浅谈IT数据中心电源与能源的管理方案

　　IT数据中心需要电力运行服务器、存储器和网络以及相关的冷却和通风设备。一些用户甚至是IT的专业人士或提供商都很难做到充分地利用能源。为了有效地配置能源，除了了解设备铭牌上的信息外，进一步地了解能源的使用是有必要的。铭牌上的数据并没有明确地说明哪些能源是立即需要的，哪些能源是还在需求中的，对能源需求的不明确将导致对能源的过度配置。如果对电力的配置估计过高，冷却设施也会随之增多，从而造成能源与冷却消耗的过度浪费。

　　电力可以按交流电（AC）或直流电（DC）的形式生成、传输或使用。电力公司采用交流电。大多数商业消费类电子产品都是交流供电，如有必要，可以在内部转换为直流电。例如，服务器和存储器以交流供电，再通过内部变压器转换为直流电。一些非电池供电的项目使用原始的直流电或是DC-AC逆变器供电。交流电源可提供12OV、208V、240V和480V的电压，随服务类型和相数（一相、二相、三相）而变。频率根据地点不同有所区别，北美地区使用60赫兹 （Hz），欧洲和世界其他地区使用50赫兹（Hz）。

　　在电费单中，电力使用千瓦时（KWh）或千伏安（KVA）做单位。例如，一个小型 l2kW的发电机能够提供5OA，240V或者说是l2kVA、6OHz的交流电。功率有时也可以用千伏安（KVA）来计算，数值为千伏数乘上安培数，比如，单相208V、1000A就是208kVA（0.208kVX10OOA宅O8k肌）。KVA可以通过已知的千瓦时除以已知的功率因子（pf）来确定，在不知道功率因子时，其值取0.8。KVA通常标注在设备的铭牌、场地规划和安装指南或相关文件中。图6.3举例说明了电力是怎样通过电力公司，从发电机或电厂开始，通过输电网到达数据中心的。根据数据中心承载的应用程序的规模与重要性，同时也存在多电源馈电方式，电力或来自于不同电源或接入点，或来自于更广泛的电力输电网。通常主馈电万式来自于电力公司的电力，备用电源由现场发电机提供。

　　为了在停电期间和发电机启动并提供稳定电力之前的短时间内可以继续用电，通常使用不间断电源（UPS）系统。电源管理开关可以手动或自动地在电力公司供电和自发电之间切换，以便进行维修、诊断和故障排除，或者用于带有负载平衡的维修旁路。配电器（PDU）可以把来自电源管理系统的高压电转变为IT设备所需的电力。电缆可以铺设在架空地板的下方或高架管道中。通常PDU可以遍布数据中心的不同位置，为服务器、存储器、网络设备以及计算机机房空调（CRAC）和HVAC提供电力。

　　在图6.3中，电源控制单元、电源开关或电源管理系统都通过一个或多个电力公司供电。在短期内供电的UPS系统连接在电源控制单元上，用来在备用发电机启动之前使用动力发电机或电池为系统提供电力。为防止主用电力断电，动力发电机先利用电力公司的电力转动一个大型飞轮，提供足够的动能驱使一个小型的使用汽油、柴油、丙烷或天然气的发电机启动并稳定保持长时间的发电。除了电动发电机，另一种替代办法或额外冗余是使用电池备份系统，系统取决于电池的大小和数量，同时也可以为数据中心提供备用电力。

　　备用电力

　　发电机可以工作在持续发电的模式下，可以用作自发电，也可以用作电力公司的补充共同发电，或者是作为电力公司停电期间的备用电源。在用电高峰期，当电力公司电费更加昂贵和可用性难以保证时，自发电或联合发电是补充电力的一种选择。自发电的另一个用途是在用电高峰期能够主动减少或关闭电力公司供电，以此换取一些奖励，比如说降低非高峰时期的电价或退款。发电机可以为家庭或个人提供数千瓦时到数百千瓦时甚至是兆瓦时级别的电力。能源可以选择汽油、柴油、丙烷和天然气。按照使用的能源种类，需要具备本地或应急的存储罐，用来储备资源，以各不测之需。

　　UPS系统弥补了电力公司停电到发电机启动并提供稳定电力之前这段时间的电力需求并可以为系统提供纯净的电力。根据发电机的规模和类型，以及电源管理或控制系统，当控制单元检测到功率损耗时，发电机便会自动启动，而发电机启动和稳定使用均需要等待儿秒时间。尽管存在电力公司停电与发电机稳定供电之间的时间空白，但通过电池供电的UPS或是通过飞轮高速转动转换动能进行发电的动力发电机，都可以提供连续的电力使IT设备正常运行。

　　在线式UPS可以为设备提供持久纯净（无浪涌和瞬时功率波动）的电力，在电力公司电力或主用电力转换为备用电力时，UPS保证设备不会中断运行，同时为断电、电压降低、浪涌和瞬时功率波动现象的发生提供了保护。交互式的UPS提供电源的调节与过滤，在转换的过程中存在短暂（儿毫秒之内）的中断。通常对于供电设备，短期中断是可以忍受的。离线的UPS通过无过滤的保护设备，将电力在几毫秒内转换到电池供电。各种小规模独立使用电池供电的UPS系统，适用于设备敏感的SOHO用户和数字家庭。

　　在大型数据中心里，放置一排排电池组的大房间可以作为临时的桥接电源使用，以维持电力需要，直到发电机准备好供电。使用UPS系统需要注意的是，电池的维护与最终的处理均要采用环保的方式并遵从各项法规。电池的维护包括定期加蒸馏水、清洁和充电，同时需要安全的存储与维护空间，并远离其他设备。表6.1给出了各种规模的数据中心和企业所用的各用替代电源的选择方案。

　　可替换能源与直流电源

　　虽然大多数IT设备使用交流电源，但网络交换机或在恶劣的环境和电信服务中所用的特殊服务器与存储器都需要直流电源。在电信交换设备中对直流电源的需求源自对电池供电的需要。电信设备通常遵从网络设备构建系统（NEBS）的准则，在准则中有不同的要求和等级，其中一个特点是有关-48V直流电源的使用。

　　为了努力优化电力的使用情况，一些制造商和数据中心都在探索如何在减少所需AC-DC转换器的前提下，在大型和密集的服务器中大量使用直流电源供电。需要说明的是，根据当前数据的电力配置，仅安装一个直流供电的大型服务器或IT设备也不是一件容易的事。但是，进一步考虑，在改建成扩建的新的数据中心计划中，如果能考虑直流电源的分配，也是值得的。

　　目前，电力公司使用来自不同的方式的能源和燃料进行发电，其中包括煤炭、核能、天然气、石油、风能、水能、太阳能、沼气和燃料电池。在某些地区，例如哥伦比亚河流域、拉斯维加斯、胡佛水坝地区、田纳西河流域、挪威和中国的三峡大坝，流动的水资源非常丰富，所以在这些地方，通常采用水力发电。而在一些开阔、刮风频繁的地方，便可以采用风力发电。太阳能电池板是另一种用在设备或场所里的替代电源，可以作为辅助电源或主电源的一部分。太阳能电池板在太阳照射时，除了能提供一些基本的能源需求，还可以用来补充传统发电中为UPS电池充电带来的损耗。

　　燃料电池作为一种新兴的能源发电技术，广泛地用于大量固定和移动的应用程序中。燃料电池有两个电极，分别是阳极和阴极，它通过带电粒子将电子从一极搬向另一极的化学反应来发电，并使用催化剂来加快反应速度。氢气和氧气常作为基本燃料，水是反应的副产物。一个燃料电池的发电量较少，因此，常将多个燃料电池连在一起使用。对于一些尝试采取给全部或部分设备配置直流龟源供电的数据中心来说，使用当地燃料电池的好处就是消除了DC到AC再到DC的电源转换。

　　燃料电池作为能源的优点是有效地利用燃料，事实上，相比传统的化石燃料发电，也没有排放类似温室气体的污染气体，例如二氧化氮、二氧化硫和二氧化碳等。这种能源发电的工作模式相对安静，因为有效地使用燃料，从而使能源的利用更加经济节约。使用燃料电池发电的数据中心可以获得能源效率的证书、退款和其他奖励。燃料电池的种类很多，有的可以作为小型便携设备放在汽车或其他移动设备中，有的可以用在固定的发电厂中。固定电厂或发电设备还可以从各种燃料（像甲烷、丙烷或氢气）的燃烧中，同时获得热力和电力。

　　不同于要分别依赖有效风力的风能和明媚阳光的太阳能发电方式，燃料电池作为主要或备用的能源，将具有更高的可用性。例如从长远来看，数据中心可以先利用主要电力，在适当的时候，切换到燃料电池的自发电或联合供电状态。燃料电池同太阳能和其他替代能源一样，也可以为UPS系统的备用电池充电，从而替代对主要电力的需求。虽然燃料电池仍然需要不断地发展，但随着技术的不断成熟，费用更加便宜，它应当可以作为数据中心主用或备用电力的提供者。