数据中心电源设计与管理指南

数据中心电源设计与管理指南数据中心电源设计与管理指南电源是数据中心的基础要素之一，断电或低质量电源是造成数据中心服务器停机的一大主要因素。如何对数据中心电源系统进行设计和管理，保持数据中心服务器以及其它硬件电源的持续供应，是众多数据中心管理者面临的重大问题。具体而言，如何使用双电源服务器提供2N冗余？什么是飞轮电源，它与传统蓄电池有何区别？什么是UPS，如何确定全新UPS单元的规格？如何使用UPS负载总线控制器？模块化UPS与集中UPS有何区别？如何在UPS维修期内保持设备的正常运行？数据中心网络设计应该考虑哪些电源因素？在本专题中你将会找到答案。数据中心电源供应作为数据中心的基础要素之一，电源通常由服务器管理员负责管理。当前的数据中心电源供应系统中已开始使用双电源服务器和飞轮电源技术，它们与传统蓄电池有何区别？如何合理使用这两项技术？™使用双电源服务器提供2N冗余™利用飞轮电源备份技术对数据中心实现不间断供电（上）™利用飞轮电源备份技术对数据中心实现不间断供电（下）数据中心UPS电源UPS系统是数据中心电源供应的核心组件，什么是UPS，如何确定全新UPS单元的规格？如何使用UPS负载总线控制器？模块化UPS与集中UPS有何区别？如何在UPS维修期内保持设备的正常运行？数据中心电源设计与管理指南Page2of22™如何确定全新UPS（不间断电源）单元的规格?™模块化UPS和集中UPS有何区别？™如何使用UPS负载总线同步控制器？™如何在UPS维修期内维持设备的正常运行？数据中心网络设计中的电源因素数据中心的设计方式可以直接影响到网络的大小限制、拓扑，甚至是功能。而在设计数据中心时需要考虑的物理设备因素，比如说电源、发热及冷却等方面，都将对网络设计产生很大的影响。™数据中心网络设计中应该考虑的电源问题数据中心电源设计与管理指南Page3of22使用双电源服务器提供2N冗余电源是数据中心的基础要素之一，通常由服务器管理员负责管理。而且，断电或低质量电源是造成数据中心服务器停机的一大主要因素。这里，我指的不是公用电源故障，而是电源分布系统的操作和管理的通病。在数据中心，有如下几个关键的基本电源组成部分：z公用电源和主电源板z备用发电机和自动转换开关（ATS）z不间断电源（UPS）和支路维护板（maintenancebypasspanel）z电源分配单元（PDU）z机架级PDUz服务器的内部电源在大多数情况下，服务器管理员都不会涉及到前四项的设计或操作。不过，他们会直接掌管着机架级PDU和服务器电源。大多数电源故障都发生在这里。双电源服务器的实际情况在关键任务环境下，双电源服务器是比较普遍的做法，它可以提高数据中心的可靠性。然而，尽管服务器管理员想尽可能地充分利用双电源提高冗余，但有时这些双电源服务器并未得到合理地部署。有时，不合理的操作实际上反而会降低电源的冗余。在“完美”的安装执行中（如，Tier4数据中心），应该有两条完全独立的电源线路，每条线路分别由上述6个部分组成。而且，每条线路必须能够独立承载整个数据中心的负载。这就是我们所说的2N冗余。2N冗余意味着电源故障绝不会中断数据中心设备的运行。当然，并不是每个人都那么走运能操作一个Tier4数据中心。尽管我们谁都想拥有完全的电源冗余，但鉴于成本因素，我们通常不得不采取一些折中的做法。由于受到成本预算的限制，所以通常尽管服务器有双电源，但其它5项却没有两条完全独立的线路。数据中心电源设计与管理指南Page4of22服务器管理员对冗余的理解通常有偏差在本文前面已提到，管理员直接负责服务器和机架级PDU的安装和管理。通常，每个机架只有一个PDU。因此，双电源服务器的冗余度就仅限于服务器电源本身的故障。然而，更普遍的情况是有两个机架级PDU，服务器的两条电源线分别插到不同的PDU上。这让大多数管理员有了一种冗余的错觉，实际上其中也隐藏着电源故障的威胁。通常，服务器安装和操作环境的两个机架级PDU都是可用的。当两个电源都正常时，双电源会分担服务器负载，大概各占50%。当其中一个发生故障或失去电源输入时，剩下的一个电源必须承担100%的负载。因此，最佳的做法应该是PDU的负载不要超过短路开关的跳闸值。即使每个PDU的负载只占它最大额定负载的60%，也可能会出现问题。实际上，即使PDU有测流计显示负载达到额定功率的60%，大多数管理员也会以为机架级PDU还可以承载更多的服务器，因为现在“才使用了60%的功率”。实际上这已经超载了，但很多管理员没有意识到这一点。为什么呢？如果服务器的电源发生故障，那么剩下的电源和PDU就要承担服务器的全部负载。这意味着120%的PDU功率负载会落到剩下的那个PDU身上，短路开关会跳闸，关闭机架内所有设备。这是一个典型的串联故障。同样，如果添加服务器或其它设备使负载超过其中任何一个PDU的跳闸负载值，也会出现这样的问题。正确地执行双电源服务器要确保双电源服务器和双PDU机架的安全，唯一的办法是不要超过机架PDU额定值的40%。PDU和它的供电电路必须总是受到断电开关的保护。根据UL和NEMA的规范要求，只有不超过PDU额定值的80%才是安全的。例如，一个额定值为20安的PDU，负载不能超过16安。这就是说，在一个双PDU机架里，所有设备负载不应该超过16安。因此，每个PDU应该只有8安的负载，以免出现超负荷。数据中心电源设计与管理指南Page5of22现在，很多机架的PDU都没有测流计，有时是因为它们太老式，有时是因为预算不足。不过，即便是有测流计，有些管理员也不会意识到如果它们负载超过了40%，就会有串联电源故障的危险。另外，由于服务器随时都有可能更新和添加，所以危险会不知不觉地越来越高，直到问题出现时已为时已晚。从这一点来看，很多人都误以为它们是“完全冗余的”。如果你有幸能避免这个错误的观点，我建议你检查一下每个机架级PDU的使用情况。如果没有PDU测流计，可以考虑一下升级。如果你的机架数量较多，那么可以考虑远程监测（通过SNMP或网络）PDU。这可以减轻你手动监测成百上千PDU的沉重负担。实际上，上述方法适用于电路中的所有部分。总之，在执行冗余时如果要确定当其中一条线路发生故障时另一条线路是否能承担全部的负载，就审查一下负载结构，主动监测和管理所有PDU的负载程度和电路中其它所有要素。更改PDU布置可能会需要一些停机时间。不过，和其它任何电路维护一样，如果要实现真正的2N冗余，一定的停机时间可能是必要的。要么是一些计划内停机时间，要么是意外的断电停机风险，你可以任选一种。(作者：JuliusNeudorfer译者：涂凡才来源：TechTarget中国)数据中心电源设计与管理指南Page6of22利用飞轮电源备份技术对数据中心实现不间断供电（上）为了防止在停电期间发生停机事故，一些数据中心会放弃使用传统的蓄电池，而利用飞轮电源来保证不间断电源（UPS）系统的电力供应。但是，在选择飞轮进行能源储备之前，你应该了解它与普通蓄电池的区别。下面列出的是你在确定飞轮储能技术是否适合你的组织时需要考虑的主要差异：z飞轮电源在满负荷状况下的供电时间要比蓄电池短得多。z飞轮电源需要的空间较小，其自身质量较轻。z飞轮电源对空调和通风条件的要求没有蓄电池那么严格。z飞轮电源的电力消耗略大。z飞轮电源需要的日常维护较少。z飞轮电源的使用寿命可能更长。z飞轮电源不像蓄电池那样，在达到使用寿命后需要进行回收和预防泄露处理。z飞轮电源不会受到放电周期的限制。z但飞轮电源会受到其放电周期频率的限制。飞轮电源VS.传统的蓄电池：要考虑的关键因素在电力设备出现故障而备用电源系统还没启动之前，有一种情况经常会发生。那就是，UPS输入电源无法利用或是不符和标准，这就要求UPS后备电源必须支持UPS输出负载。在你确定飞轮电源是否适合一个项目时，备用电源的响应时间是要考虑的关键因素，它必须要支持UPS输出。花费同等的安装成本，在UPS负载输出状况下，飞轮系统只能提供15秒的备用电力，而一部蓄电池至少可以支持15分钟。考虑到飞轮系统只能提供15秒钟的电能，因此必须对UPS的容量进行限制，使备用电源能够满足它的需求。在15秒钟之内，备用电源必须完成以下任务：z它必须要识别出效用损失。z它必须要等候一段时间，让设备的自动转换开关或继电器来尝试着恢复供电。z如果供电没有恢复，它必须立即启动发电机。z当电压恢复正常后它必须要将UPS系统转移到发电机上。数据中心电源设计与管理指南Page7of22如果备用电源只能坚持不到15秒钟，那么确实没有足够的时间来同时运行两个或是两个以上的备用发电机。你可以安排发电机轮流供电，但总有一天UPS系统的供电能力会受到一台单一发电机发电能力的限制。一个3000千瓦的备用发电机（发电量最大的在美国）会将UPS系统的供电量限制在大约2200千瓦。我认为这种限制是要考虑的主要因素。飞轮备用电源与其它方法的区别空间要求：假设侧边要留有2英尺的空隙，后方也要留2英尺，前方要留3.5英尺，那么为一个675千瓦UPS模块配置的飞轮备用电源大约需要121平方英尺的空间面积，其质量大约要达到9400英镑。而在两层机架上为同样UPS模块配置的湿蓄电池要占350平方英尺的地板空间，或者可以说几乎是飞轮电源的三倍，质量大约是33000英镑（比飞轮电源的三倍还多）。而如果换成是阀控式密封铅酸（VRLA）蓄电池，也将需要大约250平方英尺的地板空间（飞轮电源的两倍），质量要达到35000英镑（几乎是飞轮电源的4倍）。通风：飞轮电源对于工作温度的范围要求与UPS设备一致（32华氏度到104华氏度），然而蓄电池则需要77摄氏度的工作环境，以保持额定的性能。蓄电池还需要通风的环境以防氢积累，并且需要配置氢气探测器来测控氢积累。因此，飞轮电源可以与UPS设备安装在同一个房间内，而蓄电池则需要被安装在单独的电池室内。能源消耗：飞轮电源比蓄电池要消耗更多的能源。有一个制造商在广告中说，对于一个配置到675千瓦UPS模块的飞轮电源，使用一次要消耗1.5千瓦的电力（占模块输出总量的0.2%），而另一厂家表示当飞轮完全充电并保持连通时，每次会消耗6.6千瓦的电能。根据我的经验，如果支持同样的675千瓦的UPS模块，在对蓄电池进行浮动充电时只需大约0.3千瓦电（占模块输出的0.04%）。假设UPS整流器的效率为95%，电能使用效率（PUE）为1.7，每度电的购买成本为10美分，那么上面所描述的飞轮电源每年要比蓄电池多耗费1900美元到9900美元的成本。在本文的下半部分中，我们将继续讲解飞轮备用电源与普通蓄电池在维护要求、使用寿命、以及放电周期限制等方面的区别。(作者：ChristopherM.Johnston译者：王霆来源：TechTarget中国)数据中心电源设计与管理指南Page8of22利用飞轮电源备份技术对数据中心实现不间断供电（下）在本文的上半部分中，我们比较了飞轮电源与传统的蓄电池在工作环境、能耗等方面的区别，本部分将继续介绍它们在维护要求和使用寿命等方面的异同之处。维护要求和使用寿命：一个可靠的蓄电池比飞轮电源需要更多的维护。至少，湿蓄电池每年需要进行两次维护（使用6个月后进行一次检测，6个月后再进行一次更为深入的维修检测）此外，当蓄电池刚开始使用时还需要对其进行临时的季度维护，并经常更换电解液。VRLA电池每6个月也要进行一次维护。据一家飞轮电源供应商介绍，飞轮电源每年只需进行一次维护，每三年更换一次电解液。而另一家厂商则建议每年进行一次维护，每6年更换一次电容。如今的飞轮电源制造商宣扬他们的产品使用寿命可以达到20年，这是他们自己的预测。但目前为止现役的产品中使用时间还没有超过11年的。但我预计它们的使用寿命可以达到20年，这与如今的UPS产品是一致的。根据我的经验，蓄电池的使用寿命都比它们保单上描述的要短。尽管湿电池保单上描述其使用寿命是20年，但实际上很少超过14年；VRLA电池的使用寿命很少能超过4年，但它保单上却表示可以使用10年。那么我们得出这样的假设也是合情合理的：在一个UP