淺談大數據時代通信電源技術的發展趨勢

李小軍

摘 要 數據中心的高功耗IT設備的大規模發展趨勢，對電源空調系統提出了前所未有的挑戰，傳統交流UPS的供電可靠性卻不盡如人意，模塊化UPS將逐步替代塔式UPS，而高壓直流供電系統更有可能在大數據時代獨領風騷。

關鍵詞 數據中心;UPS;高壓直流

1大數據時代的挑戰

通信電源是電信行業的生命之源，是必不可少的基礎網絡資源。

隨著數字經濟的飛速發展，數據中心如雨后春筍般的建成投產，各種高功率密度的服務器、小型機、磁盤陣列等設備在電信機房和數據中心應用得越來越廣泛。由于這類設備功率大、功率密度高，在電源空調資源及機房環境等方面的需求與傳統通信設備有很大差異，使現有通信電源、空調系統的規劃建設和維護管理得到前所未有的發展機遇與挑戰。同時電信網絡的專業化網絡結構已發生重大演變，供電的安全可靠性已向廣度和深度方向發展，供電保障已延伸至很多由IT設備構建的業務平臺的用電保障，如CRM系統、集中計費系統、10000號系統、綜合結算系統 、網上營業廳等系統。

2通信電源的發展趨勢

通信電源標準可以規范通信電源的設備制造、系統建設和運行維護，鼓勵技術創新，淘汰落后技術，達到有法可依、有據可查的作用。面對數據中心向高功耗和高功率密度發展的趨勢，應及早研究制定相應的技術規范，從源頭上規范產品設計、采購，通信工程的設計、施工和優化后期的維護管理。

數據中心、通信樞紐樓內的IT設備的用電需求急劇增加，勢必對原供電系統造成安全威脅，增加運營的電費成本。過去在一個供電系統中配置2-3臺變壓器已算大系統了，而今一個機房、一種業務都有可能獨占一臺變壓器、獨配一套發電機組。供配電系統有相對集中轉向相對分散的趨勢，為縮短配電路由的長度，減少線路損耗，變壓器進了通信主樓，高壓柴油發電機組因為便于大容量并機和遠距離供電，特別適合大容量數據中心的分散供電。

通信設備原本以使用48V直流電源為主，但隨著大數據時代的互聯網應用的迅猛發展，使用的交流電源服務器、路由器的大量增加，交流UPS供電模式從一個非通信的供電模式進入到了通信專用供電行列，但其供電的可靠性卻令人擔憂。

傳統塔式交流UPS的系統復雜，單系統的可靠性只有0.87，但單系統容量有的已超過1200 KVA，由于系統容量過大，一旦出現系統供電故障，其影響面將非常大，這與電信行業所倡導的分散供電方式相悖，所以數據中心采用分散供電應成為主導模式，應限制UPS單機額定容量不超過400KVA，單系統的額定容量不宜超過800KVA。

雖然傳統UPS可以采用雙系統和A B雙路供電來提升可靠性，但提升空間有限而且代價過高，模塊化交流UPS和高壓直流系統將逐步替代臃腫龐大的N+1 UPS供電系統，而未來十年高壓直流供電系統更可能在大數據時代獨領風騷。目前國內主流高壓直流系統有240V和336V兩種標準，它的兼容性很強，如果平臺系統或者通信設備有主、備用兩套系統，主用設備可改為高壓直流系統供電，備用系統繼續使用原有的交流UPS系統供電。同一個IT設備如有主備兩個電源模塊，則可以采用主電源模塊直接接到交流市電，備用電源模塊接入到高壓直流系統供電。

由于數據中心的功耗劇增，連帶機房專用空調的用電等級將由B類向A類逼近。由于數據中心內的專用服務器、路由器耐高溫特性差，大于30分鐘的空調系統關停將會導致機房溫度急劇上升，可能造成通信設備的癱瘓。嚴格的溫控需求將不允許專用空調有較長時間停電，迫使自備電源的響應時間、承載能力全面提升，這不但要求自備發電機組的發電響應時間在5～10分鐘以內，而且還要能同時承載通信設備和空調設備用電，如有必要還需增加配置專用UPS給空調風機。

另外，科學的變配電技術將得到廣泛應用，高阻配電將逐步消失，二次配電將成為普遍配電現象，配電系統的頭、尾柜，A B雙路配電將被大量應用。

3高壓直流系統的比較優勢

傳統塔式交流UPS采用串聯型結構， 在掉電時電池需要通過逆變器和靜態轉換開關向負載供電。單系統可靠性為 0.975（電池組）ⅹ0.9（逆變器）ⅹ0.99（靜態開關）=0.867，而且UPS在維護管理中對硬件失效是難以可預見的，也很難檢測到，具有突發性故障的隱患。

UPS系統中還有兩個諧波源，降低了輸入功率因數和設備容量利用率，還需增加濾波設備，能源需經過兩次轉換才向負載供電，從而降低了轉換效率。如采用UPS冗余、系統雙總線配置等手段來提高可靠性，不但增加了系統的復雜性，增加了設備成本，系統整體效率僅在80%～85%左右。由于傳統交流UPS有上述的可靠性低，系統效率低，建設成本高，維護困難，擴容難度大的缺點，已經難以適應大數據時代提出的挑戰。

因為高壓直流系統的電池組直接向負載供電，系統一般配置兩組或多組蓄電池組，25節12V單體電池串聯電池組的可靠度為0.99925=0.975，如采用兩組獨立電池組并聯，則系統的可靠性提高到R=[1-（1-R1）x（1-R2） ] =1-（1-0.975）2=0.99938。這種并聯結構不但可以在運行時也能更換故障電池，而且電池故障隱患還具備可預見、非突發性特征，諸如電池鼓脹漏液、電池容量不足、電池浮充電壓均勻性差等故障隱患都是容易被測量和觀察到的，而且這些隱患是一個漸變的過程，不具備突發性，這種可維護性對系統可靠性有決定性的作用。

高壓直流系統還省掉逆變轉換和靜態開關，簡化了結構，降低了設備成本，電池能量利用率還提升了10%，輸入諧波電流降到小于5%，輸入功率因數提高到0.99，這樣不但可降低上游設備和供電線路的容量，還省掉了濾波設備，相比傳統UPS的系統總效率將提高10-12%，比冗余并機UPS系統更是提高了18-25%，從而降低了運營總成本。由于系統不存在頻率同步、環流問題，冗余并機簡單可靠，可很方便構建N+1模塊化系統，這樣就提升了工程部署速度和靈活擴展能力。

綜上所述，高壓直流供電系統結構簡化，可靠性提升到接近“十個9”，同時可維護性大大提高，相比UPS系統的投資減少了30%～40%，節能20%以上，這是傳統交流UPS和模塊化UPS所不具備的獨特優勢，也是其在大數據時代逐步替代交流UPS的根本原因。