數據中心機房高壓直流供電模式研究

周三，朱永平

（湖南郵電職業技術學院，湖南長沙410015）

數據中心機房高壓直流供電模式研究

周三，朱永平

（湖南郵電職業技術學院，湖南長沙410015）

【摘要】隨著大數據時代的到來，數據業務快速增加，通信設備對電源系統安全供電要求不斷提升；長期以來數據中心機房通信設備均由傳統的交流UPS系統供電，而UPS供電模式在可靠性、安全性、經濟性和設備維護等方面凸現出來的問題越來越多，加劇了數據中心機房的供電壓力，增大了安全隱患。文章通過對比傳統UPS供電與高壓直流供電兩種供電模式，分析了高壓直流供電系統在數據中心機房可靠性、節能降耗、維護性方面表現出的使用優勢，提出了適應數據中心機房IT設備供電需要的高壓直流供電解決方案。

【關鍵詞】高壓直流；UPS供電系統；IT設備；可靠性

隨著通信行業的高速發展，大數據時代到來；數據業務快速增長，網絡視聽、電子商務、電子信息等依托基礎網絡的業務拓展迅猛，數據業務市場份額不斷提高；數據中心建設項目不斷增加，數據機房通信設備種類的增多、供電容量的增大，長期以來數據機房多使用UPS供電系統的供電模式，傳統UPS供電系統存在結構復雜、安全性能差、投資大、使用效率低、維護操作及擴容困難等諸多問題。未來數年數據業務還將保持持續高速發展，IT行業還將新增大量的服務器投入運行，UPS供電系統在應用中凸現的問題隨著UPS設備應用規模的擴大越來越突出。在通信行業節能降耗的大背景下，高壓直流供電系統以其高可靠性，低運營成本的優勢替代傳統UPS供電為通信負載供電，已是不可逆轉的趨勢。

1　傳統UPS供電系統存在的問題

1.1可靠性低

在數據中心機房中，常見的UPS供電系統主要有以下幾種：單機系統、1+1雙機并聯冗余系統、雙機主從串聯系統、N+1多機并聯冗余系統，由于通信設備的需要，還有由以上系統組成的雙總線UPS供電系統。交流UPS電源系統，為了保障供電安全重要場合UPS很少有單機工作方式，通過冗余技術可以使其交流UPS設備本身的可靠性大為提高。兩臺以上UPS并聯工作時，既要保證多臺UPS都跟蹤市電的相位、頻率、幅值保持一致，同時還要求多臺UPS之間的相位、頻率、幅值也相互跟蹤、同步，而這些參數

是不斷變化的，所以UPS只有不斷的調整輸出參數才能保障同步運行。實際工作中，隨著市電的不斷變化，以及電子元器件參數的變化，尤其是電子器件的零點漂移，往往在切換供電時造成中斷，這種中斷會給IDC中心的設備運行帶來了巨大的影響和損失。同時針對整個交流UPS供電系統來說，有很多不可備份的系統單點故障點，比如同步并機板、靜態開關、輸出切換開關等，這些單點故障點，都可能導致整個通信系統“掉電”癱瘓。并機冗余工作方式的一個重要結構特點是：并聯中的所有UPS輸出端均是以實線連接在一起的，若其中的一臺出現故障或由于輸出端短路引發故障，將直接影響系統中的所有UPS正常運行，單點引發的故障極易造成系統供電中斷。

1.2維護、擴容難度大

隨著4G牌照的發放，數據業務在運營商業務范疇中占比逐步增大。按照傳統數據機房中負載設備供電模式，會有大量新的交流UPS系統投入運行，也會有大量的在用交流UPS系統擴容改造。由于交流UPS擴容涉及到電源的頻率、電壓、相序、相位、波形等問題，后期帶電擴容或者割接都較為困難。由于交流UPS設備產品更新換代快，使得交流UPS供電系統故障時，故障系統設備備件替換需要設備制造商做支撐，維護工作開展容易受UPS設備制造商制約，數據機房供電系統可維護性降低。目前現網運行的UPS系統已經超齡或接近超齡，按照現在并機工作的模式及供電系統結構，必須中斷通信業務方能進行設備更新，這必將給通信生產帶來極大的影響。

1.3效率低

為保證數據機房IT設備用電的可靠和安全，目前數據機房用傳統交流UPS系統均配置N+1并機冗余模式或2N獨立雙系統模式。由于UPS自身組成的性質決定：輸入級有濾波電感和濾波電容，輸出級又有逆變器、輸出隔離變壓器；電流電壓變換要經過交流變直流，直流再變為交流的雙變換過程，因此工作效率非常的低。以目前數據機房常用的UPS1+1并聯冗余供電方式為例：此種供電方式要求整個供電系統帶載容量不超過單臺UPS額定容量的80％，正常工作模式下兩臺UPS平均分擔負荷，即每臺UPS工作在額定容量的40％，每臺UPS是長期工作在額定容量40％以下的狀態，導致花大量資金購買的設備容量處于閑置富余狀態。在數據機房實際使用中，業務發展是一個漸進的過程，兼顧到建設周期和業務發展需要，前期設計安裝的UPS供電系統容量偏大，而負載容量偏小，由于數據中心機房一般都規模較大，用電量驚人，因而提高供電效率，節省成本支出，也是當前建設數據機房供電系統需首要考慮的問題。

2　數據中心機房采用高壓直流供電系統的原因

隨著通信網絡和數據業務需求的不斷發展，數據中心機房供電系統的安全穩定至關重要，但交流UPS供電系統存在的單點故障點問題始終沒有得到很好解決，因交流UPS供電系統而造成數據中心機房業務癱瘓的通信事故頻頻發生，許多通信業務中斷事故都與UPS供電系統有關。眾所周知，直流不間斷電源系統較交流不間斷電源系統可靠性高，要想從根本上消除因使用交流UPS供電系統而存在的隱患，采用高壓直流供電系統代替交流UPS供電系統是很好的解決途徑之一。

2.1高壓直流供電系統的結構原理

高壓直流供電系統與傳統的-48V直流電源系統原理類似。高壓直流供電系統主要由交流配電單元、整流模塊、直流配電單元、監控模塊、蓄電池、電池管理單元及絕緣監測單元組成，系統結構原理圖如圖1所示。高壓直流供電系統采用多個整流模塊和蓄電池組并聯的浮充工作方式。在240V高壓直流供電系統中，在正常情況下，整流器將市電交流電源變換為270V直流電源，供給數據機房IT設備，同時給蓄電池充電。IT設備需要的其它電壓等級的直流電源，可以采用DC/DC變換器變換得到。市電停電時，由蓄電池釋放出直流電為IT設備供電；長時間市電停電時，由備用發電機組替代市電，提供交流輸入電源。與傳統的-48V直流電源系統的一樣，蓄電池備用時間為1～10h，典型的蓄電池備用時間為1～3h。

圖1　高壓直流供電系統結構原理圖

2.2高壓直流供電系統的優點

1）可靠性高

高壓直流供電系統內整流模塊采用N+1的配置方式，對系統的可靠性幾乎沒有影響。直流電源模塊化輸出和電池組直接并聯給負載供電，后備電池與高壓直流電源后段并聯給服務器構成2路冗余供電，可靠性高，真正不間斷；而且電池組作為系統另外一個備份單元，也可給運維人員提供充足的割接改造等騰挪時間。

2）可操作、維護性強

高壓直流技術中采用了整流模塊模塊化設計，并機容易，并且可以做成系統解決方案，做到安全不間斷割接,支持帶電熱插拔,可快速更換故障模塊，功率部分和監控功能模塊之間正常工作是監控單元控制,故障時各自獨立控制,避免故障擴散。更換模塊和監控單元互不影響，便于維護。UPS一般是一體化，并機相對難度大，并機數量有限，不間斷割接困難，維護也相對困難。高壓直流系統不僅供電設備可以分期建設，而且設備內部還可隨著IT設備上架量不斷增加，逐步按需配置模塊個數。而且直流并機沒有頻率和相位相同的需求，因此并機非常簡單可靠，同樣系統擴容也非常容易。模塊化設計的另外一個重大好處是運維得到了大大解放，而且不再依賴于電源設備制造商的支持。如果發現了故障整流模塊，需要做的只是熱插拔更換故障模塊，簡單、快捷、方便，不影響整個系統的正常運行。

3）安全性高

高壓直流系統和傳統的UPS方案不一樣，采用的是正負極輸出浮地方式，不像-48V通信電源系統采用正極接地方式，也不像傳統UPS采用中線接地方式。由于整流模塊內部輸出安規電容的原因，實際高壓直流系統正負極到大地的電壓都是135V左右，電擊危害程度只相當于工頻交流電的40％。根據人體正常電阻約為6300歐姆左右，誤碰到其中一極的135V直流估算下來的電流不足以對人體造成傷害，況且通常維護人員穿有絕緣鞋等，因此實際即便誤碰到任何一根母排，人體是幾乎沒有感覺的。高壓直流電源系統，是標準電氣柜，安全性高，并且對分路輸出和母線的絕緣狀況實時監控,對人身傷害預警大大提高；UPS非標一體柜，安全性低。采用高壓直流供電系統與交流供電系統相比較，220V/50Hz交流電源對人的危害大。

4）高效節能

高壓直流供電系統較UPS供電系統省掉了一個逆變環節，直流開關系統經過2次變流，電源效率達到92％以上，UPS系統經過4次變流效率一般70％左右，這樣大大節省能源.降低運營成本。高壓直流系統不再采用2N配置，而采用的是系統內部模塊的N+1配置，且可以根據實際負載情況配置合適的整流模塊個數，使整個高壓直流供電系統得到較高的負載率，從而有很高的系統效率。不僅如此，由于高壓直流系統自身具備的節能休眠功能，可以根據實時負載需求開啟合適的工作模塊個數，保證在全負載范圍和機房全生命周期都可實現高效率。

5）投資少

從經濟性方面比較，交流供電系統采用UPS系統冗余的工作方式，設備容量利用率低，投資大；而高壓直流供電系統N+1模塊化結構，供電系統容量可根據當前負載容量配置，后期數據機房負載增加時相應配套增加整流模塊數據即可。在具有相同的可靠性指標時，高壓直流供電可節省投資30％～40％。

3　高壓直流供電系統替代UPS供電系統的供電方案

在數據中心機房為IT設備供電的工程應用中，需要在供電系統的安全性、可靠性與工程投資的經濟性等方面做出取舍。根據IT設備的重要性，可以采用單電源雙路供電或雙電源雙路供電的供電方案，工程設計人員根據數據機房現場IT設備實際情況及負荷重要性等諸多因素靈活選取。

3.1高壓直流系統單電源雙路供電方案

圖2　高壓直流系統單電源雙路供電結構圖

為提高數據中心機房IT負載設備供電可靠性，雙電源輸入要求的IT設備，采用單電源雙路供電方案，如圖2所示?？蓮膯翁赘邏褐绷麟娫聪到y的直流配電A、B輸出母排引入兩路高壓直流，通過兩個直流斷路器輸送給單套IT設備進行供電，系統結構簡單，建設投資小，降低了直流配電輸出斷路器單點故

障率，供電可靠性要比單電源單路供電方案可靠高。

3.2高壓直流雙電源系統雙路供電方案

對于一些要求超高可靠性的數據機房供電系統，可以采用雙系統雙路供電方案來供電，如圖3所示。這種配置方式下供電可靠性非常高，實現了2*(N+1)配置，還有兩路電池直接掛在母線上，消除了系統的單點故障瓶頸，達到了運營商骨干網的可靠性等級。這種方式可靠性非常高，但不足之處是供電系統正常運行時帶載率低，冗余度較大，投資成本大。

考慮數據中心機房高壓直流供電系統的結構特點，單電源雙路供電方案可為數據機房供電系統提供足夠的供電可靠性，故在常規機房中作為優選方案推薦選用；對供電可靠性要求更高的機房，能接受相對較低的供電設備利用率的情況下，可選用雙電源雙路供電方案。

圖3　高壓直流系統雙電源雙路供電結構圖

4　結束語

隨著數據中心技術的發展以及降低運營成本和節能減排的需求，數據中心機房引入高壓直流供電系統有效解決了UPS系統存在的可靠性低、使用效率低、維護困難、前期投資大、資源占用大的問題，用高壓直流系統為IT設備供電，整個生命周期內平均節能20％～30％，平均節省投資超過40％，值得大范圍推廣使用。隨著高壓直流供電方案在大型的互聯網數據中心等場合的越來越廣泛應用，將逐步成為未來數據中心供電的趨勢。

【參考文獻】

[1]王明皓，王久海.通信用240V直流供電系統替換UPS系統的分析與展望[J].應用技術與研究，2013（5）:50-51.

[2]馬也聘.通信行業數據機房采用高壓直流供電模式的探討[J].通信電源技術，2013（1）:61-64.

[3]孫義波，侯福平.通信用240V直流供電技術探討[J].電信技術，2009(9)：23-25.

[4]艾默生公司.數據機房高壓直流供電技術應用動態及展望[J].艾默生網絡能源技術，2010(1).

[5] Q/CT2462-2012.中國電信240V直流電源供電設備技術要求[Z].

Research on high-voltage DC power supply mode of data center room

ZHOU San, ZHU Yong-ping
(Hunan Post and Telecommunication College, Changsha, Hunan, China 410015)

Abstract：With the coming of the big data era, data business is growing rapidly and the communications equipment requires a more secure power supply system. For a long time, the data center room has been supplied power by the traditional AC UPS system, while the UPS power supply mode shows more and more problems such as its reliability, safety, economy and equipment maintenance which increase the potential safety hazards. By comparing the traditional UPS power supply mode with the high-voltage DC power supply mode, this paper analyzes the advantages of the latter in reliability, energy-saving and maintenance. The paper puts forward the solution which suits the needs of the IT equipment in the data center.

Keywords：high-voltage direct current; UPS power supply system; IT equipment; reliability

[作者簡介]周三（1983-），男，湖南寧遠人，湖南郵電職業技術學院講師,研究方向：通信電源、通信工程。

[基金項目]2014年度湖南郵電職業技術學院課題“通信機房高壓直流供電技術應用研究”（2014BZ06）。

[收稿日期]2015-10-26

【中圖分類號】TN86

【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-7661（2015）04-0029-04

【doi:10.3969/j.issn.2095-7661.2015.04.008】