IT數據中心電源與能源的管理

IT數據中心需要電力運行服務(wù)器、存儲器和網(wǎng)絡(luò )以及相關(guān)的冷卻和通風(fēng)設備。一些用戶(hù)甚至是IT的專(zhuān)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。銘牌上的數據并沒(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，對能源需求的不明確將導致對能源的過(guò)度配置。如果對電力的配置估計過(guò)高，冷卻設施也會(huì )隨之增多，從而造成能源與冷卻消耗的過(guò)度浪費。

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。大多數商業(yè)消費類(lèi)電子產(chǎn)品都是交流供電，如有必要，可以在內部轉換為直流電。例如，服務(wù)器和存儲器以交流供電，再通過(guò)內部變壓器轉換為直流電。一些非電池供電的項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(lèi)型和相數(一相、二相、三相)而變。頻率根據地點(diǎn)不同有所區別，北美地區使用60赫茲(Hz)，歐洲和世界其他地區使用50赫茲(Hz)。

在電費單中，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)計算，數值為千伏數乘上安培數，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通常標注在設備的銘牌、場(chǎng)地規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)電機或電廠(chǎng)開(kāi)始，通過(guò)輸電網(wǎng)到達數據中心的。根據數據中心承載的應用程序的規模與重要性，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，備用電源由現場(chǎng)發(fā)電機提供。

為了在停電期間和發(fā)電機啟動(dòng)并提供穩定電力之前的短時(shí)間內可以繼續用電，通常使用不間斷電源(UPS)系統。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，或者用于帶有負載平衡的維修旁路。配電器(PDU)可以把來(lái)自電源管理系統的高壓電轉變?yōu)?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/IT">IT設備所需的電力。電纜可以鋪設在架空地板的下方或高架管道中。通常PDU可以遍布數據中心的不同位置，為服務(wù)器、存儲器、網(wǎng)絡(luò )設備以及計算機機房空調(CRAC)和HVAC提供電力。

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

備用電力

發(fā)電機可以工作在持續發(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，當電力公司電費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，以此換取一些獎勵，比如說(shuō)降低非高峰時(shí)期的電價(jià)或退款。發(fā)電機可以為家庭或個(gè)人提供數千瓦時(shí)到數百千瓦時(shí)甚至是兆瓦時(shí)級別的電力。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(lèi)，需要具備本地或應急的存儲罐，用來(lái)儲備資源，以各不測之需。

UPS系統彌補了電力公司停電到發(fā)電機啟動(dòng)并提供穩定電力之前這段時(shí)間的電力需求并可以為系統提供純凈的電力。根據發(fā)電機的規模和類(lèi)型，以及電源管理或控制系統，當控制單元檢測到功率損耗時(shí)，發(fā)電機便會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)，而發(fā)電機啟動(dòng)和穩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)電機穩定供電之間的時(shí)間空白，但通過(guò)電池供電的UPS或是通過(guò)飛輪高速轉動(dòng)轉換動(dòng)能進(jìn)行發(fā)電的動(dòng)力發(fā)電機，都可以提供連續的電力使IT設備正常運行。

在線(xiàn)式UPS可以為設備提供持久純凈(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換為備用電力時(shí)，UPS保證設備不會(huì )中斷運行，同時(shí)為斷電、電壓降低、浪涌和瞬時(shí)功率波動(dòng)現象的發(fā)生提供了保護。交互式的UPS提供電源的調節與過(guò)濾，在轉換的過(guò)程中存在短暫(兒毫秒之內)的中斷。通常對于供電設備，短期中斷是可以忍受的。離線(xiàn)的UPS通過(guò)無(wú)過(guò)濾的保護設備，將電力在幾毫秒內轉換到電池供電。各種小規模獨立使用電池供電的UPS系統，適用于設備敏感的SOHO用戶(hù)和數字家庭。

在大型數據中心里，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)電機準備好供電。使用UPS系統需要注意的是，電池的維護與最終的處理均要采用環(huán)保的方式并遵從各項法規。電池的維護包括定期加蒸餾水、清潔和充電，同時(shí)需要安全的存儲與維護空間，并遠離其他設備。表6.1給出了各種規模的數據中心和企業(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IT設備使用交流電源，但網(wǎng)絡(luò )交換機或在惡劣的環(huán)境和電信服務(wù)中所用的特殊服務(wù)器與存儲器都需要直流電源。在電信交換設備中對直流電源的需求源自對電池供電的需要。電信設備通常遵從網(wǎng)絡(luò )設備構建系統(NEBS)的準則，在準則中有不同的要求和等級，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，一些制造商和數據中心都在探索如何在減少所需AC-DC轉換器的前提下，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，根據當前數據的電力配置，僅安裝一個(gè)直流供電的大型服務(wù)器或IT設備也不是一件容易的事。但是，進(jìn)一步考慮，在改建成擴建的新的數據中心計劃中，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，例如哥倫比亞河流域、拉斯維加斯、胡佛水壩地區、田納西河流域、挪威和中國的三峽大壩，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)補充傳統發(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)反應來(lái)發(fā)電，并使用催化劑來(lái)加快反應速度。氫氣和氧氣常作為基本燃料，水是反應的副產(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。對于一些嘗試采取給全部或部分設備配置直流龜源供電的數據中心來(lái)說(shuō)，使用當地燃料電池的好處就是消除了DC到AC再到DC的電源轉換。

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，相比傳統的化石燃料發(fā)電，也沒(méi)有排放類(lèi)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)電的工作模式相對安靜，因為有效地使用燃料，從而使能源的利用更加經(jīng)濟節約。使用燃料電池發(fā)電的數據中心可以獲得能源效率的證書(shū)、退款和其他獎勵。燃料電池的種類(lèi)很多，有的可以作為小型便攜設備放在汽車(chē)或其他移動(dòng)設備中，有的可以用在固定的發(fā)電廠(chǎng)中。固定電廠(chǎng)或發(fā)電設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(lài)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(cháng)遠來(lái)看，數據中心可以先利用主要電力，在適當的時(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系統的備用電池充電，從而替代對主要電力的需求。雖然燃料電池仍然需要不斷地發(fā)展，但隨著(zhù)技術(shù)的不斷成熟，費用更加便宜，它應當可以作為數據中心主用或備用電力的提供者?！?/p>