模塊化數(shù)據(jù)中心通信電源供電技術(shù)分析

馬曉宇

關(guān)鍵詞：模塊化數(shù)據(jù)；中心通信；電源供電技術(shù)

模塊化數(shù)據(jù)中心通信電源供電技術(shù)以其靈活多變、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，在現(xiàn)代信息社會中發(fā)揮著越來越重要的作用。數(shù)據(jù)中心作為一個龐大的復(fù)雜系統(tǒng)，為用戶提供了豐富而又可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)，同時也給我們帶來了許多方便，如高效便捷的上網(wǎng)方式、安全可靠的安全保障等。數(shù)據(jù)中心已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，市場前景十分誘人，受到社會各界普遍重視。然而，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心通信電源供電問題也逐漸暴露出來，成為制約數(shù)據(jù)中心快速發(fā)展的主要因素。如何解決這些問題已經(jīng)成為業(yè)界人士共同關(guān)注的焦點。

一、模塊化數(shù)據(jù)中心通信電源供電技術(shù)

（一）模塊化數(shù)據(jù)中心通信原理

通信機房內(nèi)采用了各種不同形式的電子設(shè)備和裝置。為了滿足各類設(shè)備之間以及與外界環(huán)境之間的信息交流需求，就需要對其進行合理有效的規(guī)劃配置。在這種情況下，除了要保證通信電源能夠穩(wěn)定運行外，還要盡可能地節(jié)約電能資源以減少對周圍環(huán)境的污染。如果不能很好地做到這一點，就會造成極大的能源浪費。同時還會增加維護成本，無法實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，不利于可持續(xù)發(fā)展。因此，我們必須通過科學(xué)高效的方法來提高通信電源系統(tǒng)的工作效率并降低能耗。通信電源是整個供電系統(tǒng)中最為關(guān)鍵也是最基礎(chǔ)的部分之一，在電力系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。它為電力傳輸和分配提供了可靠保障。通信電源的可靠性與穩(wěn)定性決定著整個電網(wǎng)能否安全可靠地運轉(zhuǎn)。因此，通信電源供電方式顯得尤為重要。

（二）通信電源供電技術(shù)應(yīng)用研究

通信電源供電技術(shù)在電力系統(tǒng)中占有重要地位，是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵部分之一。而其中，模塊化數(shù)據(jù)中心通信電源供電技術(shù)分析UPS 不間斷供電作為一種先進的通信電源供電方式已被廣泛應(yīng)用于各種場合。數(shù)據(jù)中心作為信息傳遞和處理的核心場所，一旦發(fā)生故障將嚴(yán)重地危害數(shù)據(jù)、語音等業(yè)務(wù)的傳輸質(zhì)量和可靠性。隨著計算機及網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為現(xiàn)代社會不可或缺的組成部分。但數(shù)據(jù)中心由于本身固有的特點及其所處地理位置，使得它對UPS 不間斷電源有著嚴(yán)格的要求。IT 業(yè)飛速發(fā)展帶來的大量新問題，使數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在未來相當(dāng)長時期內(nèi)，數(shù)據(jù)中心依然是我國信息化建設(shè)的重要基地。因此，數(shù)據(jù)中心必須不斷提高供電水平，以滿足其自身需要，同時這也給供電系統(tǒng)提出了更高要求。因此，UPS 技術(shù)已成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)不可缺少的組成部分之一，并逐漸向高可靠性、高效率方向發(fā)展。數(shù)據(jù)中心作為一個龐大的復(fù)雜系統(tǒng)，其設(shè)備眾多且分布廣泛，UPS 不間斷電源對保障其安全可靠運行具有非常重大的現(xiàn)實意義。目前國內(nèi)對于數(shù)據(jù)中心UPS 供電系統(tǒng)的研究成果較少，缺乏系統(tǒng)性理論及實踐指導(dǎo)，這在一定程度上制約了我國數(shù)據(jù)中心的發(fā)展。

二、電源供電系統(tǒng)設(shè)計

（一）電源供電系統(tǒng)

電源供電系統(tǒng)的主要任務(wù)是實現(xiàn)各用電單元間能量和信息傳遞的通道，保證各個用電單元能夠正常工作。電源供電系統(tǒng)的設(shè)計方案應(yīng)滿足以下要求：①電源系統(tǒng)中各種電子設(shè)備都能得到可靠的保護和供電，避免由于外界因素引起設(shè)備損壞或事故的發(fā)生，盡可能地減少因斷電而產(chǎn)生的損失和浪費。電源供電系統(tǒng)設(shè)計首先考慮的就是如何使電源系統(tǒng)既安全可靠又方便靈活。②電源系統(tǒng)可以提供穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)的電能質(zhì)量及良好的運行環(huán)境。因此，電源系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)均應(yīng)達到國家或行業(yè)有關(guān)部門制定的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)格書所確定的要求源。③電源系統(tǒng)還需要符合相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)要求，即具有較高的可靠性、可用性、安全性、環(huán)保性以及經(jīng)濟性。

（二） 供電能力計算

電源設(shè)備在正常情況下工作時，應(yīng)保證其輸出電壓和電流滿足設(shè)計或使用規(guī)定，并能使負(fù)載始終處于額定狀態(tài)。如果電源設(shè)備出現(xiàn)短路或者過載等異?，F(xiàn)象，就會引起供電系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至損壞，嚴(yán)重時會造成大面積停電事故。尤其對于一些重要用電場所，如醫(yī)院、圖書館、檔案館等，一旦發(fā)生斷電事故將可能危及人員安全及財產(chǎn)安全[1]。此外，電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接關(guān)系著電力系統(tǒng)能否持續(xù)可靠的供電。這一點尤為重要，因此對電源系統(tǒng)進行供電能力計算顯得尤為重要。供電能力的大小取決于多種因素，其中最基本的就是電源系統(tǒng)自身所具備的發(fā)電能力以及負(fù)載狀況。為了保證供電質(zhì)量與可靠性，必須要對系統(tǒng)做出科學(xué)的分析、判斷并采取相應(yīng)措施加以改善。本文介紹了幾種常見的供電能力分析方法。目前常用的供電能力計算方法主要有兩種：一種為靜態(tài)分析法；另一種為動態(tài)分析法。前者需要輸入大量數(shù)據(jù)和復(fù)雜的計算公式才能得出結(jié)果，后者則可以在計算機上實現(xiàn)并具有一定精度。供電能力計算的目的是確定各種運行方式下所能提供的最大電力容量，以避免由于電網(wǎng)發(fā)生故障而導(dǎo)致無法正常供電而影響到業(yè)務(wù)開展的問題。

（三）電源控制策略

隨著信息技術(shù)發(fā)展，對數(shù)據(jù)中心建設(shè)提出了更高要求。首先介紹了國內(nèi)外關(guān)于通信電源技術(shù)與應(yīng)用方面的相關(guān)研究成果，然后根據(jù)現(xiàn)有條件提出了一個適用于我國國情的基于混合網(wǎng)絡(luò)模式的數(shù)據(jù)中心通信電源控制方案。該控制方案采用了分布式冗余結(jié)構(gòu)，具有較好的容錯能力；采用多CPU 并行處理技術(shù)，能夠滿足大容量數(shù)據(jù)存儲的需求，大大提高了系統(tǒng)資源利用率。同時，為了保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作，針對該控制方案中存在的一些不足進行了研究改進。通過對比分析，得出了本設(shè)計能達到預(yù)期效果。給出了系統(tǒng)硬件電路原理圖及軟件流程圖以及實驗結(jié)果。結(jié)果表明，所提出的控制方案是切實可行的。經(jīng)過實際運行表明：系統(tǒng)性能良好，各項性能指標(biāo)均滿足要求，完全可以用于數(shù)據(jù)中心機房供電系統(tǒng)中。并結(jié)合該方案設(shè)計出一種新型節(jié)能環(huán)保、安全可靠且經(jīng)濟合理的UPS 電源控制系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)了在不增加設(shè)備投資情況下，提高供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，降低運營成本的目的。

三、數(shù)據(jù)中心通信電源供電技術(shù)分析

（一）通信電源供電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

通信電源拓?fù)涔╇娋W(wǎng)絡(luò)主要有四種類型：集中式供電網(wǎng)絡(luò)、分布式供電網(wǎng)絡(luò)、集中- 分散混合供電網(wǎng)絡(luò)以及混合供電網(wǎng)絡(luò)等。本文首先介紹幾種典型的通信協(xié)議，通過對比分析各協(xié)議優(yōu)缺點，選擇合適的協(xié)議作為系統(tǒng)通信電源供電的標(biāo)準(zhǔn)；其次根據(jù)不同通信協(xié)議的特點，提出適合本項目應(yīng)用的通信電源供電模式；同時還重點闡述了數(shù)據(jù)中心通信電源供電系統(tǒng)的工作原理及相關(guān)電路組成，并給出相應(yīng)的硬件框圖[2]；隨后著重描述了各個功能模塊的具體電路設(shè)計方法，包括主控制電路、電流采樣與調(diào)理電路、電壓轉(zhuǎn)換電路等部分，這些模塊均采用集成芯片來完成，在此基礎(chǔ)上結(jié)合工程實例詳細(xì)說明了三種典型通信電源供電方式的實現(xiàn)過程；再分別介紹了每種供電方式下設(shè)備選型原則和安裝要求，為今后其他類似項目提供參考；最后從機房設(shè)計角度出發(fā)對各種通信電源供電方式進行比較分析，從而確定適合本項目實際需求的通信電源供電方案。

（二）通信電源傳輸供電技術(shù)

電纜及配線線纜是數(shù)據(jù)中心通信電源最主要的組成部分之一，它的好壞直接影響著整個通信網(wǎng)絡(luò)能否正常運行，因此對其進行有效的控制具有非常重要的意義。

本文首先簡單概述了通信電源系統(tǒng)的發(fā)展歷程以及各階段中的特點，并根據(jù)現(xiàn)狀提出目前存在的問題。接下來對幾種典型的通信電源供電技術(shù)進行分析總結(jié)，指出它們各自的優(yōu)點和缺點[3]。然后分別闡述了通信電源供電技術(shù)中常用的兩種傳輸技術(shù)——交流供電系統(tǒng)和直流供電系統(tǒng)。交流供電系統(tǒng)主要包括工頻交流電源和高頻變壓器，而直流供電系統(tǒng)則可以分為可控硅整流電路和蓄電池充電裝置。接著結(jié)合當(dāng)前數(shù)據(jù)中心通信電源供電的要求，設(shè)計出相應(yīng)的供電解決方案。通信電源供電技術(shù)傳輸電纜與配線線纜作為一種新型設(shè)備，在使用過程中會遇到各種各樣的情況，這就需要我們能夠準(zhǔn)確地把握它們的特性。通過分析得出它們之間的相互關(guān)系，其次詳細(xì)介紹了各種供電方案，供配電方式及其優(yōu)缺點，針對當(dāng)前的各種供電方案和技術(shù)分析出各自的適用場合、應(yīng)用范圍以及今后可能出現(xiàn)的變化等，為數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃建設(shè)提供依據(jù)。

（三）供電通信系統(tǒng)的維護

工作是一個長期而又艱巨的任務(wù)，為了使機房內(nèi)的設(shè)備正常運行，保證不間斷供電，必須對其進行有效的管理和監(jiān)控，以確保機房內(nèi)的數(shù)據(jù)安全可靠運行。因此本文結(jié)合我國國情和實際需求提出一種基于云計算技術(shù)的數(shù)據(jù)中心供電管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方法[4]。在此基礎(chǔ)上采用先進的軟件架構(gòu)解決了目前傳統(tǒng)軟件存在的諸多問題，并將其成功地移植到數(shù)據(jù)中心中去。實踐證明，這種設(shè)計方案不僅提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，還降低了成本。該系統(tǒng)已被應(yīng)用于多個數(shù)據(jù)中心，它能為用戶提供更加可靠安全的電力保障。同時，也能夠節(jié)約大量的人力物力資源；操作簡單快捷，維護方便；可根據(jù)需要進行二次開發(fā)，以適應(yīng)各種業(yè)務(wù)的變化；安全可靠，性能穩(wěn)定。并且便于擴展升級，易于推廣實施。該系統(tǒng)具有很好的擴展性，可以滿足不同規(guī)模的數(shù)據(jù)中心的用電要求。

四、模塊化數(shù)據(jù)中心通信電源供電技術(shù)研究

（一）模塊化數(shù)據(jù)中心通信架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心通信協(xié)議體系及分層結(jié)構(gòu)介紹了數(shù)據(jù)中心通信平臺中所涉及的一些主要協(xié)議及其應(yīng)用場合，并對其具體功能做了詳細(xì)說明。包括：數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層等各層之間以及各層次間的相互關(guān)系。根據(jù)各模塊功能特點進行分類闡述，數(shù)據(jù)中心通信電源總體設(shè)計數(shù)據(jù)中心通信電源設(shè)計方案必須從實際出發(fā)。要充分考慮到用戶需求，實現(xiàn)高效可靠的運行。這就要求我們必須綜合考慮整個數(shù)據(jù)中心的整體布局，數(shù)據(jù)中心通信節(jié)點設(shè)備選型，數(shù)據(jù)中心通信基站布站規(guī)劃，數(shù)據(jù)中心通信服務(wù)器配置，數(shù)據(jù)中心機房環(huán)境監(jiān)控，數(shù)據(jù)中心通信網(wǎng)絡(luò)安全防護措施，這些都是數(shù)據(jù)中心通信電源設(shè)計時需要考慮的問題。數(shù)據(jù)中心通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，在此基礎(chǔ)上分析了幾種常見的通信組網(wǎng)方式，提出一種新的基于SDH 傳輸鏈路和以太網(wǎng)相結(jié)合的通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)形式，給出相應(yīng)的解決方案，數(shù)據(jù)傳輸算法；數(shù)據(jù)中心通信站點建設(shè)方案；數(shù)據(jù)中心通信電源供電方案設(shè)計。建立一套完整的數(shù)據(jù)中心通信平臺架構(gòu)，該數(shù)據(jù)中心通信平臺架構(gòu)包含三層：上層數(shù)據(jù)匯聚層，中間層以及底層設(shè)備控制層。其中數(shù)據(jù)匯集層負(fù)責(zé)整個數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)的接入；中間層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間數(shù)據(jù)交換，下層設(shè)備控制層負(fù)責(zé)具體應(yīng)用設(shè)備的監(jiān)控，管理及維護工作；底層設(shè)備控制層主要完成對硬件設(shè)備的遠程控制指令下達，為數(shù)據(jù)中心通信提供一個良好的基礎(chǔ)框架，從而實現(xiàn)信息共享[5]。

（二）模塊化數(shù)據(jù)中心通信協(xié)議設(shè)計原則與方法

首先介紹了模塊化數(shù)據(jù)中心通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)體系，其次提出數(shù)據(jù)中心通信協(xié)議體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，功能模塊劃分及各模塊功能描述等內(nèi)容。最后從物理層，邏輯層到應(yīng)用層分別構(gòu)建數(shù)據(jù)中心通信協(xié)議層次結(jié)構(gòu)圖，通過對其各層所包含的關(guān)鍵技術(shù)進行深入研究，明確各個技術(shù)之間的相互聯(lián)系與作用。將數(shù)據(jù)中心通信協(xié)議分為：傳輸機制、TCP/IP 傳輸方式和UDP傳輸方式三部分，并針對不同層次采用相應(yīng)的設(shè)計模式進行詳細(xì)闡述，建立數(shù)據(jù)庫表關(guān)系，制定相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，然后根據(jù)該通信協(xié)議設(shè)計原則進行具體應(yīng)用研究，即數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由控制，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、負(fù)載均衡等方面的實現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮攸c給出適用于多業(yè)務(wù)運行環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸策略以及基于流量預(yù)測的擁塞控制算法，分析數(shù)據(jù)包丟失情況，最后通過仿真實驗對其有效性進行驗證說明，所提出的設(shè)計方案具有較高可行性，能夠滿足實際需求。

五、結(jié)束語

模塊化數(shù)據(jù)中心通信電源供電技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心發(fā)展的必然趨勢，也是未來數(shù)據(jù)中心的重要發(fā)展趨勢之一。本文對模塊化數(shù)據(jù)中心通信電源供電系統(tǒng)進行研究，旨在探索一種高效實用、經(jīng)濟合理的通信電源供電系統(tǒng)方案，以期達到節(jié)能環(huán)保、提高數(shù)據(jù)中心整體工作效率的目的。同時為今后更大規(guī)模地推廣應(yīng)用模塊化數(shù)據(jù)中心通信電源技術(shù)奠定堅實的理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗。