摘要：高壓直流電源供電系統(tǒng)在模塊化數(shù)據(jù)機房中的應用前景廣泛，本文介紹了該方案的性能特點，與傳統(tǒng)UPS供電方案進行了比較，介紹了模塊化數(shù)據(jù)機房應用案例。

關鍵詞：直流電源供電  模塊化數(shù)據(jù)機房    安全性  可靠性

［中圖分類號］TN91    ［文獻標識碼］ A     

1前言

當今科學技術發(fā)展日新月異，信息技術已成為企業(yè)主要核心競爭力之一，是保障業(yè)務持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要手段，數(shù)據(jù)中心則是信息技術提供運行的關鍵基礎設施平臺。以電信和金融等行業(yè)為首的數(shù)據(jù)中心，經(jīng)過近幾年大規(guī)模的建設和運營，在基礎配套設施上陸續(xù)暴露出一些弊端：占地面積大、能源消耗高，維護管理難，成本居高不下等，如何建設新一代數(shù)據(jù)中心的，立足現(xiàn)有資源，長遠規(guī)劃未來的理念已成為業(yè)內(nèi)關注的重點。為此，業(yè)界提出了數(shù)據(jù)機房模塊化的規(guī)劃，很好的解決了上述傳統(tǒng)機房的弊端。

然而，相對數(shù)據(jù)中心的模塊化發(fā)展，供電保障基本沒有發(fā)生質(zhì)的變化，還是沿用傳統(tǒng)UPS供電模式。這種傳統(tǒng)的UPS供電模式的可靠性、安全性及高耗能等方面凸現(xiàn)的問題越來越多。成為模塊數(shù)據(jù)機房的發(fā)展中的一個瓶頸，為了解決這一難題，本文提出一種新的解決方案：模塊化數(shù)據(jù)中心+高壓直流供電，使得數(shù)據(jù)中心建設最大限度規(guī)避傳統(tǒng)機房的弊端。 

      模塊化機房是把IT機柜、空調(diào)、配電柜、布線柜整合在一起并柜，在頂部加蓋天窗，兩側(cè)加裝封閉通道門，形成密閉通道，解決高密度的散熱問題，實現(xiàn)智能管理、高密部署、綠色節(jié)能、柔性擴展的整合方案，參見圖1。

圖1 模塊化整合方案

2 傳統(tǒng)的UPS供電

⑴ 傳統(tǒng)UPS供電方案

服務器設備一般采用交流電源輸入，電壓為220V，50Hz的單相交流電源，因此IDC機房一般采用交流UPS供電方案。UPS供電系統(tǒng)由整流器、逆變器、蓄電池和靜態(tài)開關等組成。在市電正常時，市電交流電源經(jīng)整流器變換為直流電供給逆變器，同時給蓄電池充電，逆變器將直流電變換為50Hz交流電供給負載。在停電時，蓄電池放出電能，通過逆變器變換為交流電，供給負載。UPS供電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)的UPS供電方案

為了提高設備供電的可靠性，通常采取多臺UPS 冗余并機的方式，即N＋1 系統(tǒng)。對于一些重要的雙電源負載，采用兩套（N＋1）UPS 系統(tǒng)并聯(lián)組成雙系統(tǒng)雙總線冗余供電方案，這種供電方案安全可靠性相當高。

⑵ UPS供電系統(tǒng)的缺點

① 負載率低，設備利用率不高

為了提高可靠性，多機并聯(lián)，負載率低，使設備的實際使用率低下。例如1+1冗余的UPS最大負載率也不過是50%，同時低負載率也帶來了低效率。

② 系統(tǒng)存在單點故障瓶頸

從圖2可直觀的看出，電池、逆變器、負載為串聯(lián)關系，任意一點的單點故障都會帶來系統(tǒng)斷電的風險。

③ 設備維護時間長  

由于不是模塊化組裝，維護還處于電路板、元器件的水平，造成維護時間長。

④ 電池管理能力差，后備電池壽命短

UPS的核心部分是逆變器，其充電器是輔助部分，因此，在充電管理上不如專門設計高頻開關電源功能強大。

⑤ 標準化難度大

特別是大功率的UPS，生產(chǎn)基本還是手工組裝，使每一臺設備的離散性大，現(xiàn)場的每一條設備都要單獨調(diào)試。

3 高壓直流供電方案

現(xiàn)在，IT設備內(nèi)部均使用高頻開關電源，把外部輸入的交流電轉(zhuǎn)化為內(nèi)部電子電路所用的直流電。最終變換為12V、5V、3.3V的低壓直流給IT設備供電，對于前段是否交流供電并無直接關系。IT設備的開關電源，在交流供電和直流供電狀態(tài)下的基本工作原理如圖3所示。

圖3 服務器電源交流、直流供電原理

⑴ 高壓直流供電的優(yōu)勢

① 可靠性提高，整流器和電池并聯(lián)為后端負載供電。

② 系統(tǒng)效率提高，符合節(jié)能減排。

③ 模塊化配置，便于擴容和維護。

④ 直流輸出，對后端設備無諧波和零地電壓問題。

⑤ 輸入輸出完全隔離，使后端負載免受不明干擾。

⑵ 直流供電系統(tǒng)替代交流UPS帶來的好處

① 簡化了電路的逆變環(huán)節(jié)，提高了可靠性，取消交流UPS也就取消了逆變器和與之配套的相關電路，硬件電路簡化使故障點大大減少，系統(tǒng)供電可靠性得到大幅提升。

② 降低了工程投資和維護費用

同等的直流電源系統(tǒng)，要比中大型交流UPS系統(tǒng)成本相對較低，維護簡單，可操作性強。

③ 運營成本大大減少

在設備運行過程中，電源的維護成本、節(jié)能降耗的貢獻，使機房的變壓器、空調(diào)、電能質(zhì)量的治理等支出成本和運營成本大為降低。

④ 多機并聯(lián)變得簡單而容易

直流整流模塊采用(N+M)模式，實現(xiàn)多機冗余備用，故障模塊可自動退出，避免引起電源間斷；多機并機時各模塊單元可自主均流，使系統(tǒng)中的各部件能在負載均衡條件下工作，從而提高了系統(tǒng)中各模塊工作的穩(wěn)定性，保證電源系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。整流模塊可實現(xiàn)熱插拔操作，對于系統(tǒng)中故障的模塊可在系統(tǒng)不斷電情況下進行故障處理或模塊更換，而不影響系統(tǒng)的供電，從而簡化了系統(tǒng)故障維修過程，使用戶更容易操作。直流供電系統(tǒng)采用智能分布式功率分配模式，即將輸出功率分配到系統(tǒng)配置的各個電源模塊。對比傳統(tǒng)的交流UPS電源將所有電源輸出功率集中在單臺設備的配置模式，直流供電系統(tǒng)供電的可靠性將得到大幅提升。

⑤ 系統(tǒng)組態(tài)靈活

整流模塊可實現(xiàn)靈活的多機冗余配置模式(N+M)，針對不同規(guī)模的用戶可靈活組建不同容量的直流后備電源系統(tǒng)，按照后備電源系統(tǒng)的容量需要可分步投資、分布建設。系統(tǒng)可配置為單機系統(tǒng)模式、多機冗余熱備用模式、多機冗余冷備用模式等。由于整流模塊采用模塊化生產(chǎn)，使系統(tǒng)的擴容和維護極為方便。

⑥ 智能化電池管理

對于后備供電系統(tǒng)中常用的鉛酸蓄電池組，仍是系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，由于酸蓄電池的生產(chǎn)工藝及其自有特性，蓄電池組在使用一段時間后會出現(xiàn)一些問題，如：電池內(nèi)阻增大、內(nèi)阻不匹配等，如不能及時處理這些問題，可引起后備電源供電異常，嚴重時可造成電池組報廢。由于目前尚無更好的產(chǎn)品替代鉛酸蓄電池，所以在以后較長的一段時間內(nèi)，后備電源系統(tǒng)中仍將以鉛酸蓄電池作為主要電能儲存介質(zhì)。嚴格按照蓄電池給定參數(shù)使用和定期的維護，是解決電池組使用壽命的有效方法，合理、科學地使用和及時的維護可有效地延長蓄電池使用壽命。采用直流供電系統(tǒng)，可對蓄電池實施智能化的充、放電管理。按電池組充電曲線對電池組進行智能化的充電管理和放電維護，大大提高了蓄電池組的使用壽命，同時大大減輕了用戶對系統(tǒng)維護的工作量。系統(tǒng)具備的單體電池巡檢功能，可對電池組進行實時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)落后單體后立即報警，提醒用戶及時處理，可避免故障的進一步擴大，如整組電池報廢等。

4 模塊化機房應用

某機房在建設規(guī)劃時，采用模塊化設計，網(wǎng)絡機柜采用高密度機柜設計，以提高機房的利用率，每個網(wǎng)絡機柜功率密度10kW，每個模塊包含10個網(wǎng)絡機柜，每個模塊總功率的功耗折合100kW，后備時間15 min。

⑴ 規(guī)劃方案

機房供電方式采用每個數(shù)據(jù)模塊用一套電源供電，位置布局見圖4，供電原理圖見圖5 。 

其優(yōu)點如下：

① 分散供電，降低風險；

② 區(qū)域劃分，便于電源管理；

③ 適應性強，電源化整為零，容易實現(xiàn)最佳配置。

圖4  位置布局圖

圖5  供電原理圖

⑵ 系統(tǒng)配置

① 交流屏一個：兩路交流輸入，具備總電壓、電流、電量統(tǒng)計、RS485輸出 。

柜體尺寸：200mm（深）*800mm（寬）*2200mm（高）

② 整流屏一個：兩路交流，ATS輸入。整流模塊規(guī)格：6kW模塊配置30個，容量滿足150kW輸出需要。

柜體尺寸：1200mm（深）*600mm（寬）*2500mm（高）

③ 直流屏一個。

柜體尺寸：200mm（深）*400mm（寬）*2200mm（高）

5 結(jié)語

模塊化數(shù)據(jù)中心的建設方式提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，效能解決是目前大多數(shù)數(shù)據(jù)中心面臨的問題，這種構(gòu)建方式將會在新一代數(shù)據(jù)中心整體規(guī)劃中得到廣泛應用。2012年2月1日，高壓直流電源的行業(yè)標準《YDT2378-2011通信用240V直流供電系統(tǒng)》正式發(fā)布實施，為高壓直流電源在通信行業(yè)的應用掃清了最后的障礙，而在模塊化數(shù)據(jù)機房中引進DC240V直流供電系統(tǒng)，以其體積小、重量輕、功耗小、效率高、紋波小、噪音低、易擴容、替換性好、性能穩(wěn)定、智能化程度高等優(yōu)良特性，將會為IT行業(yè)的供電保障帶來一個質(zhì)的飛躍。