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

   關(guān)鍵詞：直流電源供電 模塊化數(shù)據(jù)機(jī)房 安全性 可靠性

   1前言

   當(dāng)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(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要手段，數(shù)據(jù)中心則是信息技術(shù)提供運(yùn)行的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)。以電信和金融等行業(yè)為首的數(shù)據(jù)中心，經(jīng)過近幾年大規(guī)模的建設(shè)和運(yùn)營，在基礎(chǔ)配套設(shè)施上陸續(xù)暴露出一些弊端：占地面積大、能源消耗高，維護(hù)管理難，成本居高不下等，如何建設(shè)新一代數(shù)據(jù)中心的，立足現(xiàn)有資源，長遠(yuǎn)規(guī)劃未來的理念已成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)。為此，業(yè)界提出了數(shù)據(jù)機(jī)房模塊化的規(guī)劃，很好的解決了上述傳統(tǒng)機(jī)房的弊端。

   然而，相對(duì)數(shù)據(jù)中心的模塊化發(fā)展，供電保障基本沒有發(fā)生質(zhì)的變化，還是沿用傳統(tǒng)UPS供電模式。這種傳統(tǒng)的UPS供電模式的可靠性、安全性及高耗能等方面凸現(xiàn)的問題越來越多。成為模塊數(shù)據(jù)機(jī)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(shù)據(jù)中心+高壓直流供電，使得數(shù)據(jù)中心建設(shè)最大限度規(guī)避傳統(tǒng)機(jī)房的弊端。 

   模塊化機(jī)房是把IT機(jī)柜、空調(diào)、配電柜、布線柜整合在一起并柜，在頂部加蓋天窗，兩側(cè)加裝封閉通道門，形成密閉通道，解決高密度的散熱問題，實(shí)現(xiàn)智能管理、高密部署、綠色節(jié)能、柔性擴(kuò)展的整合方案，參見圖1。

       
                                 圖1 模塊化整合方案

    2 傳統(tǒng)的UPS供電

   ⑴ 傳統(tǒng)UPS供電方案

     服務(wù)器設(shè)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(jī)房一般采用交流UPS供電方案。UPS供電系統(tǒng)由整流器、逆變器、蓄電池和靜態(tài)開關(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(fù)載。在停電時(shí)，蓄電池放出電能，通過逆變器變換為交流電，供給負(fù)載。UPS供電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

          
                             圖2 傳統(tǒng)的UPS供電方案

    為了提高設(shè)備供電的可靠性，通常采取多臺(tái)UPS 冗余并機(jī)的方式，即N＋1 系統(tǒng)。對(duì)于一些重要的雙電源負(fù)載，采用兩套（N＋1）UPS 系統(tǒng)并聯(lián)組成雙系統(tǒng)雙總線冗余供電方案，這種供電方案安全可靠性相當(dāng)高。

    ⑵ UPS供電系統(tǒng)的缺點(diǎn)

    ① 負(fù)載率低，設(shè)備利用率不高

    為了提高可靠性，多機(jī)并聯(lián)，負(fù)載率低，使設(shè)備的實(shí)際使用率低下。例如1+1冗余的UPS最大負(fù)載率也不過是50%，同時(shí)低負(fù)載率也帶來了低效率。

    ② 系統(tǒng)存在單點(diǎn)故障瓶頸

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

    ③ 設(shè)備維護(hù)時(shí)間長  

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

    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門設(shè)計(jì)高頻開關(guān)電源功能強(qiáng)大。

    ⑤ 標(biāo)準(zhǔn)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(tái)設(shè)備的離散性大，現(xiàn)場的每一條設(shè)備都要單獨(dú)調(diào)試。

   3 高壓直流供電方案

   現(xiàn)在，IT設(shè)備內(nèi)部均使用高頻開關(guān)電源，把外部輸入的交流電轉(zhuǎn)化為內(nèi)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(shè)備供電，對(duì)于前段是否交流供電并無直接關(guān)系。IT設(shè)備的開關(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(fù)載供電。

    ② 系統(tǒng)效率提高，符合節(jié)能減排。

    ③ 模塊化配置，便于擴(kuò)容和維護(hù)。

    ④ 直流輸出，對(duì)后端設(shè)備無諧波和零地電壓問題。

    ⑤ 輸入輸出完全隔離，使后端負(fù)載免受不明干擾。

    ⑵ 直流供電系統(tǒng)替代交流UPS帶來的好處

    ① 簡化了電路的逆變環(huán)節(jié)，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，硬件電路簡化使故障點(diǎn)大大減少，系統(tǒng)供電可靠性得到大幅提升。

    ② 降低了工程投資和維護(hù)費(fèi)用

   同等的直流電源系統(tǒng)，要比中大型交流UPS系統(tǒng)成本相對(duì)較低，維護(hù)簡單，可操作性強(qiáng)。

   ③ 運(yùn)營成本大大減少

   在設(shè)備運(yùn)行過程中，電源的維護(hù)成本、節(jié)能降耗的貢獻(xiàn)，使機(jī)房的變壓器、空調(diào)、電能質(zhì)量的治理等支出成本和運(yùn)營成本大為降低。

   ④ 多機(jī)并聯(lián)變得簡單而容易

    直流整流模塊采用(N+M)模式，實(shí)現(xiàn)多機(jī)冗余備用，故障模塊可自動(dòng)退出，避免引起電源間斷；多機(jī)并機(jī)時(shí)各模塊單元可自主均流，使系統(tǒng)中的各部件能在負(fù)載均衡條件下工作，從而提高了系統(tǒng)中各模塊工作的穩(wěn)定性，保證電源系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。整流模塊可實(shí)現(xiàn)熱插拔操作，對(duì)于系統(tǒng)中故障的模塊可在系統(tǒng)不斷電情況下進(jìn)行故障處理或模塊更換，而不影響系統(tǒng)的供電，從而簡化了系統(tǒng)故障維修過程，使用戶更容易操作。直流供電系統(tǒng)采用智能分布式功率分配模式，即將輸出功率分配到系統(tǒng)配置的各個(gè)電源模塊。對(duì)比傳統(tǒng)的交流UPS電源將所有電源輸出功率集中在單臺(tái)設(shè)備的配置模式，直流供電系統(tǒng)供電的可靠性將得到大幅提升。

   ⑤ 系統(tǒng)組態(tài)靈活

    整流模塊可實(shí)現(xiàn)靈活的多機(jī)冗余配置模式(N+M)，針對(duì)不同規(guī)模的用戶可靈活組建不同容量的直流后備電源系統(tǒng)，按照后備電源系統(tǒng)的容量需要可分步投資、分布建設(shè)。系統(tǒng)可配置為單機(jī)系統(tǒng)模式、多機(jī)冗余熱備用模式、多機(jī)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(tǒng)的擴(kuò)容和維護(hù)極為方便。

    ⑥ 智能化電池管理

    對(duì)于后備供電系統(tǒng)中常用的鉛酸蓄電池組，仍是系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，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(xiàn)一些問題，如：電池內(nèi)阻增大、內(nèi)阻不匹配等，如不能及時(shí)處理這些問題，可引起后備電源供電異常，嚴(yán)重時(shí)可造成電池組報(bào)廢。由于目前尚無更好的產(chǎn)品替代鉛酸蓄電池，所以在以后較長的一段時(shí)間內(nèi)，后備電源系統(tǒng)中仍將以鉛酸蓄電池作為主要電能儲(chǔ)存介質(zhì)。嚴(yán)格按照蓄電池給定參數(shù)使用和定期的維護(hù)，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(hù)可有效地延長蓄電池使用壽命。采用直流供電系統(tǒng)，可對(duì)蓄電池實(shí)施智能化的充、放電管理。按電池組充電曲線對(duì)電池組進(jìn)行智能化的充電管理和放電維護(hù)，大大提高了蓄電池組的使用壽命，同時(shí)大大減輕了用戶對(duì)系統(tǒng)維護(hù)的工作量。系統(tǒng)具備的單體電池巡檢功能，可對(duì)電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)落后單體后立即報(bào)警，提醒用戶及時(shí)處理，可避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，如整組電池報(bào)廢等。

   4 模塊化機(jī)房應(yīng)用

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

   ⑴ 規(guī)劃方案

    機(jī)房供電方式采用每個(gè)數(shù)據(jù)模塊用一套電源供電，位置布局見圖4，供電原理圖見圖5 。 

   其優(yōu)點(diǎn)如下：

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

   ⑵ 系統(tǒng)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(tǒng)計(jì)、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(guī)格：6kW模塊配置30個(gè)，容量滿足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(jié)語
 
               

   模塊化數(shù)據(jù)中心的建設(shè)方式提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，效能解決是目前大多數(shù)數(shù)據(jù)中心面臨的問題，這種構(gòu)建方式將會(huì)在新一代數(shù)據(jù)中心整體規(guī)劃中得到廣泛應(yīng)用。2012年2月1日，高壓直流電源的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《YDT2378-2011通信用240V直流供電系統(tǒng)》正式發(fā)布實(shí)施，為高壓直流電源在通信行業(yè)的應(yīng)用掃清了最后的障礙，而在模塊化數(shù)據(jù)機(jī)房中引進(jìn)DC240V直流供電系統(tǒng)，以其體積小、重量輕、功耗小、效率高、紋波小、噪音低、易擴(kuò)容、替換性好、性能穩(wěn)定、智能化程度高等優(yōu)良特性，將會(huì)為IT行業(yè)的供電保障帶來一個(gè)質(zhì)的飛躍。