IDC機(jī)房交直流供電體制的分析

劉 浩，王瑞琦，張彥坡

（河南省信息咨詢設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

隨著IT技術(shù)的不斷進(jìn)步，不同規(guī)模的數(shù)據(jù)中心陸續(xù)在各地區(qū)建立。局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等形成了廣闊的信息通道為人類信息傳輸工作提供了基礎(chǔ)。在這些通道實(shí)際使用中IDC機(jī)房有著非常重要的意義。IDC機(jī)房可以完成大量數(shù)據(jù)的儲存以及傳輸，為互聯(lián)網(wǎng)提供高速寬帶的增值業(yè)務(wù)。當(dāng)前很多應(yīng)用于IDC機(jī)房內(nèi)部的計(jì)算機(jī)設(shè)備在供電時(shí)允許的瞬間中斷時(shí)間范圍僅為15～20 ms。IDC機(jī)房提供電能的UPS電源系統(tǒng)在應(yīng)用的過程當(dāng)中一旦由于某種因素的影響發(fā)生超過0.02 s以上的供電中斷故障則會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，進(jìn)而對人們的日常生活造成極為嚴(yán)重的影響。大量實(shí)踐表明，網(wǎng)絡(luò)一旦出現(xiàn)癱瘓，要想使其重新恢復(fù)正常工作往往需要消耗幾十秒甚至幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間。

IDC機(jī)房設(shè)備時(shí)常是使用交流電源為其進(jìn)行供電，能否將IDC機(jī)房設(shè)備改為直流供電？因?yàn)橹绷鞴╇姺绞皆趹?yīng)用的過程中更加安全，且需要投入的資金量非常小。文章從IDC機(jī)房設(shè)備的用電特性著手，對 UPS和開關(guān)電源的供電特性進(jìn)行分析，最后得到IDC機(jī)房設(shè)備利用直流電源進(jìn)行供電操作的條件。

1 計(jì)算機(jī)設(shè)備的用電特性

IDC機(jī)房內(nèi)部的設(shè)備分為兩大類型，即計(jì)算機(jī)設(shè)備以及非計(jì)算機(jī)類設(shè)備。計(jì)算機(jī)設(shè)備由于具有非常強(qiáng)大的分析計(jì)算能力，因此在IDC機(jī)房中占據(jù)的比例非常大，占整體比重的70%以上。考慮到這一點(diǎn)，在改變供電體制的過程當(dāng)中，需要重點(diǎn)對計(jì)算機(jī)設(shè)備的用電特性進(jìn)行研究。只有這樣才能有效保障改變供電體制之后，IDC機(jī)房內(nèi)部各類設(shè)備的功能發(fā)揮不受影響。

計(jì)算機(jī)作為一種最典型的容性負(fù)載，在實(shí)際應(yīng)用的過程當(dāng)中產(chǎn)生的功率因數(shù)一般比較低。一般而言，普通計(jì)算機(jī)的功率因數(shù)為0.6～0.7，而一些巨型計(jì)算機(jī)的功率因數(shù)大致在0.7～0.8。這些參數(shù)無不表明計(jì)算機(jī)類的設(shè)備在應(yīng)用的過程當(dāng)中，無需較大的無功功率便可以正常運(yùn)作。如果說計(jì)算機(jī)在使用的過程當(dāng)中經(jīng)過綜合考慮之后發(fā)現(xiàn)要想使其保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要的有功功率為300 W，則輸入的功率必須達(dá)到300 W/0.7=428.6 W。而對于計(jì)算機(jī)來說，要想使其內(nèi)部各類元器件的正常使用則需要消耗大約為129 W的無功功率。通過這些數(shù)據(jù)的分析可知，計(jì)算機(jī)設(shè)備在實(shí)際使用的過程當(dāng)中對于無功功率的需求相對比較大[1]。

計(jì)算機(jī)設(shè)備屬于容性負(fù)載，在使用的過程中要求電流的波峰系數(shù)相對較高。波峰系數(shù)實(shí)際上指的是負(fù)載的峰值電流與方均根值電流的比值。一般為了維持計(jì)算機(jī)設(shè)備的使用，波峰系數(shù)值應(yīng)當(dāng)保持在1.44以上。而UPS在使用時(shí)波峰系數(shù)大致為2～3。由此可知，UPS設(shè)備可以為計(jì)算機(jī)提供其使用所需要的電流和電壓。一旦計(jì)算機(jī)設(shè)備的上級電源在運(yùn)行的過程中產(chǎn)生電壓的波峰系數(shù)維持在計(jì)算機(jī)啟動以及后續(xù)使用所需電源范圍之內(nèi)之后，計(jì)算機(jī)電源的實(shí)際使用效率會大幅度提高，且發(fā)熱量大大降低[2]。

計(jì)算機(jī)內(nèi)部集成了多種類型的元器件，不同類型的元器件對電壓需求各有區(qū)別。計(jì)算機(jī)設(shè)備內(nèi)部組成器件在使用中所需要供應(yīng)的電壓大致可以分為幾個(gè)不同的等級，分別有12 V、5 V、3.3 V等。由此可見，計(jì)算機(jī)設(shè)備對于電源等級的要求相對較高，功耗相對較大，比過去經(jīng)常使用的交換機(jī)消耗的電能更大[3]。

計(jì)算機(jī)在開啟時(shí)為了保障其正常啟動，需要為其供應(yīng)比正常使用電流高1.2～1.5倍的電流值。啟動電流維持時(shí)間非常短暫，因此為了保障計(jì)算機(jī)設(shè)備的正常啟動，上一級電源應(yīng)當(dāng)具有良好的瞬間過載性。如果不具備此特性的話，很有可能在啟動計(jì)算機(jī)的過程當(dāng)中使得上級電源供電裝置的內(nèi)部元器件發(fā)生擊穿燒壞等不良情況[4]。

2 UPS設(shè)備的供電特性

UPS是最為常用的機(jī)房交流不間斷電源，其具體的容量大小可以用“KA”進(jìn)行表示。無論是何種類型的UPS，生產(chǎn)廠家對其參數(shù)進(jìn)行標(biāo)明時(shí)不但應(yīng)當(dāng)標(biāo)明其輸出容量，同時(shí)也應(yīng)當(dāng)標(biāo)明功率因數(shù)。根據(jù)功率因素的實(shí)際特性，可以將UPS所擁有的功率系數(shù)進(jìn)一步分為輸入功率因數(shù)以及輸出功率因數(shù)。一般來說為了保障UPS內(nèi)部各類組成部件的正常使用，其輸入功率因數(shù)一般需要維持在0.95以上。輸入功率因數(shù)數(shù)值越高，UPS在使用的過程中對電網(wǎng)的適應(yīng)能力越強(qiáng)。而輸出功率因數(shù)一些主流的UPS廠商會將其設(shè)置為0.8。

有功功率、無功功率以及視在功率這三者之間的關(guān)系可以用下式表示：

無功功率平方+有功功率平方=視在功率平方（1）

由此不難發(fā)現(xiàn)主流 UPS廠商所生產(chǎn)的UPS無功功率因數(shù)默認(rèn)值為0.6。當(dāng)然在實(shí)際使用的過程當(dāng)中，輸出功率因數(shù)這一數(shù)值很多情況下都是根據(jù)負(fù)載的特性最終確立的。一般計(jì)算機(jī)負(fù)載的功率因數(shù)在0.6～0.7這一范圍之內(nèi)[5]。因此當(dāng)UPS設(shè)備需要帶載計(jì)算機(jī)設(shè)備時(shí)，輸出功率因數(shù)一般也為0.6～0.7，其余輸出均為計(jì)算機(jī)設(shè)備正常工作時(shí)所產(chǎn)生的無功功率。通過這樣的設(shè)置方式，可以使UPS設(shè)備更好地滿足非線性負(fù)載。圖1為UPS原理圖。

圖1 UPS原理圖

一些主流廠家由于其生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)勢，生產(chǎn)的UPS過載能力已經(jīng)高達(dá)130%。這一優(yōu)勢可以很好地滿足有瞬間大電流需求的設(shè)備[6]。

很多容量較大的UPS設(shè)備，為了保障其使用壽命以及在使用中的安全性能，技術(shù)人員會為其加裝隔離變壓器。雖然隔離變壓器的加裝會在一定程度上降低UPS設(shè)備的使用效率，但是通過隔離變壓器可以保障UPS內(nèi)部器件的安全使用。

一些容量較大的UPS設(shè)備，在使用時(shí)負(fù)荷電流甚至可以高達(dá)幾百安培。這時(shí)無論是何種電流及電壓的動態(tài)峰值都會對UPS設(shè)備內(nèi)部的IGBT逆變器以及其他設(shè)備的正常使用產(chǎn)生影響。例如由于負(fù)載中部分感性負(fù)載突然減載將導(dǎo)致線路上出現(xiàn)電壓的瞬態(tài)峰值。而IGBT器件的安全系數(shù)相對較低，很難承受較大的瞬態(tài)峰值，這時(shí)很有可能導(dǎo)致IGBT元器件的損壞。而有了隔離變壓器則可以降低IGBT發(fā)生損壞的概率。隔離變壓器可以將負(fù)載與UPS設(shè)備完全隔離開來。電壓尖峰經(jīng)過隔離變壓器之后，可以部分甚至是完全消除。通過隔離變壓器作用的正常發(fā)揮可以將零地電壓從7～8 V降到1 V以下。這一操作對于減少下端設(shè)備誤碼率有著非常好的幫助[7]。

為了更好地說明UPS與IDC機(jī)房設(shè)備的選擇以及匹配關(guān)系，舉例說明：假設(shè)IDC機(jī)房內(nèi)部設(shè)備功率需求為60 kV·A，在這60 kV·A的需求當(dāng)中，有40 kV·A設(shè)備為計(jì)算機(jī)設(shè)備，功率因數(shù)為0.65。另外20 kV·A的設(shè)備功率因數(shù)為0.7。表1為設(shè)備功率匹配表。

表1 設(shè)備功率匹配表

如果IDC設(shè)備在應(yīng)用的過程當(dāng)中根據(jù)以上功率因數(shù)對其進(jìn)行匹配，那么最終使用的UPS容量為60 kV·A。而功率因數(shù)在實(shí)際使用中數(shù)值為0.67，并非按照廠商設(shè)置的0.8這一標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行工作的。除此之外，由于計(jì)算機(jī)設(shè)備本身的使用特性，其啟動電流一般都較正常使用電流大得多。因此 UPS設(shè)備本身所具備的過載能力可以滿足計(jì)算機(jī)設(shè)備啟動需求。一般而言，UPS設(shè)備最大的過載性能為其輸出電流的2.33倍，這充分說明 UPS設(shè)備的工作特性與IDC機(jī)房內(nèi)部設(shè)備的功率特性相互吻合[8]。

3 開關(guān)電源的供電特性

開關(guān)電源是實(shí)際用電過程中最為常用的一類直流電源系統(tǒng)。直流電電源開關(guān)為一個(gè)具備高頻率的IGBT器件，在使用中不具備超載能力。一旦其在使用的過程中承擔(dān)的載荷超出其額定的范圍，很容易導(dǎo)致其內(nèi)部電路出現(xiàn)破壞。

開關(guān)電源的功率因數(shù)非常高，其在出廠之前便由技術(shù)人員結(jié)合其后續(xù)使用場景對其內(nèi)部進(jìn)行了設(shè)定，且這一數(shù)值不會隨著帶載負(fù)荷功率因數(shù)的變化而變化。這一設(shè)備對于非線性負(fù)載并不具備良好的匹配性。由于IDC機(jī)房內(nèi)設(shè)備的功率因數(shù)相對較低，因此應(yīng)用于IDC機(jī)房設(shè)備的電源設(shè)備在使用時(shí)必須提供可以滿足復(fù)雜需要的有功及無功功率。

48 V的直流電當(dāng)以大電流的方式在相對較長的輸電線路中進(jìn)行傳輸時(shí)，導(dǎo)線中將會耗費(fèi)大量的電能。為了全面減少導(dǎo)線對電能的消耗，只能通過加大電纜直徑或者是增加電纜的根數(shù)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，無疑會大大增加電纜建設(shè)中需要投入的資金。使用開關(guān)電源作為IDC設(shè)備的供電電源，為了減少資金投入量，提高開關(guān)電源使用壽命是關(guān)鍵。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)在各組設(shè)備內(nèi)增加功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，這種做法將會極大地占用主設(shè)備的空間，進(jìn)而使主設(shè)備的安裝位置縮小。

4 IDC機(jī)房直流供電條件

只有在以下兩種情況都能夠得到有效滿足的情況下才可以使用直流開關(guān)電源為IDC設(shè)備進(jìn)行供電操作：

第一，電源與用電設(shè)備的距離足夠近，超過30 m的話就不應(yīng)當(dāng)考慮使用直流開關(guān)電源作為IDC設(shè)備的供電裝置。

第二，用電設(shè)備有很好的功率因素補(bǔ)償設(shè)備，且補(bǔ)償設(shè)備的用電特性與開關(guān)電源的供電特性相互匹配。

5 結(jié) 論

經(jīng)過上述分析不難發(fā)現(xiàn)，由于UPS電源的供電特性與以及IDC設(shè)備的用電特性所具有的差別，UPS設(shè)備更加適合用來做IDC設(shè)備的供電電源。因此，對于IDC機(jī)房來說，采取必要的方式對其進(jìn)行供電操作可以有效保障設(shè)備的安全運(yùn)行。