數據中心IT設備供電系統方案探討

2019-11-27 02:40:34楊玲，王麗

通信電源技術 2019年11期

楊玲，王麗

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇南京 210019）

0 引言

互聯網數據中心（Internet Data Center，IDC）是指一種擁有完善的設備（包括高速互聯網接入帶寬、高性能局域網絡以及安全可靠的機房環境等）、專業化的管理、完善的應用的服務平臺。在這個平臺基礎上，IDC服務商為客戶提供互聯網基礎平臺服務（服務器托管、虛擬主機、郵件緩存以及虛擬郵件等）和各種增值服務（場地的租用服務、域名系統服務、負載均衡系統、數據庫系統以及數據備份服務等）[1]。隨著業務的迅速發展，互聯網行業客戶對數據中心資源需求日益旺盛。同時，5G、云計算、大數據等網絡架構的迅速演進及互聯網應用內容的不斷豐富，也產生了大量的IDC機房和帶寬需求。

國內以往建設的IDC機房大多數采用不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）供電。隨著互聯網業務的持續快速發展，IDC機房不斷增多，UPS的應用大大增加，產生故障的頻率也相應增加，使得后期維護人員需要投入很多的精力。同時，UPS效率低會導致大量的電量消耗，增加用戶成本。由于IDC高功率、高集成度服務器設備的大量應用，如何提高能效、提升可靠性、降低成本成為一個趨勢。因此，利用高壓直流電源（High Voltage Direct Current，HVDC）對IT設備供電的新理念應運而生，并逐漸替代了UPS。

1 UPS與HVDC的對比分析

1.1 系統結構對比

UPS主要由整流器、逆變器、蓄電池、靜態開關以及維修旁路等設備組成[2]。市電正常時，整流器將交流市電轉換成直流電，并驅動逆變器向負載提供無干擾的交流電，同時也可為蓄電池充電；當市電異常或中斷時，蓄電池放電，驅動逆變器向負載提供純凈的交流電，對逆變器而言，它的輸入端電壓一直存在，故負載可不間斷供電；當整流器、逆變器以及蓄電池中任何部件故障或者負載故障過載時，由靜態開關將負載轉換至維修旁路。該供電方式結構復雜，效率較低。

HVDC主要由交流屏、整流屏、直流屏以及蓄電池等組成[2]。市電正常時，整流屏將交流市電轉變為高壓直流，再通過直流屏將高壓直流電輸送給通信設備，同時可為蓄電池充電；當市電異常或中斷時，蓄電池放電，為通信設備提供高壓直流電，始終保持設備正常工作。該供電方式只需將交流電整流為直流電，結構簡單且效率高。

1.2 系統可靠性對比

UPS供電系統通常采用并機冗余的工作方式提高系統可靠性，但需要及時對UPS主機采取均流控制和輸出電壓幅值、頻率、相位同步控制。控制對象較多，系統可靠性隨之降低。UPS供電系統的后備電池提供的是直流電源，需要通過逆變器將直流電轉換成交流電，因此若逆變器出現故障，即使市電供應正常，蓄電池組儲能充分，后備發電機組正常工作，也無法為設備供電，導致系統供電中斷。

HVDC供電系統采用直流模塊化工作方式，僅需要各模塊輸出交流幅值同步。HVDC供電系統的后備電池與系統輸出直接并聯，為負載提供雙路冗余供電。若市電或者系統出現故障，后備電池將直接為負載供電，可靠性高。

1.3 系統能耗對比

UPS供電系統包含整流、逆變兩次轉換，效率低。工頻機單機滿載效率約90%，高頻機約95%。確定UPS的基本容量時，應留有余量。按照數據中心設計規范要求，可按UPS容量的83%計算，降低UPS負荷率，但會使系統效率更低，一般在90%以下[4]。

HVDC供電系統直接將交流轉換成直流，減少了逆變過程，相比UPS供電系統，可節省5%左右的電能，電源效率一般在96%以上，相比UPS供電系統效率更高、更節能。

1.4 系統維護對比

UPS供電系統擴容時，需要考慮各UPS主機輸出電壓幅值、頻率以及相位等參數同步，存在較大風險，需要專業人員操作。HVDC供電系統擴容時，只需要考慮電壓幅值，且采用模塊化設計，支持熱插拔，可在線擴容，一般電源維護人員即可操作。

2 240 V與336 V對比分析

2.1 240 V直流系統

（1）240 V直流系統的設備輸入電壓范圍是192～288 V，全程允許最大壓降12 V；

（2）現有IT設備的電源模塊在功能上兼容240 V直流標準。

2.2 336 V直流系統

（1）336 V直流系統的設備輸入電壓范圍是260～400 V，全程允許最大壓降12 V；

（2）現有IT設備的電源模塊需定制，采購及維護成本高。

相比336 V直流系統，240 V直流系統可直接為大多數IT設備供電，不需要改造設備及定制電源模塊，因此240 V直流系統更容易推廣和被客戶接受。

3 案例分析

目前，國內新建的IDC機房，IT設備通常采用以下幾種供電方案[5]：UPS雙電源雙路由供電（UPS 2N）、240 V直流雙電源雙路由供電（240 V 2N）、1路市電+1路240 V直流供電（傳統）和騰訊公司提出的基于1路市電+1路240 V直流供電的微模塊技術。

國內絕大部分IDC機房所在的一線、二線城市電網的可靠性都高于99.9%，因此1路市電+1路240 V直流系統的可靠性與2N UPS系統類似，約10個9數量級。2N240 V直流系統可靠性更高。

選取騰訊標準微模塊所能提供144 kW的容量等級，電池后備時間按系統0.5 h計算，對以上幾種高可靠性供電方案進行對比。

3.1 配置及架構

3.1.1 UPS雙電源雙路由供電（UPS 2N）

新建1套200 kVA 2NUPS系統，含2臺低壓配電柜（單臺配置不少于3個400 A/3P輸出開關）、2臺200 kVA主機、2臺UPS輸出配電柜（單臺配置2個400 A/3P輸入開關）、2臺電池開關柜（單臺配置3個630 A/2P直流開關）、4組150 Ah/480 V蓄電池組和2架交流列柜（單架配置2路250 A/3P輸入開關）。

3.1.2 240 V直流雙電源雙路由供電（240 V 2N）

新建1套800 A/240 V 2N240 V直流系統，含2臺低壓配電柜（單臺配置不少于2個250 A/3P輸出開關）、2臺800 A/240 V整流機架、2臺800 A直流配電柜、2臺電池開關箱（單臺配置2個630 A/2P直流開關）、4組300 Ah/240 V蓄電池組和2架直流列柜（單架配置2路400 A/2P輸入開關）。

3.1.3 1路市電+1路240 V直流供電（傳統）

新建1套市電系統，含1臺低壓配電柜（配置不少于2個250 A/3P輸出開關）、1架交流列柜（配置2路250 A/3P輸入開關）；新建1套800 A/240 V直流系統，含1臺低壓配電柜（配置不少于2個250 A/3P輸出開關）、1臺800 A/240 V整流機架、1臺800 A直流配電柜、1臺電池開關箱（配置2個630 A/2P直流開關）、2組300 Ah/240 V蓄電池組和1架直流列柜（配置2路400 A/2P輸入開關）。

3.1.4 1路市電+1路240 V直流供電（微模塊）

新建1套市電系統，含1臺低壓配電柜（配置不少于1個400 A/3P輸出開關）；新建1套800 A/240 V直流系統，含1臺低壓配電柜（配置不少于1個400 A/3P輸出開關）、1臺800 A/240 V整流機架（配置1個400 A/3P ATS輸入及1個630 A/4P輸出開關）、3臺電池柜（單臺配置1組200 Ah/240 V蓄電池組及1個630 A/2P輸出開關）和1架交、直流配電柜（配置2路400 A/3P輸入開關）。

以上4種供電方案的系統架構圖如圖1所示。

3.2 建設成本

4種供電方案建設成本對比情況，見表1和表2。

通過對比可以發現，UPS 2N交流系統投資最高，240 V 2N直流系統次之，1路市電+1路240 V直流系統的傳統和微模塊供電方式投資相近且最少。240 V 2N直流系統比UPS 2N交流系統節約投資15%，1路市電+1路240 V直流系統比UPS 2N交流系統節約投資46%。

3.3 占地面積

4種供電方案占地面積（含維護通道）對比情況，見表3。

通過對比可以發現，UPS 2N交流系統、240 V 2N直流系統、1路市電+1路240 V直流傳統供電系統及微模塊供電系統占地面積依次減少。240 V 2N直流系統比UPS 2N交流系統節約面積21%，1路市電+1路240 V直流傳統供電系統比UPS 2N交流系統節約面積53%，1路市電+1路240 V直流傳統供電系統比UPS 2N交流系統節約面積77%。