數據中心用電管理解決方案

文｜珠海派諾科技股份有限公司 韋 愷

1 數據中心能源供電系統

數據中心供電系統一般由市電、后備發電機、UPS和配電系統構成。一般重要的數據中心大都采用了雙路市電、冗余發電機和冗余UPS系統。電源問題主要是就UPS系統而言，這是因為市電只需向供電局提出容量需求即可，發電機當前的水平，各個廠家的產品相差無幾，只有UPS的差別甚大，一個UPS供電方案的好壞，直接決定了通信機房內重要負載是否能正常運行。在設計機房UPS供電系統時，我們既要節省投資，又要考慮系統的可靠性、靈活性，為通信設備及計算機負載提供有效的保障。

數據中心能源供電系統的選擇要以符合國策為前提，節能減排是當前的一項基本國策，一切行為都應當以此為指導。

2 供電解決方案

2.1 傳統的供電解決方案

傳統的數據通信設備要求交流輸入電源，一般是與市電電源的電壓和頻率相同的電源，即220V，50Hz的單相交流電源。傳統的數據通信設備的電源系統是UPS系統，UPS系統一般由整流器、逆變器、蓄電池和靜態開關等組成，市電正常時，市電經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交流電供給負載。UPS本身故障時負載可經靜態開關轉換為旁路市電供電，市電長時間停電時，由備用發電機組供電。以下是幾種常見的UPS供電模式。

（1）串聯熱備份

此種UPS供電方式消除了單點故障，實現簡單，但是其同一時間只有一臺UPS帶載，因此存在超載能力差、主備機老化不均等問題，目前已經較少采用，系統如圖1所示。

圖1 串聯熱備份

（2）并聯冗余

此種UPS供電方式最大的好處是可以負載均分，其中任意一臺UPS故障，其被切離，UPS系統不用做任何切換，可工作在在線模式上。可以根據負載量，通過增加UPS的方式實現系統容量擴充。系統如圖2所示。

圖2 并聯冗余

（3）雙總線供電方式

此種UPS供電方式，其最大的特點是同時提供兩路互不影響的供電母線，分別提供給雙電源負載，或者通過STS再提供給單電源負載。此方式也很好地消除了單點故障，但限于供電方案中又增加了LBS（同步控制）和STS（雙路切換），因此也增加了故障點。如圖3所示。

2.2 共用48V母線的混合系統解決方案

這種電源系統結構特點是直流負載和交流負載的電源系統都采用-48V母線作為輸入電源。在市電或整流器故障時，由于蓄電池與輸出母排是并聯的，所以-48V母線電源是不間斷的。直流負載由-48V母線直接供電，交流負載經逆變器供電，即用-48V直流電源供電的逆變器代替了UPS。系統如圖4所示。

（1）混合系統解決方案優點：技術成熟，48V電源是真正的不間斷電源，其輸出純凈，所以系統整體穩定性有所提高。不易拉弧，安全性高。

（2）混合系統解決方案缺點：在交流負載的電源鏈中增加了電源變換的次數，且電壓低，電流大，增加了損耗，降低了系統效率。這種電源系統結構僅適用于交流負載為中小功率的情況。

2.3 整流型rAC高壓供電解決方案

以INTELEC 2001年發表的《新電信網絡和服務的最佳新型供電》和2000年發表的《電信和數據通信融合的rAC供電技術的新研究》為代表。rAC供電系統類似傳統的48V直流電源系統中的直流母線由經過整流的母線替代，實際上是脈動的直流。系統由整流橋、高電壓蓄電池組、蓄電池開關、充電機等組成。這種rAC供電系統的輸入諧波電流抑制和功率因數需要補償，須在rAC母線上并聯連接諧波抑制器。系統如圖5所示。

圖5 整流型rAC高壓供電

（1）rAC高壓供電解決方案的優點：在整個供電電路中只有一個變換級，損耗小，效率高；蓄電池充電機只用于給蓄電池離線充電，因此容量較小，成本低。

（2）rAC高壓供電解決方案的缺點：采用用電壓較高， 安全標準要求高；采用單體蓄電池數量較多，要求進行更嚴格的蓄電池管理。

2.4 高壓直流供電的可行性探討

數據設備內部電源狀況是計算機主機、顯示器、打印機等電氣設備的內部電源都是開關電源，將輸入的交流220V先整流、濾波成直流300V后，再通過電源開關管和開關變壓器降壓、穩壓成低壓，為各部分提供電源。一般交流電壓在110V～250V之間，通過整流、濾波后直流電壓為150V～340V之間。因此，給這些設備輸入一個150V～340V直流電壓，設備是可以正常工作的。綜合考慮，額定電壓在228V～280V（后備12V電池19只或20只）范圍內直流電通過橋式整流電路、濾波后，仍是直流228V～280V。在150V～340V之間，因此開關電源仍能正常工作，目前的實驗證明數據設備輸入DC 270V左右時效果好。系統圖如圖6所示。

2.4.1 高電壓直流供電系統解決方案一

高電壓直流供方案一的交流輸入、整流電路和蓄電池、充電機與rAC供電系統是相同的。不同的是rAC供電系統將rAC直接集中的大功率DC/DC變換器，再其變換為穩定的高壓DC 270V，日本NTT公司試驗了此系統。如果交流輸入電源故障，由蓄電池經直流開關和大功率DC/DC變換器供給負載設備270V直流電，系統如圖7所示。

（1）此種電源系統的優點：可靠性高、效率高，在負載設備的功率較大時更為突出，成本低。

（2）此種電源系統的缺點：采用單體大功率DC/DC，電壓高，電流大，要求較高的安全標準；采用蓄電池數量多，要求進行更嚴格的蓄電池管理。

2.4.2 高壓直流供電系統解決方案二

此方案是目前國內電信運營商在IDC機房改善供電的試用電源系統，最早的應用在鹽城電信公司，現在一些電信分公司與移動分公司均有試用。與傳統48V供電系統類似，是由多個并聯冗余整流器和蓄電池組成的。在正常情況下，整流器將市電變換為270V直流電，供給電信設備，同時給蓄電池充電。市電停電時，由蓄電池放電為電信設備供電。長時間市電停電時，由備用發電機組供電。與傳統的-48V直流電源系統的一樣，蓄電池備用時間為1～24h，典型的蓄電池備用時間為1～3h。此高壓直流電源系統，在試用中優勢得到較充分的體現，系統如圖8所示。

圖8 高壓直流供電系統解決方案二

（1）此種供電系統的優點

可靠性：電源模塊化輸出和電池直接并聯給負載供電，電池直接并聯到輸出母線上，母線電源是不間斷的。采用分級分布式控制，整流模塊和CSU故障時各自獨立控制，避免故障擴散。

易維護：并機容易，電源模塊化設計，支持帶電熱插拔，更換方便，采用分級分布式控制，整流模塊和CSU可各自獨立控制，便于維護。

智能化管理：此系統與傳統48V直流電源系統一樣，系統管理采用全面的智能化管理模式；對電池部分管理完善，有效延長了電池的使用壽命。

無諧波干擾、易擴容：對于計算機和服務器來說，采用直流輸入，不再存在相位和頻率的問題，多機并聯變得簡單易行，無諧波干擾。

安全性：采用標準電氣柜，對分路輸出和母線的絕緣狀況可進行實時監控，安全性高。

性價比：同樣容量的系統，高壓直流電源系統由于采用N+1模式，投資低，性價比高。

（2）此種供電系統的缺點

此供電系統要求直流專用元器件；對器件滅弧要求由于電壓高，無過零點，對安全性要求高。

2.4.3 高壓直流供電系統解決方案三

高電壓直流供電系統方案三與方案二供電系統是類似的，所不同的是，方案三供電系統增加升壓電路，將直流輸出電壓提高到400V（此種類似的供電系統在移動公司有實驗點，直流電壓350V）。是針對專門的高壓服務器電源，目前此服務器尚在研制之中，由于系統輸出電壓高，對目前大量在使用的服務器有些是不可用的，但由于某些優點突出，可能成為未來的一種發展的趨勢。系統如圖9所示。

圖9 高壓直流供電系統解決方案三

（1）此方案供電系統的優點模塊化供電，電池直接連接負載，母線電源不間斷；電源效率最高，最節能；輸出為直流無率因數與諧波問題，具備最大負載能力；供電電纜最細，節省成本與空間。

（2）此方案供電系統的缺點故障的安裝拆除易造成拉弧；對安全的要求高，器件的要求也高。

3 結束語

電信技術的迅速發展推動了電源設備技術的進步，高電壓直流供電系統方案二與方案三因為其可靠性高，效率高，特別適用于設備功率較大的場合的IDC機房供電。方案二適合于目前的服務器，也是目前IDC機房供電改造相對最適合的方案；方案三可能是一種IDC機房設備供電的發展趨勢。IDC機房最佳供電系統到底是什么，還值得深入探討與研究，最終總會找到一種適合的方案。