——王偉

    摘要：本文通過對數據中心機房IT負載電源工作原理的分析，揭示了IT負載對輸入電源品質寬廣的適應性，從而為在數據中心采用UPS綠色休眠技術提供了必要條件。現代數據中心通過采用綠色休眠技術不僅大幅度提高了系統的節能降耗水平和PUE指標，同時提高了數據中心供電系統可靠性和供電安全等級。

    一　引言

    綠色節能已經成為當今數據中心建設的潮流，而能源使用效能值（PUE）則是衡量數據中心競爭力的一個重要指標。據最新的報道，國外最先進的數據中心的PUE值可以達到1.06，而我們國家IDC的PUE平均值則在2.5以上，這意味著IT設備每耗一度電，就有多達1.5度電被數據中心的基礎設施消耗掉了，這一現象在中小規模數據中心中更為嚴重，通常其PUE的測量值普遍在3左右。這表明有大量的電能被消耗在供電系統、制冷系統這些基礎設施上了，而用于IT設備中的電能僅為總耗電的33%。

    專注于解決數據中心能耗問題的綠格子組織（Geen Grid）近日推出了兩個新的標準，分別是炭使用率（CUE）標準以及即將推出的水使用率標準（WUE），旨在更強烈地推動數據中心PUE指標的快速改善。因此，無論從節能還是生存角度看，PUE值都應該引起數據中心運營商的高度重視。

    對于影響數據中心PUE值的供電、制冷兩大基礎設施而言，供電系統的能效是問題的根本，因為供電系統的低效加劇了制冷系統的負擔，雙倍地導致了PUE指標的攀升。而數據中心所有營運負載幾乎都是通過UPS電源來供電的，因此如何進一步挖掘UPS系統的工作效率，將是快速改善數據中心供電系統乃至整個數據中心PUE指標的核心途徑。

    二  IT負載對供電系統的真實需求

    要提高整個數據中心供電系統的能效，我們必須重新來科學地審視數據中心IT負載，挖掘IT負載對輸入電源供電品質的真實需求。

    當前IT負載內部的輸入電源模塊基本采用兩種標準制式，即ATX制式和SSI制式。這兩種制式電源的主電路如圖1所示。

（a）ATX標準

（b）SSI標準

圖1 　IT負載的輸入電源

    分析這一電源的工作原理可以看出，無論是ATX還是SSI電源，輸入的220V交流電進入IT負載內部后，都必須經四級變換，最后轉換成穩定的12V、5V、3.3V的直流電壓，提供給IT負載內部的CPU、內存、存儲設備、網絡通信芯片等“真正的IT負載”使用。這四級變換分別為：

    1.       輸入濾波級：噪聲抑制與濾波，對輸入交流電進行必要的濾波；

    2.       第一變換級，橋式整流器，將穩定或不穩定的220V交流電變為約200~300V的直流電；

    3.       第二變換級：高頻逆變器，將經濾波的直流電經高頻開關PWM調制轉換成精度非常高的穩壓穩頻交流電。不同的電源，這一交流電頻率通常會在50KHZ到250KHZ之間選定，隨著電源技術的進步和功率器件的發展，這一頻率將來可能高達1MHZ；

    4.       第三變換級：高頻隔離變壓器，將高頻交流電降壓并隔離；

    5.       第四變換級及輸出濾波級：高頻整流器及輸出濾波，將穩定的高頻交流電轉換成恒定的直流12V(或5V、3.3V)輸出。

    從這四級的變換過程可以看出，IT電源自身具有非常高的對電網干擾的凈化、隔離功能及對電壓、頻率波動的穩壓功能，而且一般服務器負載對輸入交流電源電壓、頻率窗口的適應性非常寬。以HP Proliant DL380服務器為例，其輸入電壓范圍為AC 100~240V，頻率輸入范圍為50~60HZ；Sun Fire V100服務器的輸入電壓范圍為AC 90~264V，頻率輸入范圍為47~63HZ。與UPS相比，其對市電電壓與頻率的適應能力不亞于絕大部分的UPS電源，甚至優于UPS電源。

    由此，我們可以得出如下結論：IT負載完全允許在一定范圍內波動的輸入交流電源。這一結論也與 IEEE給出的計算機對電能質量要求的 ITIC曲線完全相符，如圖（2）所示。

圖2　IT設備的ITIC曲線

    四、改變UPS工作模式來提高能效的可能性

    當前數據機房UPS系統的工作模式為雙變換在線工作模式，本來的目的是通過“AC-DC和DC-AC的雙變換”給IT負載提供穩定的凈化電源。但是在這一模式下，UPS的效率很低，通常滿載工作效率僅90~95%（視UPS結構的不同），如果對于當前數據機房普遍采用的2N電源系統架構，其正常工作的最大負載率僅為40%左右，在這一負載率下，UPS的工作效率也相應降低，通常約為85~94%左右，這導致了能源的極大浪費并降低了整個數據中心的PUE指標。

    根據上一節的分析，IT負載自身的輸入電源具有“AC-DC、DC-AC、AC-AC和AC-DC的四個變換級”，而且其變換的頻率是當前所有UPS的開關變換頻率的10~20倍以上，因此其變換輸出的精度也幾乎是UPS的10～20倍，而且IT電源自身也允許輸入交流電源在一定范圍內波動，可見在絕大部分的工作時間內，UPS的雙變換對于IT負載來說是完全沒有必要的多余重復，這就如同一個十歲的孩子不再需要預先嚼細的食物一樣。其次，從數據中心機房的輸入供電系統看，通常都配置了專用的大容量10KV/380V隔離變壓器、補償電容柜、防雷防浪涌抑制器等，其輸入市電的品質也得到了較好的保證。筆者曾對某企業數據中心的輸入市電進行了長達三個月的電能質量檢測，測量結果看出市電的電能質量是非常優秀的，其電壓純凈度、穩定度，頻率穩定度及其它干擾、瞬時電壓畸變等的數據甚至優于UPS供電輸出。

    所以，在這樣的市電及IT負載電源背景下，為了進一步提高節能水平，考慮對數據中心機房UPS供電系統引入效率高達99%的綠色休眠技術，并依據輸入市電的品質設置自動分級運行模式，直接用IT負載內部電源的“高精度四變換”代替UPS電源的“雙變換”，消除多余的“重復變換”，是完全可行和必要的。

    五、UPS綠色休眠在線模式的原理

    與雙變換在線工作模式剛好相反，綠色休眠在線模式的工作原理是在輸入市電品質較好的情況下，將市電通過UPS旁路直接供電給數據中心的IT負載，而UPS內部的逆變器處于在線備份狀態，從而使整個UPS系統的供電效率高達驚人的99%，而且這一休眠效率不受UPS負載率的影響，實現了“UPS基本不耗能”的節能降耗總目標；同時通過微秒級的快速跟蹤及DSP技術，始終保持逆變器在線備份的電壓、頻率、相位參數完全與旁路輸入同步，保證了分級切換的“不間斷”。

    根據輸入市電的品質，這一UPS系統的工作可分成下列三級：

    第一級――綠色休眠在線模式。如下圖所示，當UPS檢測到市電的電壓與頻率落在最里邊的圓內時（圓的大小即第一級模式時的電壓U1與頻率F1可依據負載的性質　及輸入市電的狀況改變與設置），UPS自動進入綠色休眠節能模式運行。在這一模式下，UPS內部的整流器、逆變器、充電器均處于在線休眠狀態，不僅基本不損耗電能，而且使主功率器件也處于電休眠狀態，提高了這些UPS內部核心部件工作的可靠性并延長其使用壽命。

圖3　 UPS分級運行模式

    第二級――雙變換在線模式。當市電的電壓與頻率波動加劇，超出最內部的圓形界線落在圖3中間的圓環型帶區時，UPS立刻轉換到整流、逆變的雙變換模式，此時的UPS40%負載工作效率通常在85~94%左右,與目前數據機房UPS的工作模式完全相同。

    第三級――電池放電逆變模式。當市電的電壓與頻率越出中間的圓時或者停電時，即超出了UPS整流輸入所允許的電壓與頻率范圍時，UPS將關斷整流器，進入電池放電工作模式，此模式下UPS的滿載工作效率約為86～95%左右。

    根據國內典型的數據中心實際電能質量數據統計，對于進行上述分級運行的UPS系統，如果設定U1=240V,F1=51HZ，其一年的95%時間將運行在休眠模式，小于5%的時間工作在雙變換模式，不到1%的時間工作在電池放電模式。如果以一個負載容量為5000KW的中等規模IDC機房采用老式12脈沖相控整流UPS為例，假設其40%負載率下的效率為達到了國家能效III級UPS標準的87%為計算依據，其每年的電費節約將高達460多萬元，如表1所示。

    表1　 采用分級運行模式后的節能數據

    四、綠色休眠在線模式的安全切換問題

    采用UPS綠色休眠在線模式對數據中心機房的節能效果是非常顯著的，但是很多用戶擔心分級轉換的時間間隙問題，是否會因切換時間過長導致負載斷電呢？

    實際上這種擔心對于伊頓公司的產品與技術而言是多余的，以伊頓公司的最新一代UPS――9395為例，由于采用了專利的休眠技術、同步跟蹤技術及多DSP數字鎖相技術等諸多業界領先的技術，不僅保證了分級的安全性和穩定性，也保證了切換時間的快速性。

圖4　輸出電壓動態偏離曲線 

    首先是分級切換時的電壓變動數據，其實測的三相電壓變動曲線如圖4所示，UPS輸出三相電壓動態偏離值遠小于UPS 標準CLASS 1及計算機安全標準ITIC曲線的輸入電源安全要求，標明切換瞬間的電壓波動很小，完全優于IT負載對輸入電壓波動的容差；其次是切換間隙時間，實際測量的三相電壓波動的切換時間最大為1.6ms，單相電壓波動的切換時間最大也為1.6ms，如圖5所示，這一時間不僅遠小于機房IT負載所要求的安全轉換間隙，還遠小于數據中心機房常用的靜態轉換開關STS 所能達到的最快4～5ms的轉換時間，從而確保了機房負載在轉換過程中的供電安全性。

圖5　切換時間  

    五、綠色休眠在線模式提升了UPS系統的安全可靠性

    與雙變換在線工作模式相比，工作在綠色休眠在線模式的可靠性也得以明顯提高。

    傳統的雙變換在線模式在95%的時間內，工作在整流器和逆變器頻繁開關工作及承受負載電流沖擊的工作狀態，其功率管不斷地在開通、關斷狀態變換，導致了大量的開關損耗和器件的溫升，并加速了器件的“疲勞”與老化，其系統的故障率相對較高，這也是為什么長期以來行業用戶總是對UPS可靠性心里沒底的根源所在。

    而采用綠色休眠工作模式的UPS，在95%的工作時間內，UPS內部的整流器、逆變器、均處于在線休眠狀態，沒有任何負載電流流過，也不需要功率管狀態的轉換，不僅基本不損耗電能，而且使主功率器件完全處于“休息”狀態，提高了這些UPS內部核心部件工作的可靠性并延長了使用壽命。

    在切換狀態時，雙變換工作模式當UPS出現故障時需要一次切換轉到靜態旁路系統工作；而休眠工作模式當出現市電故障時，需要一次切換到雙變換工作。切換的可靠性基本等價。

    所以相對而言，綠色休眠技術在節約大量能源的同時，也提高了UPS系統的工作可靠性。

    六、與早期的“效率優化”或“旁路優先”的技術差異

    伊頓9395的綠色休眠在線模式在節能效果與轉換安全性上完全不同于一些廠商及原伊頓愛克賽自身在90年代中期推出的所謂“效率優化”或“旁路優先”等古式技術。長期以來，“效率優化”或“旁路優先”技術一直無法解決“效率優化了”但轉換時間太長(超過10ms)或轉換時間改進了但“效率不夠優化，僅96~97%”的矛盾，由此導致了工作在這一模式的UPS工作可靠性和穩定性不高，機房負載始終處在供電中斷風險的隱憂之中。如一些廠家采用“旁路優先”的在線互動工作模式，效率通常小于97%，由于跟蹤精度差經常導致需要切換時無法安全切換的致命問題；而另一些廠家則采用“后備式”工作模式，轉換時間太長通常約需10ms，這是高端IT負載所無法承受的。而伊頓9395綠色休眠技術，通過多DSP技術架構并引入現代最先進的“云”計算技術理念，溶合當代電力電子技術的最新進展，實現了系統效率、轉換時間及轉換安全性三者的有機統一，大幅度提高了UPS在休眠狀態及“休眠”到“喚醒”工作轉換過程中的節能效率，并確保了極高的工作可靠性。

    這一在線休眠模式不僅能輕易地實現UPS單機的休眠而且能實現多臺并機系統的休眠，所以它非常適合擁有大容量UPS的數據中心機房。即使與最近在通信行業正在嘗試的高壓直流電源相比，其效率與可靠性也明顯優于后者。在國外，這一技術得到了非常廣泛的應用，帶來了數據中心電源安全與節能和諧統一的革命性變革；在國內最大的IC制造業70多臺伊頓9395 200~800K全部成功地工作在在線休眠模式。

    七、結論

    由于IT負載電源自身的四級變換對輸入電源的高精度凈化、穩壓功能以及現代數據中心機房UPS供電系統通常具有的較好電能品質，在絕大部分市電品質良好的工作時間內繼續讓UPS工作在雙變換模式不僅是能源的無端浪費，而且這一多余的重復變換還導致了UPS事故的高發和可靠性的大幅度下降，因此轉變傳統技術觀念，在數據中心機房廣泛采用UPS綠色休眠在線技術作為主工作模式是大勢所趨。

    同時由于UPS技術的飛速進步和多年的成功應用，UPS綠色休眠在線技術在提高能效、保證輸出電能的切換穩定性、切換快速性及切換的可靠性方面得到了可靠的技術保障和長期的實踐驗證，從而為綠色休眠技術在數據機房的廣泛應用消除了不必要的技術顧慮。

    采用效率高達99%的綠色休眠技術UPS，可大幅度提高數據中心基礎設施的節能降耗水平，從而提高數據中心機房的PUE指標踏上一個全新的臺階，因此它應該成為當今數據中心UPS電源必須的功能和首推的工作模式。■