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智能、能源感知数据中心的PDU是什么样的?

来源:机房360 作者:litao984lt编译 更新时间:2016-12-14 9:52:09

摘要:下一代的PDU与数据中心共享更多信息,这可以帮助数据中心管理人员们提高对于数据中心环境条件的理解。但随着功率密度的提高,企业IT部门正在重新考虑使用哪种数据中心电源电压。在本文中,我们将为广大读者诸君介绍关于相关的备选方案和数据中心在做出最佳选择时需要考虑的相关因素,以及监控能耗情况至关重要的原因所在。

  下一代的PDU与数据中心共享更多信息,这可以帮助数据中心管理人员们提高对于数据中心环境条件的理解。但随着功率密度的提高,企业IT部门正在重新考虑使用哪种数据中心电源电压。在本文中,我们将为广大读者诸君介绍关于相关的备选方案和数据中心在做出最佳选择时需要考虑的相关因素,以及监控能耗情况至关重要的原因所在。

  什么是智能能源数据中心的PDU?

  下一代PDU跨现有数据中心的局域网,提供了对于数据中心能量消耗和环境极具细粒度的监控和管理。

  在其最简单的形式下,一款配电单元(PDU)将组织电气布线并控制每台单一服务器的电源——就如同您家里的电源板一样。但随着时间的推移,关于“什么是PDU”的问题已经发生了演变。今天的PDU提供了关于数据中心中的电源使用、效率和环境条件的大量数据,所有这些都通过LAN连接成网络,并通过Web浏览器或命令行界面(CLI)进行管理。

  功率监控的功能特性

  基于机架的PDU的主要作用是控制分配到每台机架中的服务器、存储单元、网络交换机和其他设备的功率。这使得PDU处在了一个独特的位置,得以能够进行与能耗相关的测量和计算,进而可以详细说明每款设备到底消耗了多少能量,其效率如何。

  一款PDU通过测量每条电路的输入电压和电流,以瓦或千瓦为单位来计算功率,并用千瓦时为单位计算能耗。其也能计算所使用的总功率容量,让数据中心的操作运营人员们能够知道他们何时会接近需要配备额外的PDU。

  这些测量的细粒度随PDU产品的不同而变化。某些PDU可能仅在总PDU级别计算——例如,总功率和一切连接到PDU的能量消耗。因此,您的数据中心可以确定机架的总能量特性,但无法确定其各个设备的能量特性。

  为了获得更好的细粒度,建议寻找能够监控到插座级别的PDU。IT人员可以更轻松地找到耗电量更多,能效更低的系统,这些系统将是下一次技术更新周期中更换系统的首选。

  具备功率提升排序(power-up sequencing)功能的PDU可以错开每个插座的激活,避免当机架从灾难性电源损耗中恢复时出现危险的电流冲击。例如,一款PDU可以被配置为首先对存储系统和网络设备供电,然后系统地对每台单独的服务器供电。

  使用从PDU获得的功率数据来帮助计算更广泛的能量度量,例如电源使用效率(PUE)。可以将在每台机架中使用的功率的总和与建筑物中所使用的总功率进行比较,以形成一个PUE计算的基础。

  操作环境监测功能

  数据中心的运营会散发大量的热量。新的PDU集成了多款温度和湿度/水传感器。热和湿度是机架设备的关键因素,特别是对于采用冷水或免费空气进行服务器冷却的数据中心。

  智能PDU跟踪环境因素并及时发出提醒警报。此外,数据中心的操作管理人员可以将环境数据与能源数据进行比较,并将服务器电源使用和在机架内对温度控制所采取的保护措施行为的实际影响相关联。

  一些PDU包括了用于检测物理条件的干式接触传感器,例如机架门开口。这种物理监控可以帮助防止人员进行未经授权的非法篡改,这是一个经常被忽视的数据中心安全漏洞。

  PDU访问和网络功能

  除非数据中心的操作管理人员可以轻松地访问数据,否则对于重要功能特征的监控也没多大意义。故而企业客户需要寻找能够通过Web服务器或CLI提供对于通用LAN访问的PDU。

  一款内置的Web服务器和固件允许管理员跟踪PDU的当前状态,并随着时间的推移回顾查看测量的数据。 Web界面启用了可编程选项,例如为简单网络管理协议陷阱或其他电子邮件警报备选方案设置警报阈值和选项。具有Web服务器支持的PDU通常支持安全套接字层(SSL)和SSH(Secure SHell)安全功能,并且可以支持网络功能,包括诸如动态主机配置协议、Active Directory和轻量级目录访问协议。最新的PDU支持IPv4和IPv6网络协​​议用于设备寻址。

  具有CLI支持的PDU使用更传统的串行接口,如Telnet或RS-232接口。虽然接口比Web服务器访问更简单,但技术人员必须直接访问PDU来连接。一个CLI还需要很好地掌握PDU的命令集,这可以是相当广泛的。考虑到当前IT管理员的工作量,CLI和Telnet管理比基于Web的门户的吸引力要低。

  机架式PDU可以从简单的电源开关演变为智能化的测量和监控工具。 PDU的详细功率和环境信息可以帮助数据中心提高能源使用和效率,同时提升每台机架内的热处理。

  您企业应该使用哪种数据中心电源分配电压?

  数据中心的电源系统的设计将涉及到包括关于电源路径中的组件的许多决定。在世界上的大多数地区,有两种主要的电压方案(三相),要么是基于北美的480/208/120 V(加拿大则为600/208/120 V)或者是在欧洲和亚洲的一些地区所使用的400/230 V系统。在所有系统中,更高的电压被用来从公共供电服务为数据中心站点现场传送电力,但这并不是本文所要讨论的部分。要注意的是,我们一般指的是400/230 V系统(这代表了380/220 V到415/240 V的中点电压)。虽然一些数据中心正在探索使用直流(DC)来提高整个计算系统的整体效率,但是交流(AC)功率仍然是数据中心中主要的功率形式。

  机架级的功率密度和分布

  几家制造商提供了高架的“buss tracks”允许您企业能够简单地插入一个包括了断路器和插座或电源线(单相或三相)的模块。这提供了一个极其灵活的选择,并允许您几乎能够为任何机架提供任何水平和类型的电源,而无需预先规划。这在更新的数据中心设计中越来越受欢迎。

  不断上升的数据中心功率密度是推动重新研究IT设备的电压选择、以及在配电系统中采用哪种电压的重要因素之一。

  在北美,当每台机架都使用1-2 kW的功率和一个单一20 A电路(两个用于A-B冗余)时,常见的120 V使用效果就很好。随着刀片服务器的出现,通常需要208 V或230 V电路并使用五千瓦或更多千瓦的机架以及装满1U服务器的机架,现在,新的基准为每台机架5 kW。

  10到20千瓦已经是屡见不鲜了,甚至30千瓦及以上也并非不可预见的(我们可以在这些水平提供电力,但冷却是一个更大的挑战)。此外,几乎所有的IT电源现在所具备的自动检测和通用电压能力(100~250V)都允许同一款产品能够在全球范围内运作。事实上,他们在120 V(甚至在日本更低不到100 V)比在208 V或230 V也能更有效的运行。

  我们可以通过增加电压(或电流强度)以及通过在机架运行三相电源来增加提供给每台机架的功率。电缆的直径决定了其“安培容量”或其可以安全承载的安培数(及其成本)。所使用的电压将决定通过相同导体规模尺寸下在不同电压下可以提供多少功率(例如:12号线,通常用于距离高达50英尺的20 A供电)。

  请注意,根据北美电气规范,分支级断路器额定值为80%,因此只有16 A可以被输送到负载。

  分支电路:单相电源分配


  分支电路:三相电源分配


  请注意,通过在机架中提供三相电源,可将可用功率增加300%,但是电缆导体数量和成本增加仅66%。

  此外,通过将三相208/120 V电源部署到机架,您企业既可以提供208 V单相也可以提供208 V三相电源,并为老旧或专用IT设备提供120 V电源(可能只能在120 V工作)。

  事实上,通过运行三相电源,一些机架级PDU(也称为机架电源板)可以从相同的电源板同时提供208 V和120 V电源。

  除了硬接线,也可考虑使用三相连接器,例如NEMA“Twist-Lock”L21-20或L21-30(分别为20 A / 5.7 kVA或30 A / 8.6 kVA)或更大的IEC 309 40-60连接器(也称为“套管”),或甚至用于更高功率的Russell Stove。这将允许您在设备更换时更换电源板,无需重新布线。虽然这在前期的成本有点更昂贵,但其在设备升级过程中可以通过提供一个容易和更低成本的设备迁移、添加和更改解决方案,从长远来说,可以节省很多钱。

  关于机架级的PDU,请考虑使用允许远程监控,以防止过载,并允许进行能量管理和容量规划的单元。

  在400/230 V系统中,所有输出电路均为230 V单相(从任意相位到中性点和地面)。

  地板或机架行级别的功率分配

  根据数据中心规模大小和所需的功率量(和功率密度)的不同,北美的功率分配可以为480V或208 / 120V。假设您企业有较大的安装,480 V是UPS和所有主要配电的最常见和首选的选择,直到其到达数据中心地板。

  一旦480 V电源已经传递到地板或机架行PDU,它需要使用计算机设备被转化到208 / 120 V。变压器的类型会影响其效率和数据中心的整体效率。

  变压器类型和K系数

  如若没有提到变压器类型和“K系数”,那么关于配电的讨论就是不完整的。

  在400/230 V配电系统中,不需要变压器,只有断路器保护分支电路。有时欧洲的数据中心站点会在PDU中指定一个变压器,以提供额外的隔离,并且还减轻相位不平衡对上游UPS的影响,特别是如果它是无变压器UPS的话。

  北美208/120 V的配电系统也不需要变压器,只需要断路器保护分支电路。然而,数据中心设计人员有时会在PDU中指定一个变压器,以提供额外的隔离,并减轻上游UPS的相位不平衡的影响,尤其是如果是无变压器UPS。

  正如在机架级功率的讨论中所指出的,电压越高,向负载提供相同功率所需的电流就越低。较低的安培数还将降低整个系统中使用的电气开关、UPS、配电板和铜缆的规模和成本。这可以相当于达到整体性的节省。

  在不同电压下向PDU提供300 KVA的电流需求


  相反,这里有一个图表显示了一个固定的电流容量(如基于现有的导线规模)与电压的影响。

  以不同电压向PDU传输电力*


  *示例使用了400 A额定电路和供电布线。

  如果您企业正在考虑通过改造配电系统进行电压升级,并希望通过重新使用PDU现有的电缆和管道来节省资金和施工时间,这是非常有用的。例如,将现有供电电缆从208 V转换为480 V,您可以通过同一电缆提供超过两倍的功率——只需确保面板和开关设备达到更高的电压。

  安全隐患和电压

  在北美,我们通常使用208 / 120 V至最终用户的使用标准的插头和插座的设备。对于电气工程师来说,这也是增加电路到208 / 120 V配电板的一种常见的做法。480 V服务具有更高的发生电弧的可能性,因此其不被认为是安全的插件设备。在480 V,弧闪危险是很大的,电工需要额外的安全装置以便在480 V的电路上工作,并且由于电气工作期间发生电弧,导致服务中断的可能性更高。

  欧洲电压在美国数据中心奏效吗?

  在欧洲,只有单相230 V通过标准IEC C13和C19型插座和插头分布到插入式设备,最高可达16A。然而,三相400 V电源也可通过更大的IEC型309插座,最高可达60A。在欧洲,400V是常见的(使用适当的安全装置),因为这是所有配电系统的基础。

  从历史上看,您企业数据中心所处的具体地理位置决定了既定国家和数据中心所使用的电压类型。然而,数据中心的内部已成为了其自己的一个缩影,有时独立于其所处的地理位置。很显然,欧洲数据中心将继续使用400 / 230 V系统,因为这已经形成了他们现有的整体电力系统。

  400V欧洲系统的主要优点之一是没有电压转换;因此,也就没有用于电压转换(除了主公用变压器)所需的额外的变压器。这使得整个电力系统可能更小,并且整体上更有效。

  在北美,几家供应商现在已将400/230 V产品作为传统的208/120 V配电系统的更高效率的替代品。他们通常在地板或行级PDU中使用“自动变压器”(比传统的降压/隔离变压器更小,更轻,更节能)。这允许这些PDU能够与标准的480V UPS和480V配电系统一起工作,然后PDU将230V(单相)输出到IT机架。其在数据中心地板上提供更高的效率和更小的占用空间。一些供应商已经创建了400/230 V“非接触式”模块化PDU系统,其屏蔽主总线,允许容易且安全地添加和移除电路板(断路器和电缆)。

  在更先进的400 V电源的情况下,UPS将以400 V供电,在PDU中无需变压器。数据中心的主要输入功率和所有的电力设备的开关设备,发电机等都将是400 V;其会像一处欧洲的数据中心——北美的高电压转换下降为400 V(而不是480 V)将只有一次。之后,将不再需要变压器降压,从理论上说,这避免了所有的变压器损失,并最大限度地减少铜布线的损失,同时允许IT电源在230V下工作,这是最有效的。

  在北美,400V功率的数据中心可能需要许多年,或者可能永远不会成为主流系统。所有参与到数据中心的设计、构建和操作的相关人员都需要经历大量思维方式的变化。此外,现有设备具有惯性,并且很少有人或设备制造商可能希望进行这样的重大改变以期望获得2-5%的潜在能量效率的增加。然后,如果能源价格继续上涨,还可能会导致涉及到数据中心的每个环节的人员都需要检查每个选项。

  为什么监控数据中心的功耗是非常重要的

  在现代数据中心的设计中,最被忽视的元素是功率利用、消耗和监控。即使建立了数据中心,对于电源使用情况的考虑也必须始终在所有IT管理人员的头脑中。做出正确的决策可以有助于提高服务器的运行状况和数据中心效率。另一方面,忽略一些简单的事情,如监测数据中心的功耗,可能会对操作环境产生有害的和成本代价昂贵的影响。参考本文中所给出的提示,相信将有助于您企业学习到一些关于高效管理数据中心电源的策略。

  创建一个能源意识的数据中心

  这个理念很简单:您无法对不能监控的东西实施有效地管理。正确运行优化的数据中心的唯一方法是对您的操作环境设计一个坚实的监控平台。但每家数据中心都是独一无二的,具体的电源要求将因机器设备和站点而异。因此,重要的是研究您数据中心现在有什么,你想在今后五到十年内添置什么,以及技术采购如何影响您数据中心的电力使用,包括长期和短期的。

  监控功耗。对于数据中心功耗的整体视图的把握需要对电力系统进行全面的监控。电源管理的一个重要任务是了解和计算数据中心的电源使用效率(PUE)。为此,应在UPS处进行测量,然后提供对于数据中心功耗的基本测量。在用测量结果来计算PUE,并识别能量使用趋势。通过监视PDU,管理员可以在PDU级别防止某些过载条件。通过有效监控聚合PDU,管理员还可以帮助确保功率在数据中心设施中的均匀分布。可以说,数据中心功耗的最佳视图来自位于机架内的配电单元。现代机架式PDU具有集成的监控和控制功能,可实现持续的电源监控。这些PDU还可被配置为向集中式管理代理发送警报和更新,以便进行数据分析。

  由于机架和数据中心的功耗量根据基础设施内的特定设备以及相应的负载的不同而各异,因此每台单独的机架都应配备自己的PDU。对于一些更高级的环境,电源工程师建议在双总线环境中使用两个PDU。使用两个PDU有两个方面的帮助:能够监控机架PDU的功耗,并提供更多的过载保护插座组。

  在电源供应链的所有点收集伏特、千瓦、千瓦/时和安培数据——从插座到机架到PDU。这将创建一个精确的电力使用情况视图,这样您可以看到数据中心的系统在哪些方面不是那么有效。与机房PDU结合的现代机架PDU还应该通过允许对单独的插座进行远程电源管理来帮助IT chargeback和防止过载。

  监测能源效率。 IT管​​理员们都知道,能源成本可能迅速消耗掉大部分的数据中心运营成本。不幸的是,鉴于许多设施仍然缺乏固定的能源监测能力的事实。这方面的解决方案便来自于业界的集中监控系统的形式。集中式监控系统,如来自艾默生电气公司或Liebert公司的产品,目前可用于现有IT网络或专用网络。在创建专用电源监控环境时,建议的最佳实践方案很简单:

  占地面积在2000和3000平方英尺之间的站点一般选择使用现有的网络基础设施,而不是建立一个单独的网络。

  具有更大数据中心要求的更大设施将受益于专用网络。这可以提供与建筑自动化和管理系统集成以及管理多个企业站点的能力。

  管理数据中心电源不必是手动过程。自动匹配收集过程,然后分析来自相应的UPS和PDU监控系统的数据,通过跟踪效率来帮助降低能量消耗。采用自动化系统的另一个主要好处是有助于提高了IT生产力。 能效监测允许管理员跟踪数据中心总的能源消耗情况,自动计算和分析PUE,并进一步优化替代能源的使用。 UPS设备携带了丰富的信息。监控系统可以跟踪UPS功率输出,并确定这些设备何时以最高效率运行。使用现代化的,功率敏感的系统,甚至在面板监控功率也是有益的。选择在普通服务器以外检查电源使用情况的系统和机架参数,并查看非IT系统(如照明和发电机)的功耗,以确保对这些系统的绝对最佳使用。

  实施电源监控的贴士和优势

  对电力使用情况进行正确监控和管理的企业,可以获得诸多的优势:包括降低能源成本、成为能源之星企业、并享受国家相关优惠、获得绿色认证、更好的IT chargeback和减少碳排放量,这些都是对企业的益处。

  记住,当涉及到成功的功耗监控时,小的细节可能会带来大的改观。如下,是一些常见的、提升功效的贴士:

  1、密切关注您数据中心服务器机房的温度:通过跨整个数据中心的机架、排气、热/冷群岛等安装网络温度传感器,可以帮助管理员们确保相关设备是运行在ASHRAE所推荐的温度范围(64.4到80.6华氏度)内运行的。借助冷却检查,数据中心的功耗也可以正常化。这有助于保持服务器正常运行,并降低电源成本。

  2、管理您数据中心的提示和警报:自动化系统可以帮助保持对电力使用情况的检查,并带来更健康的运行环境。创建提示和警报,以便管理员可以主动采取一种非常重要的数据中心功能——电源管理。通过在发生实际问题之前了解问题区域,管理员可以采取必要的操作卸载电源或根据需要重新分配电源。

  3、保持电池的正常:防止数据丢失或服务器损坏的最佳方法便是配置恰当的备份电池环境。最佳实践是部署能够连接到并跟踪每个电池的健康运行状况的UPS或电池监视系统。最有效的电池监控系统将持续跟踪所有电池的参数,包括内部电阻,这意味着使用直流测试电流以确保测量的精度和重复性。预防性维护,电池更换计划和UPS监控可以帮助保持数据中心和电池系统的正常运行,这将在发生电源中断时使得数据中心获益。

  责任编辑:DJ编辑

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