【TechTarget中国原创】一个良好的数据中心供电系统设计,需要考虑包括供电配线等诸多方面内容。在世界大部分地区,一般存在两种主要点电压体系(三相),一种为北美480/208/120V(600/208/120 加拿大),另一种为欧洲与亚洲部分区域400/230V。在所有供电系统中,电能以高压从电站传输至目的站点,具体实现方法就不在此讨论了。同时,需要了解的是国内数据中心一般采用400/230V(380/220V与415/240V中取的中间值)方式供电。当一些数据中心开始尝试使用直流供电(DC)来改善其整体计算环境的能源利用率时,交流供电(AC)仍然是数据中心主要的供能方式。
【TechTarget中国原创】一个良好的数据中心供电系统设计,需要考虑包括供电配线等诸多方面内容。在世界大部分地区,一般存在两种主要点电压体系(三相),一种为北美480/208/120V(600/208/120 加拿大),另一种为欧洲与亚洲部分区域400/230V。在所有供电系统中,电能以高压从电站传输至目的站点,具体实现方法就不在此讨论了。同时,需要了解的是国内数据中心一般采用400/230V(380/220V与415/240V中取的中间值)方式供电。当一些数据中心开始尝试使用直流供电(DC)来改善其整体计算环境的能源利用率时,交流供电(AC)仍然是数据中心主要的供能方式。
机架级电源密度和分布
数据中心能耗密度的增加,是促使企业重新考虑IT设备和配电系统电压选择的一个重要原因。
在北美,一般情况下120V电压即可满足每机柜1-2kW使用,并且一条20A(安培)线路也足够使用了(也可以再增加一条做冗余)。随着刀片服务器的出现,由此而来的需求变为208V或者230V,并且需使用五倍于普通1U服务器甚至更高的电能,功率标准基线也变为每机柜5kW。
10至20kW已经十分普遍,甚至30kW或者更高也不是不可预见的(我们可以提供这些级别的能源,但与此对应的冷却方案则是一个更大的挑战)。此外,几乎说有IT设备电源都能够自动检测通用电压能力(100-250V)以使同一产品在全球可通用。事实上,采用208V或者230V会比采用120V(或者日本使用的100V)电压更加节能。
我们可以通过提高电压(或安培数)以三相供电提高机柜的能源供应。电缆的直径决定其线路的“载流量”,换句话说就是其可安全承载的安培数值(包括其自身开销)。电压被用来决定同样的导体,在不同电压下可承载的电能(例子:12号线缆,适用于20A电流50英尺内应用)。
根据北美电力规范,分级断路器的效率为80%,由此可知只有16A电流可以被传输到负载。
分支电路:单相配电
分支电路:三相配电
将三相电引入机柜,你会发现能源供应将提高300%,而导体芯数与其开销只增长了66%。而且可以支持208V单向与208V三相供电,同样可以为早期或者特别的IT设备(仅能在120V电压下运作)提供120V的供电。
事实上,使用三相供电后,某些机柜级的PDU(Power Distribution Unit,即机柜电源插座)可以同时提供208V或者120V的电压。
除了使用硬线缆,可以同样考虑使用三相连接转换器,比如NEMA “Twist-Lock” L21-20或L21-30(分别为20 A/5.7 kVA 或 30 A/8.6 kVA)或者更大的IEC 309 40-60连接器(同样被称作“针与套管”),还可以使用Russell Stove来获得更高的能源供应。这样,可以让你在设备变更时调整电源插座,而不需重新布线。虽然这种方式在初期成本较高,但从长远来看,其提供了一种简单,低成本的解决方案以应对设备升级时的移动,添加和改变。
在选择机柜级PDU时,请考虑使用支持远程监控的设备,这样可以通过监控防止超载并进行能源和能力管理规划。
在400/230 V供电系统中,所有的输出路线均为单相230 V(从任何线路至中性点和地线)。
层区或行级配电
根据数据中心规模和所需电力(和密度)总和,能源供应可以采用480V或者208/120V,以北美地区为例。如果你的数据中心规模足够大,480V是UPS和所有主要配电设备在数据中心层区最常用和优先的选择。
一旦480V供电在层区或者行间PDU上部署,它需要通过变压器转换为208/120 V,以供计算机设备使用。变压器的类型将给整个数据中心能源利用率造成很大的影响。
变压器类型和K-Factor
任何关于配电的讨论都会涉及到关于变压器类型和K-Factor(电极系系数)的讨论。更多的信息可以查看一文。
在一个400/230V的配电系统中,由于不需要变压器,只有靠断路器来保护分支电路。欧洲的数据中心通常会单独在PDU上添加一个变压器,以提供额外隔离环境并降低可能来自上级UPS所产生的不稳定电流影响,尤其当UPS无变压功能时。
北美的208/120V配电系统同样不需要使用变压器,只有断路器保护分支电路。数据中心设计师通常会增加在PDU上增加一个变压器,具体原因与上述相一致。
在讨论机柜级配电系统时我们知道,电压越高,将电力传送至负载处所需的电流值就越低。电流强度越低,则整个系统中使用的电器开关,UPS,配电盘和铜缆等的承载要求与费用也随之降低。这在很大程度上降低数据中心的成本。
不同电压传输300kVA电能至PDU时所需电流强度
与此相反,下表展示了在相同电流强度下(保证线缆尺寸满足使用要求),电压对传输电能总量的影响。
不同电压以相同电流强度传输电能至PDU
* 以400 A级电路和接驳线缆为例。
这些对比数据将成为配电系统增压升级时的有效参考,并能节省开支,同时缩短建设周期,因为当前连接至PDU的线缆和管线可以重新利用,无须更换。例如,将现有的接驳线缆电压有208V增加至480V,将可以在现有电缆的基础上,传输两倍于先前的电力——只需要确保配电盘和开关符合相关电压值指标。
电压和安全危害
在北美,我们一般使用208/120V于终端用户设备,通过标准插头和插座接入。还有一种常见的接电方法是:将电路添加到208/120V配线盘上。480V电压在使用中则可能存在更高的潜在风险,可能产生电弧,所以并不适合插入式设备使用。
在480V环境下,电弧放电的风险大幅增加——电器工程师们需要穿着额外的安全装备才能对480V的电路进行操作,而且在对配电盘进行带电操作时可能由于电弧产生而导致服务中断。
欧洲电压体系适用于美国数据中心吗?
在欧洲,只有单相230V的配电和接入设备,采用IEC标准 C13-和C19-类型插座和插头,电流{zd0}16A。可是,三相400V电压可以通过添加更大的IEC 309型插座({zd0}电流增加至60A)后正常使用。
同样在欧洲,400V电压可以连接至配电板(需要适当的安全装置),这样部署后便可在数据中心配电系统上正常使用。
历史上,与大洋的地理位置关系,决定了国家和数据中心采用的电压。可是,在数据中心内却逐渐形成了自己的缩影,有时与其地理位置无关。目前可以明确的是,欧洲数据中心将沿用400/230V供电系统,因为该系统已经是数据中心的原型和范例标准。
欧洲采用400V供电系统的有优点之一是无须电压转换;因此不用添加额外的变压器(除了主设施变压器)。这样将使得数据中心供电系统整体更加精简和高效。
在北美,许多硬件产商提供支持400/230V的产品,作为高性能产品,用于替换传统208/120V配电系统。他们使用“自动变压器”(某种更小,更轻而且比传统的降压/隔离变压器能效更高的变压器)于楼层级和行级的PDU。使得这些PDU可以与480V的UPS和480V配电系统一起使用,PDU则输出230V(单相)用于IT机柜。这提供了更高的效率和更小的占地。一些提供商已经制造出了400/230V的“无接触”模块PDU系统,可以保护主接口,允许电路包模块(断路器和布线)的添加与移除更加简便。
400V配电设备另一个优势,就是UPS可以400V电压供电,PDU无须额外的变压器。数据中心的主输入电源和所有用电设备的开关,发电机等,将使用400V电压;看起来类似一个欧洲数据中心——北美高压数据中心则只需通过一次变压,降至400V后即可使用(非480V)。之后就不再需要其他降压过程,理论上避免了由变压器造成的损耗并减少了铜缆上的能源消耗,同时允许IT设备电源以230V正常运行,这样会更加高效。
就400V电源进入北美数据中心市场至目前,它可能需要花上许多年时间来占有市场份额,也许其无法成为市场的主流系统。电压体系变更涉及到很大的观念改变,包括设计,建筑和操作。还有,当前设备运维存在惰性,没有人或者设备制造商想仅仅只是为了提高2-5%的能源利用率增加而进行如此巨大的变更。接着就又回到协商阶段,如果能源价格持续上升,那么这将使得数据中心的每个人开始尝试其他各种选择。