采用绿色休眠在线UPS技术提升数据中心的PUE指标

——王伟

    摘要：本文通过对数据中心机房IT负载电源工作原理的分析，揭示了IT负载对输入电源品质宽广的适应性，从而为在数据中心采用UPS绿色休眠技术提供了必要条件。现代数据中心通过采用绿色休眠技术不仅大幅度提高了系统的节能降耗水平和PUE指标，同时提高了数据中心供电系统可靠性和供电安全等级。

    一　引言

    绿色节能已经成为当今数据中心建设的潮流，而能源使用效能值（PUE）则是衡量数据中心竞争力的一个重要指标。据最新的报道，国外最先进的数据中心的PUE值可以达到1.06，而我们国家IDC的PUE平均值则在2.5以上，这意味着IT设备每耗一度电，就有多达1.5度电被数据中心的基础设施消耗掉了，这一现象在中小规模数据中心中更为严重，通常其PUE的测量值普遍在3左右。这表明有大量的电能被消耗在供电系统、制冷系统这些基础设施上了，而用于IT设备中的电能仅为总耗电的33%。

    专注于解决数据中心能耗问题的绿格子组织（Geen Grid）近日推出了两个新的标准，分别是炭使用率（CUE）标准以及即将推出的水使用率标准（WUE），旨在更强烈地推动数据中心PUE指标的快速改善。因此，无论从节能还是生存角度看，PUE值都应该引起数据中心运营商的高度重视。

    对于影响数据中心PUE值的供电、制冷两大基础设施而言，供电系统的能效是问题的根本，因为供电系统的低效加剧了制冷系统的负担，双倍地导致了PUE指标的攀升。而数据中心所有营运负载几乎都是通过UPS电源来供电的，因此如何进一步挖掘UPS系统的工作效率，将是快速改善数据中心供电系统乃至整个数据中心PUE指标的核心途径。

    二  IT负载对供电系统的真实需求

    要提高整个数据中心供电系统的能效，我们必须重新来科学地审视数据中心IT负载，挖掘IT负载对输入电源供电品质的真实需求。

    当前IT负载内部的输入电源模块基本采用两种标准制式，即ATX制式和SSI制式。这两种制式电源的主电路如图1所示。

（a）ATX标准

（b）SSI标准

图1 　IT负载的输入电源

    分析这一电源的工作原理可以看出，无论是ATX还是SSI电源，输入的220V交流电进入IT负载内部后，都必须经四级变换，最后转换成稳定的12V、5V、3.3V的直流电压，提供给IT负载内部的CPU、内存、存储设备、网络通信芯片等“真正的IT负载”使用。这四级变换分别为：

    1.       输入滤波级：噪声抑制与滤波，对输入交流电进行必要的滤波；

    2.       第一变换级，桥式整流器，将稳定或不稳定的220V交流电变为约200~300V的直流电；

    3.       第二变换级：高频逆变器，将经滤波的直流电经高频开关PWM调制转换成精度非常高的稳压稳频交流电。不同的电源，这一交流电频率通常会在50KHZ到250KHZ之间选定，随着电源技术的进步和功率器件的发展，这一频率将来可能高达1MHZ；

    4.       第三变换级：高频隔离变压器，将高频交流电降压并隔离；

    5.       第四变换级及输出滤波级：高频整流器及输出滤波，将稳定的高频交流电转换成恒定的直流12V(或5V、3.3V)输出。

    从这四级的变换过程可以看出，IT电源自身具有非常高的对电网干扰的净化、隔离功能及对电压、频率波动的稳压功能，而且一般服务器负载对输入交流电源电压、频率窗口的适应性非常宽。以HP Proliant DL380服务器为例，其输入电压范围为AC 100~240V，频率输入范围为50~60HZ；Sun Fire V100服务器的输入电压范围为AC 90~264V，频率输入范围为47~63HZ。与UPS相比，其对市电电压与频率的适应能力不亚于绝大部分的UPS电源，甚至优于UPS电源。

    由此，我们可以得出如下结论：IT负载完全允许在一定范围内波动的输入交流电源。这一结论也与 IEEE给出的计算机对电能质量要求的 ITIC曲线完全相符，如图（2）所示。

图2　IT设备的ITIC曲线

    四、改变UPS工作模式来提高能效的可能性

    当前数据机房UPS系统的工作模式为双变换在线工作模式，本来的目的是通过“AC-DC和DC-AC的双变换”给IT负载提供稳定的净化电源。但是在这一模式下，UPS的效率很低，通常满载工作效率仅90~95%（视UPS结构的不同），如果对于当前数据机房普遍采用的2N电源系统架构，其正常工作的最大负载率仅为40%左右，在这一负载率下，UPS的工作效率也相应降低，通常约为85~94%左右，这导致了能源的极大浪费并降低了整个数据中心的PUE指标。

    根据上一节的分析，IT负载自身的输入电源具有“AC-DC、DC-AC、AC-AC和AC-DC的四个变换级”，而且其变换的频率是当前所有UPS的开关变换频率的10~20倍以上，因此其变换输出的精度也几乎是UPS的10～20倍，而且IT电源自身也允许输入交流电源在一定范围内波动，可见在绝大部分的工作时间内，UPS的双变换对于IT负载来说是完全没有必要的多余重复，这就如同一个十岁的孩子不再需要预先嚼细的食物一样。其次，从数据中心机房的输入供电系统看，通常都配置了专用的大容量10KV/380V隔离变压器、补偿电容柜、防雷防浪涌抑制器等，其输入市电的品质也得到了较好的保证。笔者曾对某企业数据中心的输入市电进行了长达三个月的电能质量检测，测量结果看出市电的电能质量是非常优秀的，其电压纯净度、稳定度，频率稳定度及其它干扰、瞬时电压畸变等的数据甚至优于UPS供电输出。

    所以，在这样的市电及IT负载电源背景下，为了进一步提高节能水平，考虑对数据中心机房UPS供电系统引入效率高达99%的绿色休眠技术，并依据输入市电的品质设置自动分级运行模式，直接用IT负载内部电源的“高精度四变换”代替UPS电源的“双变换”，消除多余的“重复变换”，是完全可行和必要的。

    五、UPS绿色休眠在线模式的原理

    与双变换在线工作模式刚好相反，绿色休眠在线模式的工作原理是在输入市电品质较好的情况下，将市电通过UPS旁路直接供电给数据中心的IT负载，而UPS内部的逆变器处于在线备份状态，从而使整个UPS系统的供电效率高达惊人的99%，而且这一休眠效率不受UPS负载率的影响，实现了“UPS基本不耗能”的节能降耗总目标；同时通过微秒级的快速跟踪及DSP技术，始终保持逆变器在线备份的电压、频率、相位参数完全与旁路输入同步，保证了分级切换的“不间断”。

    根据输入市电的品质，这一UPS系统的工作可分成下列三级：

    第一级――绿色休眠在线模式。如下图所示，当UPS检测到市电的电压与频率落在最里边的圆内时（圆的大小即第一级模式时的电压U1与频率F1可依据负载的性质　及输入市电的状况改变与设置），UPS自动进入绿色休眠节能模式运行。在这一模式下，UPS内部的整流器、逆变器、充电器均处于在线休眠状态，不仅基本不损耗电能，而且使主功率器件也处于电休眠状态，提高了这些UPS内部核心部件工作的可靠性并延长其使用寿命。

图3　 UPS分级运行模式

    第二级――双变换在线模式。当市电的电压与频率波动加剧，超出最内部的圆形界线落在图3中间的圆环型带区时，UPS立刻转换到整流、逆变的双变换模式，此时的UPS40%负载工作效率通常在85~94%左右,与目前数据机房UPS的工作模式完全相同。

    第三级――电池放电逆变模式。当市电的电压与频率越出中间的圆时或者停电时，即超出了UPS整流输入所允许的电压与频率范围时，UPS将关断整流器，进入电池放电工作模式，此模式下UPS的满载工作效率约为86～95%左右。

    根据国内典型的数据中心实际电能质量数据统计，对于进行上述分级运行的UPS系统，如果设定U1=240V,F1=51HZ，其一年的95%时间将运行在休眠模式，小于5%的时间工作在双变换模式，不到1%的时间工作在电池放电模式。如果以一个负载容量为5000KW的中等规模IDC机房采用老式12脉冲相控整流UPS为例，假设其40%负载率下的效率为达到了国家能效III级UPS标准的87%为计算依据，其每年的电费节约将高达460多万元，如表1所示。

    表1　 采用分级运行模式后的节能数据

    四、绿色休眠在线模式的安全切换问题

    采用UPS绿色休眠在线模式对数据中心机房的节能效果是非常显著的，但是很多用户担心分级转换的时间间隙问题，是否会因切换时间过长导致负载断电呢？

    实际上这种担心对于伊顿公司的产品与技术而言是多余的，以伊顿公司的最新一代UPS――9395为例，由于采用了专利的休眠技术、同步跟踪技术及多DSP数字锁相技术等诸多业界领先的技术，不仅保证了分级的安全性和稳定性，也保证了切换时间的快速性。

图4　输出电压动态偏离曲线 

    首先是分级切换时的电压变动数据，其实测的三相电压变动曲线如图4所示，UPS输出三相电压动态偏离值远小于UPS 标准CLASS 1及计算机安全标准ITIC曲线的输入电源安全要求，标明切换瞬间的电压波动很小，完全优于IT负载对输入电压波动的容差；其次是切换间隙时间，实际测量的三相电压波动的切换时间最大为1.6ms，单相电压波动的切换时间最大也为1.6ms，如图5所示，这一时间不仅远小于机房IT负载所要求的安全转换间隙，还远小于数据中心机房常用的静态转换开关STS 所能达到的最快4～5ms的转换时间，从而确保了机房负载在转换过程中的供电安全性。

图5　切换时间  

    五、绿色休眠在线模式提升了UPS系统的安全可靠性

    与双变换在线工作模式相比，工作在绿色休眠在线模式的可靠性也得以明显提高。

    传统的双变换在线模式在95%的时间内，工作在整流器和逆变器频繁开关工作及承受负载电流冲击的工作状态，其功率管不断地在开通、关断状态变换，导致了大量的开关损耗和器件的温升，并加速了器件的“疲劳”与老化，其系统的故障率相对较高，这也是为什么长期以来行业用户总是对UPS可靠性心里没底的根源所在。

    而采用绿色休眠工作模式的UPS，在95%的工作时间内，UPS内部的整流器、逆变器、均处于在线休眠状态，没有任何负载电流流过，也不需要功率管状态的转换，不仅基本不损耗电能，而且使主功率器件完全处于“休息”状态，提高了这些UPS内部核心部件工作的可靠性并延长了使用寿命。

    在切换状态时，双变换工作模式当UPS出现故障时需要一次切换转到静态旁路系统工作；而休眠工作模式当出现市电故障时，需要一次切换到双变换工作。切换的可靠性基本等价。

    所以相对而言，绿色休眠技术在节约大量能源的同时，也提高了UPS系统的工作可靠性。

    六、与早期的“效率优化”或“旁路优先”的技术差异

    伊顿9395的绿色休眠在线模式在节能效果与转换安全性上完全不同于一些厂商及原伊顿爱克赛自身在90年代中期推出的所谓“效率优化”或“旁路优先”等古式技术。长期以来，“效率优化”或“旁路优先”技术一直无法解决“效率优化了”但转换时间太长(超过10ms)或转换时间改进了但“效率不够优化，仅96~97%”的矛盾，由此导致了工作在这一模式的UPS工作可靠性和稳定性不高，机房负载始终处在供电中断风险的隐忧之中。如一些厂家采用“旁路优先”的在线互动工作模式，效率通常小于97%，由于跟踪精度差经常导致需要切换时无法安全切换的致命问题；而另一些厂家则采用“后备式”工作模式，转换时间太长通常约需10ms，这是高端IT负载所无法承受的。而伊顿9395绿色休眠技术，通过多DSP技术架构并引入现代最先进的“云”计算技术理念，溶合当代电力电子技术的最新进展，实现了系统效率、转换时间及转换安全性三者的有机统一，大幅度提高了UPS在休眠状态及“休眠”到“唤醒”工作转换过程中的节能效率，并确保了极高的工作可靠性。

    这一在线休眠模式不仅能轻易地实现UPS单机的休眠而且能实现多台并机系统的休眠，所以它非常适合拥有大容量UPS的数据中心机房。即使与最近在通信行业正在尝试的高压直流电源相比，其效率与可靠性也明显优于后者。在国外，这一技术得到了非常广泛的应用，带来了数据中心电源安全与节能和谐统一的革命性变革；在国内最大的IC制造业70多台伊顿9395 200~800K全部成功地工作在在线休眠模式。

    七、结论

    由于IT负载电源自身的四级变换对输入电源的高精度净化、稳压功能以及现代数据中心机房UPS供电系统通常具有的较好电能品质，在绝大部分市电品质良好的工作时间内继续让UPS工作在双变换模式不仅是能源的无端浪费，而且这一多余的重复变换还导致了UPS事故的高发和可靠性的大幅度下降，因此转变传统技术观念，在数据中心机房广泛采用UPS绿色休眠在线技术作为主工作模式是大势所趋。

    同时由于UPS技术的飞速进步和多年的成功应用，UPS绿色休眠在线技术在提高能效、保证输出电能的切换稳定性、切换快速性及切换的可靠性方面得到了可靠的技术保障和长期的实践验证，从而为绿色休眠技术在数据机房的广泛应用消除了不必要的技术顾虑。

    采用效率高达99%的绿色休眠技术UPS，可大幅度提高数据中心基础设施的节能降耗水平，从而提高数据中心机房的PUE指标踏上一个全新的台阶，因此它应该成为当今数据中心UPS电源必须的功能和首推的工作模式。■