采用绿色休眠在线UPS技术提升数据中心的PUE指标

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（GeenGrid）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HPProliantDL380服务器为例，其输入电压范围为AC100~240V，频率输入范围为50~60HZ；SunFireV100服务器的输入电压范围为AC90~264V，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