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高效高密大电源破解核心机房节能省地难题
浏览: 发布日期:2018-09-25

  日益成为生活不可或缺的组成部分,随着通信网络IP化和扁平化发展,单个核心机房覆盖的网络用户更多,数据流量快速增长。主设备不断演进带来单位数据流量耗电量下降,但支撑数字洪水的宽带网络总体能耗仍在不断上升,电源容量越来越大,也使得电源和电池占地面积继续增长。通信大楼与机房布局规划在先,区域占比既定,电力电池室面积日益紧张。

  随着供电规模的增大,核心机房配置多台大型电力变压器变得越来越普遍,一个机房一天耗电10万度并不鲜见。核心机房主要耗电设备包括以核心交换机为代表的直流负载、以服务器为代表的交流负载和以机房精密空调为代表的温控系统,耗电量占核心机房总能耗的90%以上。根据传统核心机房能效模型分析,1W的处理器耗能,需要1.07W的温控耗能,0.31W的整流耗能,变压器、UPS、二次电源等消耗0.46W,总能耗达到2.83W,处理器能耗仅占机房总能耗的35%。除处理器外,其它耗能没有发挥直接的价值,存在着巨大的节省空间。

  基于对能效逻辑的理解,运营商在网络快速演进过程中优选低功耗主设备,通过降低处理器能耗,获得了近三倍的节能效果。为主设备供电的电源系统演进相对缓慢,通信电源从线性电源、相控电源发展到高频高开电源,经历了60年的时间。2006年以后,高效拓扑技术开始显露曙光,目前业界主流厂家可以提供以30A和50A规格为主的96%效率高效整流模块,高效整流模块组成的电源系统在发达国家运营商成为主流应用。据华为公司发货数据统计,90%以上的电源发货均为高效电源系统。

  由于电源设备运行寿命远长于主设备,在网普效电源还有较长的生命周期,总体效率低于90%,10%以上的电能以发热的形式被浪费。以年耗电100亿度的中国电信为例,核心机房能耗约占总能耗的35%,其中直流负载用电占核心机房总耗电的25%,直流电源本身每年浪费1亿度左右的电能。对于一个200kW直流负载的核心机房,一天浪费电能高达1000度以上。

  传统核心机房的主要负载是交换设备,电交换机单柜功率1kW左右,软交换单柜功率2kW以上。软交换取代电交换,使核心机房单机柜处理能力大幅上升,曾一度使核心机房机柜数量减少,电能消耗下降。随着网络的普及,计算机从偶而上网到永远在线;随着平板电脑、智能手机广泛应用,人们生活已经离不开网络,宽带和数据业务高速发展,机房总能耗水转并急骤上升。

  近年来,交换设备平均单柜功耗从3kW将发展到接近4kW;传输系统单位机架功率密度由4kW/m2增加到6kW/m2;数据设备功率上升速度明显,如BOSS机房单柜功率达到5~7kW。由于新老设备并存,列头柜、配线架、空调、消防等存在,现在实际主设备机房功率密度为0.2~0.3kW/m2。从发展趋势来看,通信设备平均单柜功率可达5kW以上,机房功率密度最高可达0.8kW/m2以上。

  长期来看,电源和电池能量密度没有显著上升,电力电池室的功率密度仅为2kW/m2左右。在机房规划时,电力电池室与设备机房面积存在一定的比例,常见比例为1:5左右。通信网络多年来高速发展,使电力电池室可用面积下降速度快于主设备机房,造成电力电池室空间瓶颈。如甘肃某运营两个核心节点机房的电力电池室面积平均为730平米,机房平均面积3617平米,比例为1:4.95。主设备机房空间利用率为72%,电力电池室空间利用率达到90%,电力电池室面积不能同步支撑通信网络进一步发展。

  按机房面积1:5,2kW/m2左右的电力电池室只能支持0.4kW/m2的设备机房,离较高集成度的0.8kW/m2有很大的差距,需要2倍提升电力电池室功率密度。

  主设备耗电仅占核心机房总耗电的50%左右,其余能耗主要被温控系统和电源自身损耗。采用冷热通道、风道密封的精确制冷方式,辅以利用外部冷源方式,温控系统节能正在如火如荼,取得了显著。而以分立式大电源为代表的核心机房电源系统,其最高转换效率在近20年以来一直都在90%左右,实际效率88%以下。

  华为公司于2012年推出业界首款高效大电源系统,采用效率高于96%的100A三相整流模块,与业界92%模块效率的电源相比,能量转换损耗降低了50%。以一个200kW直流负载的核心机房为例,电源损耗一年就减少8万度,发热量也减少了8万kWh。因核心机房散热主要依赖于精密空调制冷,电源效率的提升,还带来4万度空调电费节省。

  降了整流模块本身高效带来的节能效果外,华为电源还设计了电池休眠技术,一方面降低了浮充电能损耗,另一方面还能延缓电池极板腐蚀,降低失水速度,大幅提升电池使用寿命。

  华为高效大电源的推出,吸引了英国电信的注意。英国电信能耗在其国内所有企业中排名第一,根据节能减排规划,需要在2020年达到在1996年基础上节能80%的目标。为了达成这一能源战略,通过对现网电源采取多种措施节能,包括手动优化系统效率的方式。为了进一步降低能耗,英国电信从华为公司引入全系列高效电源,包括由100A模块组成的分立式大电源,规划替换现网系统。

  大电源包括交流配电柜、整流柜和直流配电柜。由于关键器件固有体积及安规要求,配电柜体积长期以来变化较少,必然占据一定的机房面积。整流模块作为功率部件,其转换效率的高低直接影响了整流机柜总发热量。传统电源整流模块最高转换效率为92%左右,一个120kW(2000A)的整流机柜,最大发热量高达10kW,功率密度难以再提升,最大只能达到为333kw/m2。正因为如此,传统核心机房电源整流柜单柜额定容量都不超过2000A,在网运行整流柜容量以1000A系统为主,一套6000A系统,机柜多达11个,占地面积4.56平米。

  华为大电源采用高效三相整流拓朴专利技术,使整流效率和功率密度得到大幅提升,100A高效模块仅1U高,尺寸为当前业界主流100A模块的一半,功率密度达到25.4W/英寸3。因为效率高,总体发热量小,整流柜可轻易布置30个以上100A模块,总发热量小于7kW,功率密度达到500kW/m2,超过业界领先水平的50%,是现网大电源的三倍。正是由于这种高功率密度设计,使大电源具备了瘦身的条件。同样的6000A系统,比现网电源节省4个整流机柜,占地面积减少36%。

  业界主流大电源系统容量上限为6000A,一台电源不能满足大型核心机房供电需求,一个核心机房需要配置相互的多台甚至十数台电源系统进行分散供电,额定电流之和达到2万安以上。在分散供电模式下,每台电源需要配置满足设计备电时长的蓄电池组,对于同一机房来说,电池备电时长要求是一样的,但由于每台电源对应的负载功率不同,电池最小需求容量相差很大,而机房不可能配置正好满足最小需求容量的电池,电池平均过配置达到30%以上。例如,两套电源系统理论计算分别需求2500AH和3500AH电池,实际各配置两组2000AH的电池,共8000AH,超过理论需求的33%,电池所占空间也相应多了33%。此外,由于网络融合,超备的电池并不能带来额外的备电时长,实际备电时长取决于某一套电源系统的最小值,大于该值的电池能量不发挥效益,不但形成电池容量浪费,还要为这些冗余电池容量配置相应的整流模块以充电功率,电源容量增加,占地面积也相应增加。

  采用更大容量的单套电源系统,电池可以通过电源系统全部并联,电池总配置容量将变小,且获得统一的实际备电时长,即使因为电池规格的关系比理论计算值多配置了电池,过配置容量也在更长的备电时间上得到回报。

  由于电池容量配置可以减小30%,电源配置也瘦身,使电源和电池总占地面积进一步减小20%以上。若机房普遍采用高功率密度和超大容量电源系统,即使电池功率密度没有任何改进,电力电池室功率密度也可以提升30%以上,由常见的2kW/m2提高到2.6kW/m2。

  核心机房电力电池室不但包括直流电源和蓄电池组,还有UPS等交流电源。效率大于96%的华为高效高密UPS即将面世,在不改变电力电池室与主设备机房1:5占比的条件下,可以实现支持未来功率密度达到0.8kW/m2的要求。

  高效模块发热量小,高效电源具有更高的可靠性不会被质疑。对于集中供电的超大容量电源系统,一般会被问两个问题:鸡蛋放在一个篮子里是否安全?大电源系统可能导致设备距离电源更远,压降是否会导致最远设备过早宕机?

  华为大电源系统采用正负排超间距设计,完善的短技术,故障模块能自动隔离,通过一千多项严格测试,系统可靠性有充分。如果需要更高的可用性,可以采用1+1并机,相互的电源系统可以彻底消除用户的顾虑。

  华为大电源的多项创新减压降设计,如中部并机技术、扭排连接技术,并采用低压降分流器,使屏内压降显著降低,供电距离显著延长。

  高效大电源不但节能、省地,还具有更高的可靠性。TCO分析表明,新建机房宜采用高效大电源系统,8年以上老旧电源也能得到合理回报,帮助客户解决在网络快速发展过程中产生的节能省地难题。

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