DC240V直流供电系统在模块化机房中的应用

1、前言

       当今科学技术发展日新月异，信息技术已成为企业主要核心竞争力之一，是保障业务持续稳定发展的重要手段，数据中心则是信息技术提供运行的关键基础设施平台。以电信和金融等行业为首的数据中心，经过近几年大规模的建设和运营，在基础配套设施上陆续暴露出一些弊端：占地面积大、能源消耗高，维护管理难，成本居高不下等，如何建设新一代数据中心的，立足现有资源，长远规划未来的理念已成为业内关注的重点。为此，业界提出了数据机房模块化的规划，很好的解决了上述传统机房的弊端。

       然而，相对数据中心的模块化发展，供电保障基本没有发生质的变化，还是沿用传统UPS供电模式。这种传统的UPS供电模式的可靠性、安全性及高耗能等方面凸现的问题越来越多。成为模块数据机房的发展中的一个瓶颈，为了解决这一难题，本文提出一种新的解决方案：模块化数据中心+高压直流供电，使得数据中心建设最大限度规避传统机房的弊端。 

      模块化机房是把IT机柜、空调、配电柜、布线柜整合在一起并柜，在顶部加盖天窗，两侧加装封闭通道门，形成密闭通道，解决高密度的散热问题，实现智能管理、高密部署、绿色节能、柔性扩展的整合方案，参见图1。

图1 模块化整合方案

2、 传统的UPS供电

       ⑴ 传统UPS供电方案
       服务器设备一般采用交流电源输入，电压为220V，50Hz的单相交流电源，因此IDC机房一般采用交流UPS供电方案。UPS供电系统由整流器、逆变器、蓄电池和静态开关等组成。在市电正常时，市电交流电源经整流器变换为直流电供给逆变器，同时给蓄电池充电，逆变器将直流电变换为50Hz交流电供给负载。在停电时，蓄电池放出电能，通过逆变器变换为交流电，供给负载。UPS供电系统的基本结构如图2所示。

 图2 传统的UPS供电方案

       为了提高设备供电的可靠性，通常采取多台UPS 冗余并机的方式，即N＋1 系统。对于一些重要的双电源负载，采用两套（N＋1）UPS 系统并联组成双系统双总线冗余供电方案，这种供电方案安全可靠性相当高。
       ⑵ UPS供电系统的缺点
       ① 负载率低，设备利用率不高
为了提高可靠性，多机并联，负载率低，使设备的实际使用率低下。例如1+1冗余的UPS最大负载率也不过是50%，同时低负载率也带来了低效率。
       ② 系统存在单点故障瓶颈
从图2可直观的看出，电池、逆变器、负载为串联关系，任意一点的单点故障都会带来系统断电的风险。
       ③ 设备维护时间长 
由于不是模块化组装，维护还处于电路板、元器件的水平，造成维护时间长。
       ④ 电池管理能力差，后备电池寿命短
UPS的核心部分是逆变器，其充电器是辅助部分，因此，在充电管理上不如专门设计高频开关电源功能强大。
       ⑤ 标准化难度大
特别是大功率的UPS，生产基本还是手工组装，使每一台设备的离散性大，现场的每一条设备都要单独调试。

3 、高压直流供电方案
       现在，IT设备内部均使用高频开关电源，把外部输入的交流电转化为内部电子电路所用的直流电。最终变换为12V、5V、3.3V的低压直流给IT设备供电，对于前段是否交流供电并无直接关系。IT设备的开关电源，在交流供电和直流供电状态下的基本工作原理如图3所示。

 图3 服务器电源交流、直流供电原理

       ⑴ 高压直流供电的优势
       ① 可靠性提高，整流器和电池并联为后端负载供电。
       ② 系统效率提高，符合节能减排。
       ③ 模块化配置，便于扩容和维护。
       ④ 直流输出，对后端设备无谐波和零地电压问题。
       ⑤ 输入输出完全隔离，使后端负载免受不明干扰。

       ⑵ 直流供电系统替代交流UPS带来的好处
       ① 简化了电路的逆变环节，提高了可靠性，取消交流UPS也就取消了逆变器和与之配套的相关电路，硬件电路简化使故障点大大减少，系统供电可靠性得到大幅提升。
       ② 降低了工程投资和维护费用
       同等的直流电源系统，要比中大型交流UPS系统成本相对较低，维护简单，可操作性强。
       ③ 运营成本大大减少
       在设备运行过程中，电源的维护成本、节能降耗的贡献，使机房的变压器、空调、电能质量的治理等支出成本和运营成本大为降低。
      ④ 多机并联变得简单而容易
       直流整流模块采用(N+M)模式，实现多机冗余备用，故障模块可自动退出，避免引起电源间断；多机并机时各模块单元可自主均流，使系统中的各部件能在负载均衡条件下工作，从而提高了系统中各模块工作的稳定性，保证电源系统的运行稳定性。整流模块可实现热插拔操作，对于系统中故障的模块可在系统不断电情况下进行故障处理或模块更换，而不影响系统的供电，从而简化了系统故障维修过程，使用户更容易操作。直流供电系统采用智能分布式功率分配模式，即将输出功率分配到系统配置的各个电源模块。对比传统的交流UPS电源将所有电源输出功率集中在单台设备的配置模式，直流供电系统供电的可靠性将得到大幅提升。
       ⑤ 系统组态灵活
       整流模块可实现灵活的多机冗余配置模式(N+M)，针对不同规模的用户可灵活组建不同容量的直流后备电源系统，按照后备电源系统的容量需要可分步投资、分布建设。系统可配置为单机系统模式、多机冗余热备用模式、多机冗余冷备用模式等。由于整流模块采用模块化生产，使系统的扩容和维护极为方便。
       ⑥ 智能化电池管理
       对于后备供电系统中常用的铅酸蓄电池组，仍是系统中的薄弱环节，由于酸蓄电池的生产工艺及其自有特性，蓄电池组在使用一段时间后会出现一些问题，如：电池内阻增大、内阻不匹配等，如不能及时处理这些问题，可引起后备电源供电异常，严重时可造成电池组报废。由于目前尚无更好的产品替代铅酸蓄电池，所以在以后较长的一段时间内，后备电源系统中仍将以铅酸蓄电池作为主要电能储存介质。严格按照蓄电池给定参数使用和定期的维护，是解决电池组使用寿命的有效方法，合理、科学地使用和及时的维护可有效地延长蓄电池使用寿命。采用直流供电系统，可对蓄电池实施智能化的充、放电管理。按电池组充电曲线对电池组进行智能化的充电管理和放电维护，大大提高了蓄电池组的使用寿命，同时大大减轻了用户对系统维护的工作量。系统具备的单体电池巡检功能，可对电池组进行实时监控，发现落后单体后立即报警，提醒用户及时处理，可避免故障的进一步扩大，如整组电池报废等。

4 、模块化机房应用

      某机房在建设规划时，采用模块化设计，网络机柜采用高密度机柜设计，以提高机房的利用率，每个网络机柜功率密度10kW，每个模块包含10个网络机柜，每个模块总功率的功耗折合100kW，后备时间15 min。
       ⑴ 规划方案
       机房供电方式采用每个数据模块用一套电源供电，位置布局见图4，供电原理图见图5 。
       其优点如下：
       ① 分散供电，降低风险；
       ② 区域划分，便于电源管理；
       ③ 适应性强，电源化整为零，容易实现最佳配置。

图4  位置布局图

图5  供电原理图

       ⑵ 系统配置
       ① 交流屏一个：两路交流输入，具备总电压、电流、电量统计、RS485输出 。
           柜体尺寸：200mm（深）*800mm（宽）*2200mm（高）
       ② 整流屏一个：两路交流，ATS输入。整流模块规格：6kW模块配置30个，容量满足150kW输出需要。
           柜体尺寸：1200mm（深）*600mm（宽）*2500mm（高）
       ③ 直流屏一个。
           柜体尺寸：200mm（深）*400mm（宽）*2200mm（高）

5 、结语

       模块化数据中心的建设方式提高了系统的安全性和可靠性，效能解决是目前大多数数据中心面临的问题，这种构建方式将会在新一代数据中心整体规划中得到广泛应用。2012年2月1日，高压直流电源的行业标准《YDT2378-2011通信用240V直流供电系统》正式发布实施，为高压直流电源在通信行业的应用扫清了最后的障碍，而在模块化数据机房中引进DC240V直流供电系统，以其体积小、重量轻、功耗小、效率高、纹波小、噪音低、易扩容、替换性好、性能稳定、智能化程度高等优良特性，将会为IT行业的供电保障带来一个质的飞跃。