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4.6 ICT设备负荷特性

ICT设备主要包括服务器、交换机、路由器、存储磁阵、防火墙设备等,ICT设备负荷是整个数据中心供配电系统设计的出发点和归宿点,了解ICT设备负荷特性及负荷计算,对于合理设计、运营管理数据中心具有十分重要的意义。

4.6.1 ICT设备电源和设备运行负荷

1.ICT设备电源
(1)ICT设备电源结构

ICT设备电源(Power Supply Unit,PSU)是一种开关电源模块,独立插入ICT设备内,将外部输入电源转换成直流12V电源为ICT设备供电,ICT设备电源拓扑示意图如图4-1所示。

为提升ICT设备供电可靠性,PSU模块主要按N+N冗余配置,ICT设备冗余电源实例图如图4-2所示。

图4-1 ICT设备电源拓扑示意图

图4-2 ICT设备冗余电源实例图

根据输入电源的电压类型不同,PSU分为交流PSU和直流PSU两种类型。

交流PSU输入电源主要以220V交流为主,220V交流电源输入先经过EMI、整流、PFC电路,变换成380V左右的直流,然后再将380V直流经过DC/DC电路变换成12V直流,12V直流通过分压电路获得0.8V、3.3V、5.0V等直流电压提供给ICT设备负载使用,220V交流PSU拓扑结构图如图4-3所示。

图4-3 220V交流PSU拓扑结构图

直流PSU输入电源主要以336V直流为主,336V直流电压输入先经过稳压,然后再将400V直流经过DC/DC电路变换成12V直流,12V直流通过分压电路获得0.8V、3.3V、5.0V等直流电压提供给ICT设备负载使用,336V直流PSU拓扑结构图如图4-4所示。

图4-4 336V直流PSU拓扑结构图

相比交流PSU,直流PSU省去了AC/DC整流电路,直接将336V直流经过稳压、DC/DC电路变换成12V直流。因变换环节减少和电路简化,336V直流PSU比交流PSU的可靠性、效率更高。

由于各ICT设备厂家提供的ICT设备的内部结构均有各自的特点,其输入接口、散热通道、安装空间都不相同,全球主要ICT设备厂家配套的PSU大多为定制产品,但PSU模块的基本电路结构是相同的,仅在细节上有些差异。

(2)ICT设备电源能效

交流PSU电源的能效指标主要按照美国能源署发布的80 PLUS标准对ICT设备交流电源能效进行设计与认证。该标准主要根据PSU电源半载运行效率不同分为白牌、铜牌、银牌、金牌、铂金和钛金等级别。

80 PLUS对ICT设备交流电源效率要求见表4-7。

表4-7 80 PLUS对ICT设备交流电源效率要求

直流PSU电源的能效指标主要按照中国通信行业标准发布的YD/T 3319—2018《通信用240V/336V输入直流-直流电源模块》标准对ICT设备直流电源能效进行设计与认证。该标准根据不同负载率的效率,分为1级、2级和3级。

YD/T 3319—2018标准对ICT设备直流电源效率要求见表4-8。

表4-8 ICT设备直流电源效率要求

各级能效的PSU成本存在一定的差异,效率越高,成本越高,目前ICT设备厂家选择交流PSU的主要以金牌和铂金为主,选择直流PSU的主要以2级为主。

2.ICT设备运行负荷
(1)ICT设备电源铭牌功率

关于ICT设备电源的铭牌,一般不会直接贴在ICT设备的外壳,而是贴在PSU电源模块外壳上,只有从ICT设备内取出电源模块后才能看到。

以业界某厂商的一款1U标准服务器电源的铭牌为例,如图4-5所示。

图4-5 服务器电源铭牌

铭牌中INPUT(输入)中220V是服务器电源额定输入电压,4A指的是最大额定输入电流能力,表征电源模块在最低输入工作电压时的最大输入电流能力,因此,直接用输入额定电压×输入额定最大电流来表征额定输入功率是不正确的。

OUTPUT(输出)250W MAX,这个参数才是该服务器电源最大输出功率,这个参数通常只有在服务器电源铭牌上才能看到,因此这个参数也被称为铭牌功率,这个参数对设计才具有确实的意义。

(2)ICT设备负荷特性

以服务器运行负荷为例,随着服务器内部的CPU、内存、硬盘等设备负载率不同而变化,服务器电源容量与效率曲线如图4-6所示。

图4-6 服务器电源容量与效率曲线

图4-6中从右至左有三根垂直的直线,对应服务器的三种工况:

铭牌功率:指的是服务器电源铭牌功率。

最大工况设置:指的是服务器系统工作在最大用电负荷时耗电功率。

CPU 100%利用率典型工况:CPU工作在100%利用率时耗电功率。

从图4-6中可以注意到,服务器最大的功率消耗是铭牌额定值的80%,这是因为服务器厂家在选择电源时也宽放了大致20%的裕量。而CPU 100%利用率典型工况是铭牌额定值的67%。事实上服务器正常工作时的能耗还小于该值。

绝大多数的ICT设备在运行时,ICT设备中的PSU的输入端都含有一定量的谐波电流分量。当ICT设备供电回路为市电直供回路时,其功率因数和谐波电流分量都会影响数据中心低压配电系统母线的供电质量。表4-9为市电/UPS混合供电回路相关参数。

表4-9 市电/UPS混合供电回路相关参数

从表4-9中的数据可以看出,由于ICT设备中的PSU技术标准尚不能达到-48V、240V、336V及UPS设备的输入谐波的标准要求,市电直供回路的谐波电流分量与交直流UPS系统的输入侧的谐波电流分量还有相当大的差距。

4.6.2 ICT设备负荷计算

在工程设计阶段,ICT设备负荷计算主要依据厂家提供的ICT设备额定功率进行,但厂家提供的ICT设备额定功率就是ICT设备电源的铭牌功率,如果依据这个功率参数进行数据中心基础设施设计,将会造成数据中心基础设施与ICT设备实际需求不匹配,造成投资浪费,同时电源、空调等设备长期工作在低负载率,系统运行效率低,增加运营成本。

因此,ICT设备负荷计算不能直接根据ICT设备额定功率进行相关计算,应根据ICT设备负荷特性,科学取定需要系数,采用准确计算ICT设备的运行功率。

目前ICT设备一般按70%利用率进行设计,通过对常用类型的服务器进行功耗测试,部分ICT设备在30%~70%利用率的工况下的功耗测试数据见表4-10。

表4-10 部分ICT设备在30%~70%利用率的工况下的功耗测试数据

(续)

从表4-10的测试数据可以看出,ICT设备在70%利用率工况下,运行功耗平均为铭牌功率的54.05%。

因此,ICT设备实际运行负荷一般为厂家提供的ICT设备额定功率的65%~70%(考虑了一定的裕量)。 0k8ZVM3i6Irg6yBfZzvra8vcAkA33DeSBNKhs59lPnFv2Y3+7Tg7Yc/8FSVN8RwI

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