淺談直流供電系統在數據中心的應用與產(chǎn)品選型

摘要：文中介紹了240V 直流供電系統的設計理念，并分析了其系統勢，相對于傳統 UPS系統，240V 直流供電系 統在提升系統可靠性及可用性、降低電網(wǎng)污染、提升供電效率、減少建設和維護成本、提高管理智能化程度等方面具有明顯的勢。在此基礎上，文章分析了240V 直流供電系統在數據中心的適用性，并針對數據中心常見(jiàn)的傳統供電模式給出替代解決方案。

關(guān)鍵詞：240V直流；PFC；單母線(xiàn)；雙母線(xiàn)；一體化供電

0 引 言

隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )的普及和數據業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，機房供電也朝著(zhù)大容量、高可靠的方向發(fā)展。但是機房規模的擴大使得機房的耗電問(wèn)題、擴容問(wèn)題和維護問(wèn)題日益突出。傳統的UPS供電模式在可靠性、安全性及高能耗等方面的問(wèn)題也越來(lái)越多，尤其是傳統大功率UPS（通常指容量在30KVA以上）可靠性低、建設成本高、維護及擴容難度大、供電效率低、電流諧波大等局限性逐漸 顯。業(yè)界在努力提升傳統 供電質(zhì)量的同時(shí)，也在不斷探索能夠替代傳統大功率UPS供電的新技術(shù)。隨著(zhù)行業(yè)標準《YDT2378－2011通信用240V直流供電系統》于2012年2月1日開(kāi)始實(shí)施240V直流供電技術(shù)作為設備不間斷供電的重要發(fā)展方向逐漸開(kāi)始市場(chǎng)潮流。

本文從240V直流供電系統的設計理念入手，分析其系統勢，針對數據中心現行供電系統中的單／雙母線(xiàn)供電模式和一體化供電系統，提出了240V直流供電系統的替代方案，為數據中心供電系統的改造和建設提供一定的借鑒。

1  240V直流供電系統設計理念 

240V直流供電系統主要借鑒了通信高頻開(kāi)關(guān)電源的設計思路，在通信電源-48V高頻開(kāi)關(guān)電源的基礎上，通過(guò)提高輸出電壓、采用懸浮供電，并引入電力電源監控技術(shù)［２］。它是基于原有交流設備供電的一種新型供電模式，同時(shí)也是對傳統交流設備供電系統的一種創(chuàng )新。240V直流電源系統原理如圖1所示。

圖1直流供電系統原理框圖

2  240V直流供電系統的勢分析

240V直流供電系統很有可能是UPS發(fā)展的下一個(gè)階段，不僅是因為高壓直流UPS幾乎能夠合理傳承當所有UPS的熱點(diǎn)和沿技術(shù)，也不僅是它能夠兼收傳統UPS和-48VDC 通信電源之間所長(cháng)而摒棄其短，重要的是它能夠在實(shí)現傳統UPS所有功能的基礎上好地滿(mǎn)足負載供電的可靠性、經(jīng)濟性和適應性

2.1 提升可靠性及可用性

和傳統UPS相比較，240V直流供電系統的可靠性及可用性提升主要體現 在 以 下 幾 點(diǎn)：240V直流供電技術(shù)簡(jiǎn)化了電路的逆變環(huán)節，取消了逆變器和與之配套的相關(guān)電路，硬件電路的簡(jiǎn)化使故障點(diǎn)大大減少，降低了系統故障率；整流模塊可 N+X 冗余配置，故障模塊可自動(dòng)退出，從而避免了電源間斷的問(wèn)題；傳統的交流 UPS電源采用將所有電源輸出功率集中在單臺設備的配置模式，而240V直流供電系統采用智能分布式功率分配模式，即將輸出功率分配到系統配置的各個(gè)電源模塊；蓄電池組并聯(lián)于電源輸出端，可以直接對設備供電，同時(shí)還可以作為濾波池濾除電網(wǎng)串過(guò)來(lái)的毛刺以及其他供電支路諧波的影響等等。

2.2 降低電網(wǎng)污染

UPS的逆變器是電污染源，它工作在高壓大功率高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，會(huì )產(chǎn)生大量的諧波電流。諧波會(huì )對電網(wǎng)及供電系統產(chǎn)生諧波干擾，造成設備故障、發(fā)熱、壽命降低等后果。同時(shí)，為治理諧波而增加的濾波設備，也為UPS系統引入了新的故障點(diǎn)。

240V直流系統取消了逆變環(huán)節，避免了大部分電網(wǎng)污染，且其高頻開(kāi)關(guān)電源模塊采用了PFC技術(shù)，輸入電流諧波小，抗電磁干擾能力強。

2.3 提升供電效率

UPS采用AC-DC-AC模式，它有兩個(gè)逆變環(huán)節，一是整流濾波（AC-DC）環(huán)節，二是逆變（DC-AC）環(huán)節，兩次變換使得其本身效率較低；UPS采用冗余配置使自身工作在低效率的負載率區間；另外，UPS產(chǎn)生的諧波電流還會(huì )在供電回路上造成損耗，引入濾波設備自身的損耗等也降低了UPS的供電效率。

240V直流系統簡(jiǎn)化供電結構，取消UPS逆變及服務(wù)器電源再整流過(guò)程，變換損耗低；采用高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，整機效率高；采用模塊休眠等技術(shù)，模塊工作在負載率區間，系統效率高；采用PFC功率因數校正技術(shù)，諧波電流??；直流輸出有效電壓高且無(wú)諧波分量，傳輸損耗小。

2.4 降低建設和維護成本

240V直流系統可實(shí)現靈活的直流整流模塊N+X冗余配置模式，由于整流模塊采用模塊 化生產(chǎn)，使系統的擴容和維護方便，可以針對不同規模的用戶(hù)靈活組建不同容量的直流后備電源系統，安裝后備電源系統的容量根據需要可分步投資和建設；直流電源功率密度高，安裝空間占用少；直流電源較UPS采購成本低；同等的直流電系統，要比中大型交流UPS系統成本低、維護簡(jiǎn)單、可操作性強。

2.5 提高管理智能化程度

嚴格按照蓄電池給定參數使用和定期的維護，是解決蓄電池組使用壽命的有效方法，合理、科學(xué)地使用和及時(shí)的維護可有效地延長(cháng)蓄電池使用壽命。240V直流系統具有智能化電池管理功能，可對蓄電池實(shí)施智能化的充、放電管理；按電池組充電曲線(xiàn)對電池組進(jìn)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(shí)大大減輕了用戶(hù)對系統維護的工作量；還具備單體電池的巡檢功能，可對電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，發(fā)現落后單體后立即報 警，提醒用戶(hù)及時(shí)處理，可避免故障的進(jìn)一步擴大，如整組電池報廢等。此外，240V直流供電系統具有完備的監控功能，提供了通訊接口，實(shí)現了機房電源系統的聯(lián)網(wǎng)控制，大大提高了電源系統的管理自動(dòng)化程度。

3  數據中心240V直流供電解決方案 

伴隨著(zhù)通信行業(yè)的發(fā)展，通信電源系統也發(fā)生了質(zhì)的變化?，F代IDC機房規模變得越來(lái)越龐大，消耗的功率也越來(lái)越大，從分散風(fēng)險和節能減排的角度考慮，要求動(dòng)力保障系統分散供電，供電方式從過(guò)去的集中式供電轉變?yōu)榉稚⑹焦╇?。然而，由于交流電存在電壓、頻率、相位三要素的約束，使得UPS并機存在不確定性。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，減少UPS的并機數量，UPS的單機功率變得越來(lái)越大，供電方式越來(lái)越趨向集中，大量這種UPS系統的在線(xiàn)運行，使得數據設備面臨的風(fēng)險隨時(shí)間的增加而不斷積累。240V直流供電系統具有可擴容性、維護方便性、割接風(fēng)險小的特點(diǎn)，恰好克服了UPS的這種不確定性，能夠較好地滿(mǎn)足數據中心的建設和改造

3.1 可行性分析

從數據中心機房用電設備側考慮，首先,IT設備（計算機及其外設）機內普遍采用高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，設備電源具有高頻開(kāi)關(guān)電源特性，即輸入側沒(méi)有工頻變壓器，輸入直流不會(huì )產(chǎn)生短路阻抗，因此可采用直流輸入；第二，設備電源模塊采用直流輸入，整流橋半橋導通，因此可以采用一定電壓值的直流電提供能量；第三，IT 設備電源模塊是恒功率模塊，提高輸入電壓，可以降低整流二極管載流量，從而提高直流狀態(tài)下的穩定性。所以，只要輸入合適電壓的直流電，就可以使用直流電源接入原來(lái)的交流電入口，直接對用戶(hù)設備進(jìn)行供電，而不必對原設備進(jìn)行任何改動(dòng)。

從上述可行性分析可知IT設備中絕大部分都是可以采用同電壓等級的直流電源替代交流電源供電進(jìn)行工作的。通信用240V直流供電系統，可以在不改變用電設備交流供電電壓等級的提下，對現行通信網(wǎng)絡(luò )上使用交流220V供電的計算機、服務(wù)器、路由器、磁盤(pán)陣列等IT設備兼容性地提供直流供電，以提高對上述通信網(wǎng)絡(luò )系統設備安全供電的保障能力。另外，從節能減排的角度考慮，和傳統UPS相比，240V直流供電系統具有較高的系統供電效率、智能休眠節能功能和成熟的智能電池管理功能，能夠有效地降低能耗，節省電力資源，符合國家節能減排的指導思想，是數據中心供電系統的發(fā)展趨勢。

3.2 適用場(chǎng)合

240V直流供 電系統具有運行維護簡(jiǎn)單、系統組態(tài)靈活、功率密度大、智能化程度高等特點(diǎn)，因此，對于運營(yíng)商自有設備為主的業(yè)務(wù)網(wǎng)及數據中心、新規劃建設及改造供電系統的機房、蓄電池后備時(shí)間要求較長(cháng)（＞2H）的應用、設備負荷較大（＞200kva）或機房承重及空間受*，建議先選用240V直流供電系統。如：各類(lèi)大中型IDC機房、呼叫中心、電力監控機房、銀行數據中心、電子商務(wù)企業(yè)數據中心、網(wǎng)站企業(yè)數據中心、證劵機構數據中心等場(chǎng)所具有規劃比較完整，機房設備安裝空間比較充足，電源設備標準化程度較高，設備現場(chǎng)安裝比較規范，適合采用240V直流供電系統進(jìn)行供電

3.3 240V直流供電解決方案

數據機房中較為常見(jiàn)的供電模式有單母線(xiàn)供電和雙母線(xiàn)供電兩種。單母線(xiàn)供電模式中，采用240V直流供電系統替代傳統UPS并機系統具體的解決方案為：采用直流輸出屏替代交流輸出屏，采用直流列頭柜替代交流輸出屏，蓄電池組直接并聯(lián)于系統輸出端。圖2給出了單母線(xiàn)供電模式中，240V直流供電系統替代傳統UPS并機系統的解決方案。

圖2 單母線(xiàn)供電240V直流供電解決方案

同樣，在雙母線(xiàn)供電模式中，采用240V直流供電系統替代傳統 UPS并機系統的具體方案為：采用直流輸出屏替代交流輸出屏，采用直流列頭柜替代交流輸出屏，如此便得到雙母線(xiàn)供電模式中240V直流供電的替代解決方案，如圖3所示。

圖3 雙母線(xiàn)供電240V直流供電解決方案

為合理利用動(dòng)力設備，很多數據中心都采用一體化供電解決方案。圖4給出了 DC-BUS的供電系統解決方案。

圖4 一體化供電解決方案

4  安科瑞小母線(xiàn)監測產(chǎn)品介紹

4.1 概述

數據中心小母線(xiàn)系統是數據中心末端母線(xiàn)供配電系統的俗稱(chēng)。近年來(lái)，隨著(zhù)數據中心建設的快速發(fā)展和高需求，智能小母線(xiàn)系統逐漸被應用于機房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點(diǎn)，即插式插接箱給各個(gè)機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監測模塊，將數據上傳至動(dòng)環(huán)監控中心。

4.2 AMB智能小母線(xiàn)管理系統

1）交流系統功能：

遙測：三相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數、有功電能、無(wú)功電能、電纜溫度，系統頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電壓/電流諧波含量、電流/功率；

遙信：過(guò)電流2段閥值越限、過(guò)/欠壓、過(guò)功率告警、缺相、過(guò)頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線(xiàn)電流、溫/濕度告警，開(kāi)關(guān)狀態(tài)、開(kāi)關(guān)跳閘；    

2）直流系統功能：

遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流/功率；

遙信：過(guò)電流2段閥值越限、過(guò)/欠壓、過(guò)功率告警、缺相、溫/濕度告警，開(kāi)關(guān)狀態(tài)、開(kāi)關(guān)跳閘；                             

4.3 產(chǎn)品介紹

說(shuō)明：■為標配功能。

5結束語(yǔ)

傳統UPS具有單點(diǎn)故障多、可靠性偏低、建設成本高、維護及擴容難度大、供電效率低、電流諧波大等諸多局限性，而數據中心的快速發(fā)展對用電設備的供電質(zhì)量提出了高的要求240V直流供電技術(shù)的出現，是對傳統交流不間斷供電技術(shù)的一種探索和創(chuàng )新，一定程度上滿(mǎn)足了當業(yè)界對大功率交流不間斷供電的需求，是通信交流設備不間斷供電的重要發(fā)展方向。

參考文獻：

【1】淺談機房的高壓直流供電應用［EB/OL］.

【2】趙廣超、潘立福、吳向陽(yáng)、王琰。240V直流供電系統在數據中心的應用研究。

【3】安科瑞數據中心IDC配電監控解決方案.2020.03版.

【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計應用手冊.2020.06版.