数据中心机房高压直流供电模式研究

周三，朱永平

（湖南邮电职业技术学院，湖南长沙410015）

数据中心机房高压直流供电模式研究

周三，朱永平

（湖南邮电职业技术学院，湖南长沙410015）

【摘要】随着大数据时代的到来，数据业务快速增加，通信设备对电源系统安全供电要求不断提升；长期以来数据中心机房通信设备均由传统的交流UPS系统供电，而UPS供电模式在可靠性、安全性、经济性和设备维护等方面凸现出来的问题越来越多，加剧了数据中心机房的供电压力，增大了安全隐患。文章通过对比传统UPS供电与高压直流供电两种供电模式，分析了高压直流供电系统在数据中心机房可靠性、节能降耗、维护性方面表现出的使用优势，提出了适应数据中心机房IT设备供电需要的高压直流供电解决方案。

【关键词】高压直流；UPS供电系统；IT设备；可靠性

随着通信行业的高速发展，大数据时代到来；数据业务快速增长，网络视听、电子商务、电子信息等依托基础网络的业务拓展迅猛，数据业务市场份额不断提高；数据中心建设项目不断增加，数据机房通信设备种类的增多、供电容量的增大，长期以来数据机房多使用UPS供电系统的供电模式，传统UPS供电系统存在结构复杂、安全性能差、投资大、使用效率低、维护操作及扩容困难等诸多问题。未来数年数据业务还将保持持续高速发展，IT行业还将新增大量的服务器投入运行，UPS供电系统在应用中凸现的问题随着UPS设备应用规模的扩大越来越突出。在通信行业节能降耗的大背景下，高压直流供电系统以其高可靠性，低运营成本的优势替代传统UPS供电为通信负载供电，已是不可逆转的趋势。

1　传统UPS供电系统存在的问题

1.1可靠性低

在数据中心机房中，常见的UPS供电系统主要有以下几种：单机系统、1+1双机并联冗余系统、双机主从串联系统、N+1多机并联冗余系统，由于通信设备的需要，还有由以上系统组成的双总线UPS供电系统。交流UPS电源系统，为了保障供电安全重要场合UPS很少有单机工作方式，通过冗余技术可以使其交流UPS设备本身的可靠性大为提高。两台以上UPS并联工作时，既要保证多台UPS都跟踪市电的相位、频率、幅值保持一致，同时还要求多台UPS之间的相位、频率、幅值也相互跟踪、同步，而这些参数

是不断变化的，所以UPS只有不断的调整输出参数才能保障同步运行。实际工作中，随着市电的不断变化，以及电子元器件参数的变化，尤其是电子器件的零点漂移，往往在切换供电时造成中断，这种中断会给IDC中心的设备运行带来了巨大的影响和损失。同时针对整个交流UPS供电系统来说，有很多不可备份的系统单点故障点，比如同步并机板、静态开关、输出切换开关等，这些单点故障点，都可能导致整个通信系统“掉电”瘫痪。并机冗余工作方式的一个重要结构特点是：并联中的所有UPS输出端均是以实线连接在一起的，若其中的一台出现故障或由于输出端短路引发故障，将直接影响系统中的所有UPS正常运行，单点引发的故障极易造成系统供电中断。

1.2维护、扩容难度大

随着4G牌照的发放，数据业务在运营商业务范畴中占比逐步增大。按照传统数据机房中负载设备供电模式，会有大量新的交流UPS系统投入运行，也会有大量的在用交流UPS系统扩容改造。由于交流UPS扩容涉及到电源的频率、电压、相序、相位、波形等问题，后期带电扩容或者割接都较为困难。由于交流UPS设备产品更新换代快，使得交流UPS供电系统故障时，故障系统设备备件替换需要设备制造商做支撑，维护工作开展容易受UPS设备制造商制约，数据机房供电系统可维护性降低。目前现网运行的UPS系统已经超龄或接近超龄，按照现在并机工作的模式及供电系统结构，必须中断通信业务方能进行设备更新，这必将给通信生产带来极大的影响。

1.3效率低

为保证数据机房IT设备用电的可靠和安全，目前数据机房用传统交流UPS系统均配置N+1并机冗余模式或2N独立双系统模式。由于UPS自身组成的性质决定：输入级有滤波电感和滤波电容，输出级又有逆变器、输出隔离变压器；电流电压变换要经过交流变直流，直流再变为交流的双变换过程，因此工作效率非常的低。以目前数据机房常用的UPS1+1并联冗余供电方式为例：此种供电方式要求整个供电系统带载容量不超过单台UPS额定容量的80％，正常工作模式下两台UPS平均分担负荷，即每台UPS工作在额定容量的40％，每台UPS是长期工作在额定容量40％以下的状态，导致花大量资金购买的设备容量处于闲置富余状态。在数据机房实际使用中，业务发展是一个渐进的过程，兼顾到建设周期和业务发展需要，前期设计安装的UPS供电系统容量偏大，而负载容量偏小，由于数据中心机房一般都规模较大，用电量惊人，因而提高供电效率，节省成本支出，也是当前建设数据机房供电系统需首要考虑的问题。

2　数据中心机房采用高压直流供电系统的原因

随着通信网络和数据业务需求的不断发展，数据中心机房供电系统的安全稳定至关重要，但交流UPS供电系统存在的单点故障点问题始终没有得到很好解决，因交流UPS供电系统而造成数据中心机房业务瘫痪的通信事故频频发生，许多通信业务中断事故都与UPS供电系统有关。众所周知，直流不间断电源系统较交流不间断电源系统可靠性高，要想从根本上消除因使用交流UPS供电系统而存在的隐患，采用高压直流供电系统代替交流UPS供电系统是很好的解决途径之一。

2.1高压直流供电系统的结构原理

高压直流供电系统与传统的-48V直流电源系统原理类似。高压直流供电系统主要由交流配电单元、整流模块、直流配电单元、监控模块、蓄电池、电池管理单元及绝缘监测单元组成，系统结构原理图如图1所示。高压直流供电系统采用多个整流模块和蓄电池组并联的浮充工作方式。在240V高压直流供电系统中，在正常情况下，整流器将市电交流电源变换为270V直流电源，供给数据机房IT设备，同时给蓄电池充电。IT设备需要的其它电压等级的直流电源，可以采用DC/DC变换器变换得到。市电停电时，由蓄电池释放出直流电为IT设备供电；长时间市电停电时，由备用发电机组替代市电，提供交流输入电源。与传统的-48V直流电源系统的一样，蓄电池备用时间为1～10h，典型的蓄电池备用时间为1～3h。

图1　高压直流供电系统结构原理图

2.2高压直流供电系统的优点

1）可靠性高

高压直流供电系统内整流模块采用N+1的配置方式，对系统的可靠性几乎没有影响。直流电源模块化输出和电池组直接并联给负载供电，后备电池与高压直流电源后段并联给服务器构成2路冗余供电，可靠性高，真正不间断；而且电池组作为系统另外一个备份单元，也可给运维人员提供充足的割接改造等腾挪时间。

2）可操作、维护性强

高压直流技术中采用了整流模块模块化设计，并机容易，并且可以做成系统解决方案，做到安全不间断割接,支持带电热插拔,可快速更换故障模块，功率部分和监控功能模块之间正常工作是监控单元控制,故障时各自独立控制,避免故障扩散。更换模块和监控单元互不影响，便于维护。UPS一般是一体化，并机相对难度大，并机数量有限，不间断割接困难，维护也相对困难。高压直流系统不仅供电设备可以分期建设，而且设备内部还可随着IT设备上架量不断增加，逐步按需配置模块个数。而且直流并机没有频率和相位相同的需求，因此并机非常简单可靠，同样系统扩容也非常容易。模块化设计的另外一个重大好处是运维得到了大大解放，而且不再依赖于电源设备制造商的支持。如果发现了故障整流模块，需要做的只是热插拔更换故障模块，简单、快捷、方便，不影响整个系统的正常运行。

3）安全性高

高压直流系统和传统的UPS方案不一样，采用的是正负极输出浮地方式，不像-48V通信电源系统采用正极接地方式，也不像传统UPS采用中线接地方式。由于整流模块内部输出安规电容的原因，实际高压直流系统正负极到大地的电压都是135V左右，电击危害程度只相当于工频交流电的40％。根据人体正常电阻约为6300欧姆左右，误碰到其中一极的135V直流估算下来的电流不足以对人体造成伤害，况且通常维护人员穿有绝缘鞋等，因此实际即便误碰到任何一根母排，人体是几乎没有感觉的。高压直流电源系统，是标准电气柜，安全性高，并且对分路输出和母线的绝缘状况实时监控,对人身伤害预警大大提高；UPS非标一体柜，安全性低。采用高压直流供电系统与交流供电系统相比较，220V/50Hz交流电源对人的危害大。

4）高效节能

高压直流供电系统较UPS供电系统省掉了一个逆变环节，直流开关系统经过2次变流，电源效率达到92％以上，UPS系统经过4次变流效率一般70％左右，这样大大节省能源.降低运营成本。高压直流系统不再采用2N配置，而采用的是系统内部模块的N+1配置，且可以根据实际负载情况配置合适的整流模块个数，使整个高压直流供电系统得到较高的负载率，从而有很高的系统效率。不仅如此，由于高压直流系统自身具备的节能休眠功能，可以根据实时负载需求开启合适的工作模块个数，保证在全负载范围和机房全生命周期都可实现高效率。

5）投资少

从经济性方面比较，交流供电系统采用UPS系统冗余的工作方式，设备容量利用率低，投资大；而高压直流供电系统N+1模块化结构，供电系统容量可根据当前负载容量配置，后期数据机房负载增加时相应配套增加整流模块数据即可。在具有相同的可靠性指标时，高压直流供电可节省投资30％～40％。

3　高压直流供电系统替代UPS供电系统的供电方案

在数据中心机房为IT设备供电的工程应用中，需要在供电系统的安全性、可靠性与工程投资的经济性等方面做出取舍。根据IT设备的重要性，可以采用单电源双路供电或双电源双路供电的供电方案，工程设计人员根据数据机房现场IT设备实际情况及负荷重要性等诸多因素灵活选取。

3.1高压直流系统单电源双路供电方案

图2　高压直流系统单电源双路供电结构图

为提高数据中心机房IT负载设备供电可靠性，双电源输入要求的IT设备，采用单电源双路供电方案，如图2所示。可从单套高压直流电源系统的直流配电A、B输出母排引入两路高压直流，通过两个直流断路器输送给单套IT设备进行供电，系统结构简单，建设投资小，降低了直流配电输出断路器单点故

障率，供电可靠性要比单电源单路供电方案可靠高。

3.2高压直流双电源系统双路供电方案

对于一些要求超高可靠性的数据机房供电系统，可以采用双系统双路供电方案来供电，如图3所示。这种配置方式下供电可靠性非常高，实现了2*(N+1)配置，还有两路电池直接挂在母线上，消除了系统的单点故障瓶颈，达到了运营商骨干网的可靠性等级。这种方式可靠性非常高，但不足之处是供电系统正常运行时带载率低，冗余度较大，投资成本大。

考虑数据中心机房高压直流供电系统的结构特点，单电源双路供电方案可为数据机房供电系统提供足够的供电可靠性，故在常规机房中作为优选方案推荐选用；对供电可靠性要求更高的机房，能接受相对较低的供电设备利用率的情况下，可选用双电源双路供电方案。

图3　高压直流系统双电源双路供电结构图

4　结束语

随着数据中心技术的发展以及降低运营成本和节能减排的需求，数据中心机房引入高压直流供电系统有效解决了UPS系统存在的可靠性低、使用效率低、维护困难、前期投资大、资源占用大的问题，用高压直流系统为IT设备供电，整个生命周期内平均节能20％～30％，平均节省投资超过40％，值得大范围推广使用。随着高压直流供电方案在大型的互联网数据中心等场合的越来越广泛应用，将逐步成为未来数据中心供电的趋势。

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[5] Q/CT2462-2012.中国电信240V直流电源供电设备技术要求[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

[作者简介]周三（1983-），男，湖南宁远人，湖南邮电职业技术学院讲师,研究方向：通信电源、通信工程。

[基金项目]2014年度湖南邮电职业技术学院课题“通信机房高压直流供电技术应用研究”（2014BZ06）。

[收稿日期]2015-10-26

【中图分类号】TN86

【文献标识码】A

【文章编号】2095-7661（2015）04-0029-04

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