市电直供在数据中心的应用和发展展望

井辉，彭广香（中国移动通信集团设计院有限公司， 北京 100080）



市电直供在数据中心的应用和发展展望

井辉，彭广香
（中国移动通信集团设计院有限公司， 北京 100080）

摘 要从国内外数据中心的发展来看，市电直供技术已经获得了大量应用，且符合低碳数据中心的发展趋势。为了适应供电技术的发展趋势，传统的336V直流系统和UPS均应进行相应的技术更新，以便在未来的数据中心的建设和运行中得到更好的应用。

关键词数据中心；ICT设备电源；通信电源；市电直供；市电质量；旁路供电

近年来，国内外数据中心进入了大规模建设期，其相关技术也在飞速发展。为应对全球气候变化，绿色环保的数据中心成为所有建设者和使用者共同追求的一个重大目标。对于数据中心的供电技术来说，市电直供技术是有效节约数据中心设备投入和能源消耗的有效手段。本文主要探讨ICT设备电源和通信电源是否可以满足市电直供的要求以及今后的发展趋势。

1　ICT设备电源是否可以满足市电直供的要求

对于ICT设备来说，能否直接采用市电供电取决于市电的质量和ICT设备电源的适应能力。从市电质量来说，主要指标有电压和频率的变化范围、电流和电压畸变率以及浪涌冲击。

国内市电电压为交流220V/380V、频率为50 Hz，电压变动范围不会超过±10%、频率变动范围不超过±0.5 Hz，对于建设数据中心的区域来说，供电质量较好，一般优于该指标。目前各厂家在生产ICT设备电源时为适应全球的电网电压，输入电压范围一般为交流100～240V，且可以承受10%的电压偏差；输入频率50 Hz和60 Hz自适应，范围一般为47～63 Hz。

对于输入电压和电流畸变，ICT设备电源厂商进行过大量测试，不影响ICT设备电源的使用性能。即使是方波输入，ICT设备电源也可以正常工作。而且，为适应高压直流的应用，ICT设备电源可以同时兼容交流220V、直流240V和直流336V电源输入。

ICT设备电源都需要满足EMC的相关测试，其中一项即为浪涌（冲击）抗扰度试验。按GB/T 17626.5-2008/IEC 61000-4-5：2005的测试要求，ICT设备根据安装类别、交流/直流，以及是否直接连接至电网的区别对用电设备的线—线和线—地的防浪涌冲击能力有明确的规定和要求。直接连接至电网的ICT设备电源线—线可以满足1 kV、2 kV的浪涌冲击，线—地可以满足2 kV、4 kV的浪涌冲击。

从安全上来分析，ICT设备电源在输入和输出两侧是有电气隔离的，即使ICT设备电源因输入电压过压损坏，也会形成断路从而不会损坏后端设备。

综上分析可以看出，ICT设备电源完全可以适应市电直接供电的要求。实际上，大量使用的个人电脑也是ICT设备，使用市电并没有产生不良影响。

2　ICT设备不同供电方式的市电直供方案

ICT设备供电电源主要有3种，整机柜式ICT设备一般采用直流+12V供电，传统ICT设备一般采用高压直流供电或者交流220V电源供电，详见表1。

单回路供电的ICT设备也可以实现市电直供，但此类设备比例较低，本文不对此方案进行详细描述。

3　直流+12V供电ICT设备市电直供技术方案

ICT设备采用12VDC供电，可以按图1技术方案实现市电直供。

每个ICT设备机架配置一套嵌入式电源，每套嵌入式电源配置N 个336VDC/12VDC直流变换模块和N个220VAC/12VDC整流模块（交流模块），直流模块和交流模块互补备用；直流模块和交流模块不配置冗余模块。

直流模块和交流模块在12V直流输出侧并联。ICT设备采用12VDC电源供电，每个机架设置12VDC配电母排。市电侧可以提高供电效率至98%以上，直流回路供电效率可以达到94%。监控模块可以设置直流模块和交流模块的输出功率比例，最高可设置直流模块或交流模块100%功率输出。

表1　ICT设备的供电电源

4　直流336V供电ICT设备市电直供技术方案

ICT设备采用336VDC供电，可以按图2技术方案实现市电直供，ICT设备一路采用336VDC供电，另一路采用交流220V供电。

对于双PSU供电的ICT设备，一路PSU市电直供；另一路PSU采用336V直流电源供电（接后备电池），两路PSU在+12V直流输出侧并联。市电侧可以提高供电效率至98%，直流回路供电效率可以达到94%。通过对两个PSU的管理，可以实现市电直供回路100%供电，336V直流供电回路备份使用。

图1　采用直流+12V供电ICT设备的市电直供架构

图2　采用直流336V供电的ICT设备的市电直供架构

5　现网UPS市电供电模式

5.1UPS供电架构

目前，现网在用的UPS总量非常大，研究基于UPS的市电直供对现网能效的提升和今后发展都有重要意义。现网重要的设备大多采用2N UPS系统供电，其架构如图3所示。

5.2UPS经济运行模式

通信电源采用的UPS一般为双变换在线式，传统运行模式为双变换在线运行模式。因UPS主回路和旁路之间可以跨速切换，因而开发出了ECO（Economy Control Operation，经济运行模式），即平时采用旁路运行，市电不满足要求或中断时切换到主回路供电。按中国移动的企业标准，UPS主回路供电切换到电池供电的时间为0 ms，主回路供电和旁路供电之间的切换时间不超过2 ms。采用经济运行模式时，主回路和旁路的切换不会造成主设备中断。

现网的UPS供电系统如采用ECO运行模式，可将UPS系统的供电效率提升到98%以上。UPS采用ECO运行模式时，ICT设备由市电供电。

6　336V直流/市电混合供电及发展

以上直流+12V供电ICT设备和直流336V供电ICT设备市电直供技术方案中均应用了336V直流电源系统，两个系统的供电设备基本相同，只是直流+12V供电ICT设备的变换电源进行了集中设置。

6.1系统总体效率影响因子分析

基于336V直流供电系统的市电直供系统架构中，影响总体运行效率的因子比较多，详见表2总结。

图3　2N UPS供电架构图

表2　336V直流/市电混合供电效率因子汇总表

336V直流/市电混合供电最高能效运行方式受多种因素和条件影响，但只要针对具体的设备和系统，给出一定的条件即可以推导出最优的运行点。实际运行中，并不一定是市电承担100%负载率时综合能效最高。要达到最佳运行点，系统应可以调整市电和直流供电的负载比例。

6.2336V直流/市电混合供电对ICT设备电源的要求

采用336V直流/市电混合供电时，ICT设备电源应可以识别直流输入和交流输入，实际运行时设置为交流输入优先。

6.3336V直流/市电混合供电对直流电源的要求

采用336V直流/市电混合供电时，直流系统的监控模块宜嵌入一个匹配系统最佳运行效率的计算和分析软件。在系统投入运行时，将供电效率因子输入监控模块，系统自动匹配最佳运行效率点运行。直流系统还应管理整流模块的智能休眠。

7　UPS的市电直供及发展

7.1UPS功能优化和未来发展

现网UPS极少采用经济运行模式，主要原因之一是用户对UPS旁路运行模式安全性的担心。传统UPS对供电电源不进行判别，对供电质量没有分窗口进行区分，因而当市电质量不满足ICT设备供电质量时，存在不能及时切换保护的风险。对于采用经济运行模式的UPS，建议增加以下几项功能，以保证旁路运行模式的安全。

7.1.1增加供电电源类型判别

当机房采用发电机组供电时，如UPS采用旁路运行，发电机组存在因谐波或功率因数超前而振荡或带载容量下降的问题。可以在UPS引入一个发电机组供电的接点信号，当机房采用发电机组供电时，UPS主动切换为主回路供电。

7.1.2增加供电电源质量判别

UPS运行时，可分为旁路运行带载、双变换主回路带载和电池放电经逆变器带载3种方式。这3种方式供电电源的质量要求是不一样的，为了安全，可以把旁路运行的电源质量窗口范围设置的窄一些。当市电电源质量符合旁路运行的范围时，UPS采用旁路运行；市电电源超过了旁路运行的电源质量窗口范围但未超过UPS主回路整流器输入电源质量范围时，UPS采用主回路供电；市电电源超过了UPS主回路整流器输入电源质量范围时，UPS电池放电，逆变器供电。

7.1.3UPS逆变器作为供电的补偿装置

UPS旁路运行时，ICT设备电源存在一定的谐波畸变；因PFC的原因，双电源供电的ICT设备呈容性。UPS的逆变器并联在ICT设备的供电回路中，可以作为谐波和电容补偿装置，保证负载侧的电源畸变不会反馈到供电侧。

7.2UPS供电模式的未来发展

随着数据中心的发展，ICT设备采用一路市电和一路UPS经济运行模式供电的方案可能也会获得大量的应用，如图4所示。该运行模式的优势是对现网ICT设备不需要进行任何升级改造，即可以满足ICT设备的供电要求，运行效率高，可以达到99%左右。只需要在低压配电侧进行适当的功率因数补偿和谐波治理就可以完全满足供电系统的电源质量要求。此方案主要的问题是供电系统的整体可靠性略低，对于特别重要的ICT设备，不适宜采用此方案供电。

表3　不同供电系统及不同运行模式的经济性对比表

图4　一路市电和一路UPS经济运行模式供电架构图

8　经济性比较

随着全球4G通信网络和智能通信终端的快速发展，最近几年数据流量呈井喷式增长，数据中心开始大规模建设。预计数据中心将会保持较长时期的快速增长。市电直供技术可以有效节约数据中心的初期投资和运行成本。

以一万台x86服务器（功耗按300 W/台）为例，以下不同供电系统及不同运行模式的经济性对比如表3所示。

从表3可以看出，市电直供电源系统不仅可以节约供电系统的初期投资，还可以大幅度降低长期运行费用。2N UPS系统如采用市电直供技术，与未采用市电直供的电源系统相比，10年总投资可降低47%，每千瓦负载降低投入1.7万元。336V直流系统采用市电直供技术后，10年总投资可降低30%，每千瓦负载降低投入0.64万元。

9　总结

从国内外数据中心的发展来看，虽然不同的用户采用的市电直供技术差异巨大，但该技术已经获得了大量应用，且符合未来的发展趋势。为了适应供电技术的发展趋势，传统的336V直流系统和UPS均应进行相应的技术更新，以便在未来的数据中心的建设和运行中得到更好的应用。同时，建议及时修订相关的企业标准和行业标准，把市电直供技术纳入技术标准体系，规范其产品和及技术方案；通信运营商应将通信电源相关新技术纳入集中采购，以更好的推动市电直供技术的应用推广和通信电源产品进步。

Application and development prospect of commercial power mains supplying in data centers

JING Hui， PENG Guang-xiang
（China Mobile Group Design Institute Co.， Ltd.， Beijing 100080， China）

AbstractFrom the development of domestic and international data center， the commercial power mains supplying technology has received a lot of applications， and in line with future trends of low carbon data center. In order to adapt to the development trend of power supply technology， the traditional 336V DC system and UPS should be updated， so that the construction and operation of the data center in the future will be better.

Keywordsdata center； ICT power supply unit； commercial power mains supplying； commercial power mains supplying；Power quality； bypass power supply

中图分类号TN915

文献标识码A

文章编号1008-5599（2016）05-0076-05

收稿日期：2015-11-04