云数据中心绿色节能设计及应用实践_韩玉

统，系统负载集中而且负载容量大，供电系统架构变 得复杂和维护困难。
虽然交流 UPS 在实验室和理想负载情况下，最 高效率可以达到约 95%，但 UPS 的效率和负载率、 电力质量等有关。在数据中心配电设计时，一般会考 虑 UPS 设备的安全负载区间，市电波动影响，负载 特性等，会增加一个供电系统安全系数，即绝大部 分 UPS 被降容量使用，单台 UPS 负载率基本控制 在20%~40%，UPS 的效率一般处于 80%~90% 的区 间，即市电经过 UPS 各转换环节还没有到达 IT 设 备就白白损耗掉 10% 以上。不仅如此，UPS 的电损 耗变成了热量也需要空调制冷解决，增加了空调耗 电，很不节能。
能技术方案主要包括高压直流配电系统、市电直供供 电系统、定制化节能空调系统，自然冷空调系统、 智能管理系统。
2 数据中心高效节能配电系统
数据中心的配电系统为了保证 IT 设备不掉电地 稳定运行的需求，通常使用不间断电源系统稳定供 电，并在市电异常情况下，使用电池系统过渡到后备 油机系统，实现数据中心的可靠性和高可用性。在传 统数据中心不间断电源系统的基础上，匹配云计算数 据中心的不间断配电系统有了创新与发展，在保证可 靠性和可用性的同时，配电系统变得更有效率。
在交流服务器环节，1 台交流 PC 服务器通常配 置两个 700W 左右的满足极限工况的电源模块，而这 台服务器实际运行功耗不超过 300W，约 20% 的低负 载率导致电源模块效率低于 90%。
综合从交流 UPS 到服务器电源提供给服务器主 板 12V 整个供电环节，在实际数据中心的测试和计算 中，配电系统的效率一般低于 88%×88%=77%。
这种典型的 UPS 系统将市电经整流逆变两个环 节转换成标准的 220V 交流电提供给服务器电源模 块，服务器电源模块内部再经过两级转换输出 12V 直 流电供给服务器主板，转换级数多，结构复杂。在实 际数据中心设计中，为了避免 UPS 单机故障造成的 系统不可用，一般采用多台 UPS 并机甚至 2N 备份系
Keywords: Data center; High voltage direct current system; AC main power supply system; Free cooling system; Intelligent management system; Power Usage Effectiveness (PUE)
240V 直流 UPS 配合 240V 转换 12V 的机架 电源系统，对比传统的 UPS 供电系统，减少了 两个转换环节，因而在效率方面有了明显提升。 这种直流 UPS 配合机架式电源系统，系统效率约 93%×92%=85.5%，较传统 UPS 系统效率约提高 9% (图 2)。
2.3 市电直供配电系统 数据中心的配电节能设计在于保证可靠性和可
用性的同时，尽量减少电源转换环节，提高系统的效 率。在数据中心高效配电系统设计方面，国外的互联 网公司走在了前列，如谷歌在某数据中心取消 UPS 系统，使用市电直连服务器，服务器内置 12V 电池以 支撑到油机启动，避免服务器断电。Facebook 则使用 一路市电直供服务器，一路 48V 直流电源作为后备 配电架构；这些架构将数据中心配电系统损耗降低到 最低。
400VDC→220 VAC
服务器 交换机
图 3 市电供电电源与高压直流充电后备系统
成，整个过程无缝切换保证了输出不间断。 市电直供电源保留了机架式电源支持热插拔的模
块化设计，也采用机架分散供电的方式，同样适合云 数据中心的特点：模块化扩容，高效率，高可用性， 高可维护性。
采用市电直供方案，其最大的特点在于最大化减 少配电系统的转换环节，从市电到 IT 设备 12V 主板 一共只经过两级电路转换。从市电到服务器 12V 主 板，整个市电直供系统的效率约 100%×92%=92%。 对比 77% 的交流 UPS 系统的配电系统提高 15%，对 比 240V 直流 UPS 和交流服务器电源系统的效率 81% 提高 11%，对比 240V 直流 UPS 和机架电源系统的配 电效率 85.5% 高约 6.5%。
3 云计算数据中心空调系统
3.1 传统数据中心空调系统 在传统的数据中心中，空调系统的解决方案是
基于对机房内整体温度湿度的控制需求，主要理念是 先冷却机房环境再冷却 IT 设备，针对的是下图 4 机 房整个散热环节的第 3 到第 4 部分，称为机房级空调 解决方案。机房空调设计流程一般是核算机房内的建 筑负荷和 IT 设备负荷；选择机房的温湿度指标，如 《电子信息系统机房设计规范 (GB50174-2008)》要求 A 级别机房内机房的温度为 23 ± 1℃、湿度为40~55%
Abstract: As the basis for cloud computing business, data center is developing rapidly with cloud computing. This paper discusses some green and energy-saving design for cloud computing data center, such as high voltage direct current system, AC main power supply system with high voltage direct current system back up, customized air conditioning system with high temperature return air, free cooling system, intelligent management system, and outlines the application in the projects.
The Design and Application of Green and Energy-Saving Technology in Cloud Computing Data Center
Han Yu, Han Yaming, Liu Shuiwang
Alibaba, Hangzhou, Zhejiang 310099, China
充电器
240V蓄电池
直流输入模块
220V AC/380V AC
主用 220V AC
交流输入模块
DC/DC2
240VDC→400 VDC
DC/DC3
240VDC→400 VDC
PFC1
220VAC→400 VDC
PFC2
220VAC→400 VDC
DC/DC1 12V DC
400VDC→12 VDC
DC/AC 220V AC
·应用 / APPLICATION·
科研信息化技术与应用 2012, 3(6): 56–65
云数据中心绿色节能设计及应用实践
韩玉，韩亚明，刘水旺
阿里巴巴(中国)有限公司，浙江 杭州 310099
摘 要： 关键Baidu Nhomakorabea：
作为承载云计算业务的载体，云计算数据中心随着云计算发展与时俱进。本文主要分析云计算数据 中心中绿色节能的技术方案：高压直流供电系统、市电直供系统、定制化的高回风空调系统，自然 冷空调系统以及智能管理系统等，并概述这些系统在云数据中心建设项目中的应用情况。 数据中心；高压直流；市电直供；自然冷；智能管理；能效利用系数
油机 市电
ATS
AC 380 3
AC/DC
AC 220 DC/AC
220V交流UPS
AC/DC Rack
12V
DC/DC VR Loads VR Fans
Server
图 1 传统数据中心配电架构 57
科研信息化技术与应用，2012, 3 (6)
以直接用 240V 直流 UPS 替代 220V 交流 UPS。由 于直流电源采用模块化的设计，而且蓄电池直接挂 240V 直流母线连接服务器电源无需逆变环节，可 靠性高于交流 UPS。另外，240V 直流 UPS 在转换 级数上比交流 UPS 要少一级，效率高于传统 UPS， 设备效率实际运行在 92% 及以上；从直流 UPS 到 服务器 12V 供电处，整个配电系统效率提高到约 92%×88%=81%。
在借鉴国外先进的市电直供架构理念和在 240V 集中机架电源应用经验的基础上，阿里巴巴研制了一 款适合云数据中心的市电直供电源，采用 240V 直流 后备供电组成云数据中心的供电系统。如图 3。
当市电正常时，每个功率内部经过一级 PFC (Power Factor Correction，功率因数校正) 电路，将 220V 交流电升压到 400V 的直流电，再经过降压变换 电路将 400V 的直流转换成 12V 的直流供给直流服务 器，逆变模块将 400V 直流转换成 220V 交流电供给 交换机。
但是以上的配电架构存在一定的应用局限性，而 且没有优化服务器电源的效率，随之产生了一种更优 化的从市电到 IT 设备的不间断电源架构。该架构仍 然使用 240V 直流 UPS 系统，但是将每个通用交流服 务器电源模块去掉，采用机架集中式电源 PSU (Power Supply Unit) 供电。机架式电源可以将 240V 直流电或 220V 交流电转换成 12V 的直流电直接供给服务器主 板，可以很好的适应于交流或直流机房。另外，机 架电源采用支持热插拔的模块化设计，提高了更换 效率和可维护性。机架式 PSU 将传统的集中供电分 散到每个机架，机房供电的可用性较传统 UPS 方案 有很大提高，更好的适应云计算业务的分期扩容和 快速扩展。
当市电异常时，由 240V 的蓄电池供电，每个功 率模块内部经过一级升压电路将 240V 直流电升压至 370V，再经过降压电路转换成 12V 直流输出给直流 服务器，逆变模块将 370V 直流转换成 220V 交流电 供给交换机。
当市电恢复正常或油机启机后电源会自动由蓄电 池直流供电切换到交流供电状态，切换由电源自身完
1 引言
云计算数据中心对比传统的数据中心，具有大 规模、低成本、高效率、智能化等特点,其电力系
统、空调系统、监控管理系统等方面需进行适应性 和针对性的设计，以满足云计算业务特点的需求。 本文针对云计算数据中心中主要的绿色节能技术方 案进行分析，并分享在项目应用中的经验；这些节
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韩玉 等: 云数据中心绿色节能设计及应用实践
(机房空调开机时) [1]；再根据机房的状况，匹配一定 的气流组织方式，如风道上送风，地板下送风等。作 为解决方案的核心，机房专用空调设备一般会集成制 冷系统，加湿系统，除湿系统，电加热系统，辅助以 复杂的逻辑和控制系统。
这一时期的数据中心能耗普遍偏高。采用 业界通行的指标能效利用系数 PUE (Power Usage Effectiveness) (PUE=1+配电损耗/IT 功耗+空调功耗/IT 功耗+其他损耗/IT 功耗) 核算，PUE 一般约 2.0 及以 上，除了使用传统 UPS 损耗和散热影响外，空调系 统是主要的原因，主要体现在数据中心中冷热通道不 分，机架密封不严密造成的冷热混流，过度制冷，空 调能效比不高，空调气流组织不佳等。
2.2 高压直流配电系统 随着将交流电 (如 AC380V) 直接整流成 240V 直
流电源 (也称：240V 高压直流 UPS) 的出现，目前一 些运营商数据中心开始采用 240V 直流供电架构，原 因在于绝大多数服务器的交流电源模块可以同时兼 容 220V 交流和 240V 直流。在数据中心设计时，可
油机
市电
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ATS
AC 380 3
AC/DC
减少两级转换
DC 240V
12V DC/DC
240V高压直流系统
阿里机架式PSU Rack
Server Server Server Server
图 2 240V 直流 UPS+ 机架式 PSU
韩玉 等: 云数据中心绿色节能设计及应用实践
备用 380V AC
2.1 传统数据中心配电系统 当前，传统数据中心主要采用是在线式交流UPS
(Uninterruptible Power Supply)，切换时间小于 4ms， 保证 IT 设备稳定运行，简称“不间断电源”供电。 这种 UPS 配电系统在通用性方面具有优势，满足业 界绝大多数的配置交流电源的通用服务器和交换机。 图1为数据中心典型交流 UPS 配电系统的架构图。