断电;当时市电不仅质量不高,而且并不能保证持续提供电源。因此如何保证市电异常或者48V电源异常情况下的供电成为一种刚性需求。
  
  直流电有着天然的优势,可以非常容易的在输出端增加铅酸电池这类二次电池,作为备电的一种解决方案。在市电异常或电源异常时,通过铅酸电池储存电量对设备供电,尽量保证通信的连续性。
  
  通信电源初期使用的铅酸电池多为富液电池,对环境温度要求高,循环寿命低,需要经常补液,检查电池状态,维护工作量非常大。
  
  进入新世纪,智能手机为起点的终端产品大量出现,需求的不仅仅是通信局站的功率增加,还需要建设大量无线基站,以满足千千万万无线终端产品的使用。
  
  线性稳压电源及配套铅酸电池因其重量大,发热严重,故障率高等缺点已经无法满足通信需要了。几乎不具备扩展性严重限制了通信局站机房的建设。
  
  无线通信所需的基站寻址和建设也是个极大的问题,基站一般选在居民集中地区,一地难求;或者为了实现覆盖建设在边缘山区,建筑材料极难取得,大设备运输极为困难。线性稳压电源已经无法满足通信技术的发展了。
  
  电源小型化轻量化和铅酸电池的维护工作量成了迫在眉睫要解决的事情,否则将严重制约通信技术的发展。
  
  1.2模块化开关电源的诞生
  
  随着半导体技术的发展,快速开关器件的诞生与成熟,使得通信电源开始向高频化发展。高频化发展的电源就是开关电源,采用高频开关技术轻松的将工频变压器去掉,采用高频变压器实现了电源体积的小型化和轻量化。高频化以后实现了通信电源的小型化和轻量化,电源转换效率也得到了了大幅度提高,大大减轻了机房制冷的压力。
  
  但是小型化的开关电源依然存在单点故障,可靠性依然不够高,电源故障时的维护反而比线性稳压电源要求更高的专业性,MTTR更大,导致电源的可用性不高。
  
  工程师和科学家们花了大量的精力,重构了电源系统架构(N+X冗余)。将电源本身构造成为模块化结构,把最易出问题的电源变换环节做成可插拔的电源模块,电源模块支持自由并机输出。同时将电源模块协同工作,电源系统管理和电池管理功能一起集中于集中监控单元进行管理。集中监控单元也做成监控模块,可以进行热插拔维护和升级。
  
  模块化重构通信电源系统以后,当某电源模块故障时,仅需要将故障模块拔出并更换一个同类型模块进去,即可完成维修工作。MTTR从之前的数小时变成数分钟,产品可用性大幅度提高。冗余的结构又大幅度提高系统的可靠性,使得模块化的通信电源系统可靠性远高于线性稳压电源。
  
  1.3模块化开关电源的新挑战
  
  从线性稳压电源到模块化开关电源,系统效率虽然获得了大幅度提高,但是在大量商用情况下,能耗都属于运营成本。科学家们从软开关技术,拓扑优化技术,PFC功率因数矫正技术等方面提高转换效率,减少对电网的影响,降低运营成本。图1示出了通信电源的演变过程。
  
  科学家们不断在寻找和发明开关速度更快损耗更小的开关半导体器件,以期实现更高的模块功率转换效率。当前功率转换模块的效率已经可以达到98%的水平了,但从电源转换模块本身节能已经似乎走到尽头了。
  
  同时积极探索新能源的使用,开始考虑并部分商用了光伏、风电等绿色能源,结合储能技术,降低运营成本。在新能源的使用中,还可以考虑与电网联动,一方面削峰填谷降低购电成本,另一方面开发双向变换技术与电网互动,向电网售电获取收益。多能化绿电技术慢慢已经开始走向前台,将成为电网不可或缺的组成部分。
  
  1.4电池
  
  近百年成熟应用铅酸电池的经验,在行业奠定了非常成熟的生产、管理、维护的基础,成为至今为止最大规模、最为成熟的储能方案。随着储能和供电技术的发展,业界对于铅酸电池是不是必然选项已经提出了不少质疑。主要是铅酸电池自重大,占地面积大,而且对环境温度非常敏感。考虑到铅酸本身的循环寿命也比较短,并不利于储能应用。考虑到现在电网的供电连续性大幅度改善很多情况下并不需要长达8小时的备电,反而希望1-2小时备电,此时满足大倍率放电的电池就可以节省电池配置容量,减少设备占地,降低基建投资。
  
  在化石能源紧张且价格高昂情况下,尤其是在光伏和风能接入情况下,希望尽可能多的将绿电能量高倍率充电,快速消纳绿电;备电时间减少,有需要电池以较大倍率放出存储电量。这样电池相当于每日均需要进行一个充放电循环来满足充分利用绿电并削峰填谷的要求,对电池循环寿命提出了新的挑战。
  
  而锂电池恰恰具备这些特性,耐温范围宽,可以高倍率充放电,循环寿命远高于铅酸电池。对于锂电池的活性大于铅酸电池,很多人质疑锂电池安全性的问题,也可以在电芯生产过程加强控制,BMS加强AI预防与监测情况下,辅以适当的消防措施后,完全可以满足基站、通信机房的使用标准要求。但是在基站的应用中,由于基站的环境决定很多时候基站供电条件并不是很好,多数情况下基站的备电时间要求依然很长,此时锂电池的大倍率放电优势无法得到体现,虽然可以实现轻量化,但是成本依然很美丽,成为基站使用的巨大障碍。如果在数据中心使用,由于数据中心最多30分钟备电的要求,锂电池的优势可以发挥得淋漓尽致。
  
  考虑到铅酸电池的生产和寿命终止期,都存在高污染环节,所以将来的铅酸电池终将退出历史舞台,锂离子电池等新型电池将会成为主流应用。
  
  二、交流不间断电源的发展
  
  数据中心的发展从第一台电子计算机说起,第一台电子计算机在上世纪中叶诞生,体积巨大,能耗也比较惊人。由于电子计算机的计算速度远快于人工计算,当时的科学界希望电子计算机可以不休不止的做出贡献。但是由于电子计算机能耗和发热惊人,当时的电网供电条件并不理想,如供电电压不稳定,经常停电,外界干扰等,所以不间断电源(UPS)和专门为电子计算机制冷的空调开始了发展。
  
  刚建立的UPS采用的是飞轮储能方式,仅能维持几秒钟的持续供电。在铅酸电池诞生以后,使用铅酸电池备电才实现了长时间的备电。由于电子计算机的工作特性,一般电子计算机供电的都是在线式UPS。
  
  UPS最初只是采用电池在整流器后面,如图2所示。目的在于在市电停电时通过逆变对负载实现不间断供电。最初的UPS为工频机,需要在输出端配置工频变压器,因此相对而言比较笨重。由于UPS本身技术比较复杂,整流器和逆变器以及电池每一个节点都存在单点故障的风险。单点故障发生时极易引起供电中断,因此发展出自动旁路静态开关方式,保证UPS在发生故障后几乎无延时的切换到自动旁路状态。UPS需要经常检修,自动旁路也无法保证一定可靠,为了保证检修时的负载供电,于是又在UPS之外加了手动旁路,如图3所示。
  


  随着负载功率的提高,和半导体技术的发展,和通信线性稳压电源面临的挑战一样,为了应对不断增加的UPS功率,UPS小型化需求不可避免。开关电源的高频技术应用到了UPS中。随之而来的是开关电源的成熟方案均在UPS中获得了应用,比如PFC功率因数矫正技术,ZCS/ZVS软开关技术,等等。UPS摆脱了工频变压器,用上了高频变压器,高频UPS开始逐渐在市场占据主流,如图4所示。
  
  为了满足数据中心越来越高的可靠性要求,UPS的方案也在不断完善,基于可靠性理论采用了N+N冗余,2(N+1)冗余等各种冗余架构,结合STS的快速切换诞生了双母线结构,双母线母联结构等等,各种复杂的组合。在这些复杂的组合后面,是复杂的现场装配调试和更为艰难的使用维护工作量。而且复杂的架构,意味着电源设备占地面积更大。
  
  由于UPS本身涉及的部件极多,加上复杂的冗余架构,以及控制逻辑复杂,其维修和故障排除严重依赖厂家进行,导致UPS的故障恢复时间很长,至少8h乃至数天才可以完成。由于其复杂性,导致其MTBF并不是很好;MTTR时间很长,可用性不能满足日益提高的数据机房乃至后来数据中心的可靠性要求。
  
  随着UPS的容量也越来越大,大量配置的铅酸电池也给机房建设提出来巨大的挑战。动辄数吨的电池,不仅仅是需要占地面积,更重要的是需要更大的地板承重能力。主设备6kN-9kN的承重能力已经足以满足使用要求了,但是动力机房却需要15kN以上的承重能力。导致机房建设成本大幅上升。
  
  而且UPS的体积严重制约工程的实施,工程需要专门预留施工通道,初期就需要UPS进场进行施工。UPS后期维护,更换都对机房是伤筋动骨的大工程。
  
  更让运营商无法释怀的是,UPS的超大功率,每台UPS承担着数十乃至数百个主设备机架的供电,单台UPS故障将会导致机房服务器大面积宕机。这导致运营方每日如履薄冰,对任何一丁点故障都如临大敌,寝食难安。图5就是UPS的集中常规冗余模型,可见每一个方案都是庞然大物。每个部件之间的操作都是复杂的逻辑,任何一个动作错误都会导致更加严重的故障。
  
  传统的UPS采用冗余模式后,导致UPS的负载率最多也不超过50%。即使UPS本身开发时满载效率达到97%,但是在半载以下时,效率却无法发挥最佳效果,只能达到90%甚至更低的水平。
  
  而且UPS无论当前负载是多少,由于其采购,装配,维护的复杂性,一般必须在工程初期即配满所需容量和电池,需要提前占用宝贵的资金,空耗大量的能源保持其运转,导致运营成本居高不下。
  
  在HVDC架构对UPS形成巨大挑战以后,UPS发展出了模块化架构,希望借助模块化的架构保持市场优势地位。模块化UPS一定程度上优化了MTTR,UPS的可用性获得较大幅度的提高。而且可以采用模块化冗余的方法,简化UPS主机冗余的架构,对UPS的生命力延伸起到了巨大的作用。
  
  但是由于交流UPS的电池并不与负载直接连接,必须通过逆变器才能与负载进行连接和供电。所以模块化UPS的功率模块冗余设计方案与48V直流电源的功率模块冗余设计方案还是有天壤之别,其可靠性依然相差许多,这是其供电拓扑决定的,很难实现与直流电源相同的可靠性。
  
  但是毫无疑问,模块化UPS大大简化了UPS的维护工作,之前一直被诟病的专业化要求大大降低。对于功率变换或者旁路模块的故障,可以通过现场的机房运维人员像操作服务器一样的快速更换。只有遇到复杂的系统问题才需要原厂进行支持,极大改善了UPS的使用环境和使用条件,降低了用户对UPS的使用抱怨。
  
  需要说明的是,由于UPS单台功率巨大,一般数据中心的UPS已经大量应用600kVA~800kVA,考虑到数据中心配置了柴油发电机,一般备电时间15分钟左右,但这依然需要多组大容量电池。当前UPS电池依然还是以铅酸电池为主。由于UPS电池的特殊性,需要专门的铅酸电池室,设置专门的机房氢气检测,排氢措施,制冷空调设备等。
  
  三、高压直流(HVDC)不间断电源
  
  高压直流的高压是相对于通信电源48V而言的,严格意义上来说,按照国家对于高中低压的定义,直流1500V及以下均属于低压电源。这里我们约定俗成的使用高压直流来表述数据中心240V/336V供电方式。
  
  HVDC的架构就是由通信电源发展而来的。所以HVDC一来就是高起点,模块化高频开关电源,机柜级监控单元等。48V电源的优势HVDC一个不少,但是低电压大电流造成的传输损耗却被HVDC系统克服了。因为HVDC将输出电压提升到了240V或336V,响应的其线路传输损耗只有原来的1/25甚至1/49,节省了大量的传输损耗。图6示出了HVDC系统的原理方框图。
  
  而且电流的减少,也会大幅度降低因为连接点的不可靠导致的过热,烧融甚至起火事故,进一步提高了HVDC架构的使用可靠性。由于采用正负极浮地的设计方案,基本杜绝了单极接地导致的故障和单极触电的风险。加上绝缘监测技术的使用,安全性也大大提高。
  
  由于电池直接挂在负载母线上,所以HVDC系统完全可以在负载率较低情况下,启动休眠技术,将模块的负载曲线调整到模块最高效率点,从而获得系统级最佳效率。这是直流供电的巨大优势。
  
  反观UPS,虽然模块化UPS可以利用模块休眠技术提高模块的负载率,从而获得更加高的效率。但是由于其冗余架构,导致任何时候模块均需要按照所需负载的2倍进行冗余备份,很难达到最佳效率点。其最多可实现的是将原来轻载负载率提高到半载负载率等较高的水平,一定程度上提高效率。
  
  就电源变换环节而言,再来看看HVDC和UPS的差异,如图7所示。很显然,UPS比HVDC多了一个逆变环节。相同拓扑技术下,HVDC可以比UPS实现更高的效率。同时可见单台UPS比HVDC多了旁路STS静态开关以及手动维护开关,复杂度也高了很多。按照可靠性理论,设备越复杂,故障率就越高。
  
  对于电池而言,集中式的HVDC供电方式与UPS没有太大差异,均需要按照备电时间进行配置,在负载功率和备电要求接近情况下,两者所需电池数量和容量也会比较接近。所以均需要对电池空间进行特殊设计,在占地和承重方面都对数据中心有一定的挑战。
  
  四、数据中心所面对的挑战和应对
  
  4.1挑战
  
  在技术发展的不同阶段,所需要关注的主要问题和特性不同。在通信设备使用初期和电子计算机发展初期,首要保证的是技术的实用性,要求通信使用便利,计算速度尽可能快速。当时要求设备具有专门供电的电源,电源尽可能的稳定。
  
  随着技术的发展,通信所覆盖的内容越来越多,电子计算机也发展成为计算机房,二者所承担的工作重要性提高了。所以对于电源而言,必须保证安全,稳定、可靠地工作。
  
  通信设备承载数据,视频,语音等内容,计算机房也发展成为数据中心,功率大幅度增加,基于社会责任,二者也必须降低能耗,尽可能的减少单位产出的能耗数据,降低PUE。
  
  庞大的动力设备(电源及电池)占据数据机房总面积的20%-40%,而这两者又不直接产生效益,数据中心面积越来越大,但是主设备的出柜数量却无法大幅度增加。
  
  进入2010年以来,物联网,自动驾驶迅速发展,通信技术和数字技术之间界限越来越模糊,同时承载的数据计算要求低延时,高可靠等特点,产生了很多边缘数据中心需求。边缘数据中心一般面积不大,需要尽可能靠近终端设备建设。新建边缘数据中心不太现实,而且考虑到UPS,HVDC对承重的要求,对面积的占用,严重制约了边缘数据中心的选址。
  
  成本的压力,也是运营方尤其关注的方面,希望采购的电源设备具有较长的服务周期,减少数据中心或者通信机房维护工作量,降低运营费用,从而降低数据中心的TCO。
  
  4.2应对方式
  
  数据中心中动力部分占地面积已经成为不可忽略的因素,严重制约了数据中心的发展。而其所采用的超重的铅酸电池更加让边缘数据中心的发展雪上加霜。早早的建好的数据中心动力机房却要等上多年才能带满设计负荷,加重了数据中心建设的资金压力,提高了数据中心的TCO,给数据中心运营带来沉重的压力。
  
  国内外对此进行了多项探索,实践和商用,其中以Facebook为首的OCP采用的是BBU(电池内置服务器)的方案,以微软为首的openrack采用的是服务器机柜内置48V电源的方案,这些国际数据中心的运营方和建设方不约而同的采用了分布式的电源架构。去中心化供电成为将来很长一段时间的数据中心或通信机房建设趋势。
  
  中国运营商如中国电信采用的是分布式不间断电源方案(DPS),将HVDC或UPS小型化,采用锂电池备电,并将DPS直接应用于机架内。国内的安徽明德源能提供的DPS系统已经在中国运营商超过一万套在线可靠运行,最长已经达到五年,未出一例安全事故,也证明了其方案的可靠性。实践证明,采用DPS方案以后,动力配电机房仅仅需要低压配电柜即可,原有的UPS或HVDC及其电池室完全可以取消,节省出来的面积布置可直接产生效益的主设备机架。在工程实践中,最多可以增加接近50%的机架数量,可给数据中心带来大量的现实收益,数据中心单位面积投资产出比大幅度优化。
  
  DPS采用重量较轻的锂离子电池,整体重量与相同尺寸服务器相当,不会额外增加建筑结构承重,在旧机房改造,边缘数据机房建设等场景下,几乎无需考虑承重问题,大大拓宽了机房选址范围,有力的促进了数据中心的发展。在新数据中心建设中,也无需特殊考虑专门的动力机房承重,可以降低数据中心建筑建设部标准,降低工程投资。
  
  DPS跟随机架服务器建设,工期灵活,部署弹性,可以最大化利用建筑面积。施工可以跟数据中心机架建设同步,现场装配完全IT化,无需专业技能即可完成。每个DPS均接入动环监控或者DPS集中监控,通过智能上报系统运行信息,远程巡视即可满足要求,在系统出现故障时,采用备机备件直接插拔更换即可完成维护工作,对维护人员专业性要求极低。
  
  在可靠性方面,DPS仅仅是对UPS和HVDC系统的小型化,使用成熟技术。而且可以组成与原有UPS或者HVDC相同的冗余架构。所以从可靠性角度来看与原有方案基本相当。
  
  使用DPS可以在故障发生时大面积减少故障范围,把数据中心的损失最小化。集中UPS和HVDC的颗粒度过大,所以其影响范围非常大,才需要不断地将冗余架构加强,造成沉重的建设负担。采用小颗粒的DPS,则完美的最小化了故障范围。DPS代表了数据中心和通信机房的供电发展方向,在客户对机架需求极为旺盛的今天尤甚。
  
  五、结论
  
  从通信电源,UPS,HVDC的发展来看,三者都结合主设备技术的要求不断发展。CT技术和IT技术大幅度融合,界限模糊化。电源也出现了相同的发展趋势,初期UPS和通信电源及HVDC走着不同的技术路线,但是随着技术的发展,三者越来出现技术融合的趋势。第一次融合是备电电池的融合,大家采用了相同类型的铅酸电池;第二次融合是为了小型化均实现了高频化;第三次融合是为了实现高可靠性高可用性均实现了模块化。
  
  对于数据中心或通信机房应用而言则新增了一个新的融合趋势,就是分布式小颗粒化。其实从电源系统模块化开始已经可以视为分布式的第一次实践了,当前分布式电源可以视为模块化的进一步深化。从电源发展过程来看,电源一直在向着高频化,小型化,傻瓜化,轻量化,节能化,分布化等方向发展,要求高可靠性,高可用性,安装/维护简单,监控智能化等要求。
  
  展望未来,电源的发展必然需要和当前的绿色能源相结合。从这个角度来看,直流供电具有着天然的优势,可以很轻易的形成一个能源路由器,建立储能bank(银行),具有更长远的发展空间。
  
  同时随着储能技术和数据中心规模的扩大,数据中心电源不仅仅需要消纳绿色能源,也需要参与电网互动,为电网调峰调频做出应有的贡献。
  
  新型电池的使用也终将完全替代铅酸电池,新型电池当前是锂离子电池,将来可能是固态电池,钠电池等更加安全更好循环寿命、具有更高性价比、能效比的容量密度的电池。