摘要：高壓直流電源供電系統在模塊化數據機房中的應用前景廣泛，本文介紹了該方案的性能特點(diǎn)，與傳統UPS供電方案進(jìn)行了比較，介紹了模塊化數據機房應用案例。

   關(guān)鍵詞：直流電源供電 模塊化數據機房 安全性 可靠性

   1前言

   當今科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，信息技術(shù)已成為企業(yè)主要核心競爭力之一，是保障業(yè)務(wù)持續穩定發(fā)展的重要手段，數據中心則是信息技術(shù)提供運行的關(guān)鍵基礎設施平臺。以電信和金融等行業(yè)為首的數據中心，經(jīng)過(guò)近幾年大規模的建設和運營(yíng)，在基礎配套設施上陸續暴露出一些弊端：占地面積大、能源消耗高，維護管理難，成本居高不下等，如何建設新一代數據中心的，立足現有資源，長(cháng)遠規劃未來(lái)的理念已成為業(yè)內關(guān)注的重點(diǎn)。為此，業(yè)界提出了數據機房模塊化的規劃，很好的解決了上述傳統機房的弊端。

   然而，相對數據中心的模塊化發(fā)展，供電保障基本沒(méi)有發(fā)生質(zhì)的變化，還是沿用傳統UPS供電模式。這種傳統的UPS供電模式的可靠性、安全性及高耗能等方面凸現的問(wèn)題越來(lái)越多。成為模塊數據機房的發(fā)展中的一個(gè)瓶頸，為了解決這一難題，本文提出一種新的解決方案：模塊化數據中心+高壓直流供電，使得數據中心建設最大限度規避傳統機房的弊端。 

   模塊化機房是把IT機柜、空調、配電柜、布線(xiàn)柜整合在一起并柜，在頂部加蓋天窗，兩側加裝封閉通道門(mén)，形成密閉通道，解決高密度的散熱問(wèn)題，實(shí)現智能管理、高密部署、綠色節能、柔性擴展的整合方案，參見(jiàn)圖1。

       
                                 圖1 模塊化整合方案

    2 傳統的UPS供電

   ⑴ 傳統UPS供電方案

     服務(wù)器設備一般采用交流電源輸入，電壓為220V，50Hz的單相交流電源，因此IDC機房一般采用交流UPS供電方案。UPS供電系統由整流器、逆變器、蓄電池和靜態(tài)開(kāi)關(guān)等組成。在市電正常時(shí)，市電交流電源經(jīng)整流器變換為直流電供給逆變器，同時(shí)給蓄電池充電，逆變器將直流電變換為50Hz交流電供給負載。在停電時(shí)，蓄電池放出電能，通過(guò)逆變器變換為交流電，供給負載。UPS供電系統的基本結構如圖2所示。

          
                             圖2 傳統的UPS供電方案

    為了提高設備供電的可靠性，通常采取多臺UPS 冗余并機的方式，即N＋1 系統。對于一些重要的雙電源負載，采用兩套（N＋1）UPS 系統并聯(lián)組成雙系統雙總線(xiàn)冗余供電方案，這種供電方案安全可靠性相當高。

    ⑵ UPS供電系統的缺點(diǎn)

    ① 負載率低，設備利用率不高

    為了提高可靠性，多機并聯(lián)，負載率低，使設備的實(shí)際使用率低下。例如1+1冗余的UPS最大負載率也不過(guò)是50%，同時(shí)低負載率也帶來(lái)了低效率。

    ② 系統存在單點(diǎn)故障瓶頸

    從圖2可直觀(guān)的看出，電池、逆變器、負載為串聯(lián)關(guān)系，任意一點(diǎn)的單點(diǎn)故障都會(huì )帶來(lái)系統斷電的風(fēng)險。

    ③ 設備維護時(shí)間長(cháng)  

    由于不是模塊化組裝，維護還處于電路板、元器件的水平，造成維護時(shí)間長(cháng)。

    ④ 電池管理能力差，后備電池壽命短
UPS的核心部分是逆變器，其充電器是輔助部分，因此，在充電管理上不如專(zhuān)門(mén)設計高頻開(kāi)關(guān)電源功能強大。

    ⑤ 標準化難度大

   特別是大功率的UPS，生產(chǎn)基本還是手工組裝，使每一臺設備的離散性大，現場(chǎng)的每一條設備都要單獨調試。

   3 高壓直流供電方案

   現在，IT設備內部均使用高頻開(kāi)關(guān)電源，把外部輸入的交流電轉化為內部電子電路所用的直流電。最終變換為12V、5V、3.3V的低壓直流給IT設備供電，對于前段是否交流供電并無(wú)直接關(guān)系。IT設備的開(kāi)關(guān)電源，在交流供電和直流供電狀態(tài)下的基本工作原理如圖3所示。

      
                             圖3 服務(wù)器電源交流、直流供電原理  

   ⑴ 高壓直流供電的優(yōu)勢

    ① 可靠性提高，整流器和電池并聯(lián)為后端負載供電。

    ② 系統效率提高，符合節能減排。

    ③ 模塊化配置，便于擴容和維護。

    ④ 直流輸出，對后端設備無(wú)諧波和零地電壓?jiǎn)?wèn)題。

    ⑤ 輸入輸出完全隔離，使后端負載免受不明干擾。

    ⑵ 直流供電系統替代交流UPS帶來(lái)的好處

    ① 簡(jiǎn)化了電路的逆變環(huán)節，提高了可靠性，取消交流UPS也就取消了逆變器和與之配套的相關(guān)電路，硬件電路簡(jiǎn)化使故障點(diǎn)大大減少，系統供電可靠性得到大幅提升。

    ② 降低了工程投資和維護費用

   同等的直流電源系統，要比中大型交流UPS系統成本相對較低，維護簡(jiǎn)單，可操作性強。

   ③ 運營(yíng)成本大大減少

   在設備運行過(guò)程中，電源的維護成本、節能降耗的貢獻，使機房的變壓器、空調、電能質(zhì)量的治理等支出成本和運營(yíng)成本大為降低。

   ④ 多機并聯(lián)變得簡(jiǎn)單而容易

    直流整流模塊采用(N+M)模式，實(shí)現多機冗余備用，故障模塊可自動(dòng)退出，避免引起電源間斷；多機并機時(shí)各模塊單元可自主均流，使系統中的各部件能在負載均衡條件下工作，從而提高了系統中各模塊工作的穩定性，保證電源系統的運行穩定性。整流模塊可實(shí)現熱插拔操作，對于系統中故障的模塊可在系統不斷電情況下進(jìn)行故障處理或模塊更換，而不影響系統的供電，從而簡(jiǎn)化了系統故障維修過(guò)程，使用戶(hù)更容易操作。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。對比傳統的交流UPS電源將所有電源輸出功率集中在單臺設備的配置模式，直流供電系統供電的可靠性將得到大幅提升。

   ⑤ 系統組態(tài)靈活

    整流模塊可實(shí)現靈活的多機冗余配置模式(N+M)，針對不同規模的用戶(hù)可靈活組建不同容量的直流后備電源系統，按照后備電源系統的容量需要可分步投資、分布建設。系統可配置為單機系統模式、多機冗余熱備用模式、多機冗余冷備用模式等。由于整流模塊采用模塊化生產(chǎn)，使系統的擴容和維護極為方便。

    ⑥ 智能化電池管理

    對于后備供電系統中常用的鉛酸蓄電池組，仍是系統中的薄弱環(huán)節，由于酸蓄電池的生產(chǎn)工藝及其自有特性，蓄電池組在使用一段時(shí)間后會(huì )出現一些問(wèn)題，如：電池內阻增大、內阻不匹配等，如不能及時(shí)處理這些問(wèn)題，可引起后備電源供電異常，嚴重時(shí)可造成電池組報廢。由于目前尚無(wú)更好的產(chǎn)品替代鉛酸蓄電池，所以在以后較長(cháng)的一段時(shí)間內，后備電源系統中仍將以鉛酸蓄電池作為主要電能儲存介質(zhì)。嚴格按照蓄電池給定參數使用和定期的維護，是解決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。采用直流供電系統，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。系統具備的單體電池巡檢功能，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。

   4 模塊化機房應用

    某機房在建設規劃時(shí)，采用模塊化設計，網(wǎng)絡(luò )機柜采用高密度機柜設計，以提高機房的利用率，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )機柜功率密度10kW，每個(gè)模塊包含10個(gè)網(wǎng)絡(luò )機柜，每個(gè)模塊總功率的功耗折合100kW，后備時(shí)間15 min。

   ⑴ 規劃方案

    機房供電方式采用每個(gè)數據模塊用一套電源供電，位置布局見(jiàn)圖4，供電原理圖見(jiàn)圖5 。 

   其優(yōu)點(diǎn)如下：

① 分散供電，降低風(fēng)險；
② 區域劃分，便于電源管理；
③ 適應性強，電源化整為零，容易實(shí)現最佳配置。
 
               
                                 圖4 位置布局圖
  
              
                                         圖5 供電原理圖  

   ⑵ 系統配置

   ① 交流屏一個(gè)：兩路交流輸入，具備總電壓、電流、電量統計、RS485輸出 。

   柜體尺寸：200mm（深）*800mm（寬）*2200mm（高） 

   ② 整流屏一個(gè)：兩路交流，ATS輸入。整流模塊規格：6kW模塊配置30個(gè)，容量滿(mǎn)足150kW輸出需要。

   柜體尺寸：1200mm（深）*600mm（寬）*2500mm（高） 

   ③ 直流屏一個(gè)。

   柜體尺寸：200mm（深）*400mm（寬）*2200mm（高）

   5 結語(yǔ)
 
               

   模塊化數據中心的建設方式提高了系統的安全性和可靠性，效能解決是目前大多數數據中心面臨的問(wèn)題，這種構建方式將會(huì )在新一代數據中心整體規劃中得到廣泛應用。2012年2月1日，高壓直流電源的行業(yè)標準《YDT2378-2011通信用240V直流供電系統》正式發(fā)布實(shí)施，為高壓直流電源在通信行業(yè)的應用掃清了最后的障礙，而在模塊化數據機房中引進(jìn)DC240V直流供電系統，以其體積小、重量輕、功耗小、效率高、紋波小、噪音低、易擴容、替換性好、性能穩定、智能化程度高等優(yōu)良特性，將會(huì )為IT行業(yè)的供電保障帶來(lái)一個(gè)質(zhì)的飛躍。