浅谈大数据时代通信电源技术的发展趋势

李小军

摘 要 数据中心的高功耗IT设备的大规模发展趋势，对电源空调系统提出了前所未有的挑战，传统交流UPS的供电可靠性却不尽如人意，模块化UPS将逐步替代塔式UPS，而高压直流供电系统更有可能在大数据时代独领风骚。

关键词 数据中心;UPS;高压直流

1大数据时代的挑战

通信电源是电信行业的生命之源，是必不可少的基础网络资源。

随着数字经济的飞速发展，数据中心如雨后春笋般的建成投产，各种高功率密度的服务器、小型机、磁盘阵列等设备在电信机房和数据中心应用得越来越广泛。由于这类设备功率大、功率密度高，在电源空调资源及机房环境等方面的需求与传统通信设备有很大差异，使现有通信电源、空调系统的规划建设和维护管理得到前所未有的发展机遇与挑战。同时电信网络的专业化网络结构已发生重大演变，供电的安全可靠性已向广度和深度方向发展，供电保障已延伸至很多由IT设备构建的业务平台的用电保障，如CRM系统、集中计费系统、10000号系统、综合结算系统 、网上营业厅等系统。

2通信电源的发展趋势

通信电源标准可以规范通信电源的设备制造、系统建设和运行维护，鼓励技术创新，淘汰落后技术，达到有法可依、有据可查的作用。面对数据中心向高功耗和高功率密度发展的趋势，应及早研究制定相应的技术规范，从源头上规范产品设计、采购，通信工程的设计、施工和优化后期的维护管理。

数据中心、通信枢纽楼内的IT设备的用电需求急剧增加，势必对原供电系统造成安全威胁，增加运营的电费成本。过去在一个供电系统中配置2-3台变压器已算大系统了，而今一个机房、一种业务都有可能独占一台变压器、独配一套发电机组。供配电系统有相对集中转向相对分散的趋势，为缩短配电路由的长度，减少线路损耗，变压器进了通信主楼，高压柴油发电机组因为便于大容量并机和远距离供电，特别适合大容量数据中心的分散供电。

通信设备原本以使用48V直流电源为主，但随着大数据时代的互联网应用的迅猛发展，使用的交流电源服务器、路由器的大量增加，交流UPS供电模式从一个非通信的供电模式进入到了通信专用供电行列，但其供电的可靠性却令人担忧。

传统塔式交流UPS的系统复杂，单系统的可靠性只有0.87，但单系统容量有的已超过1200 KVA，由于系统容量过大，一旦出现系统供电故障，其影响面将非常大，这与电信行业所倡导的分散供电方式相悖，所以数据中心采用分散供电应成为主导模式，应限制UPS单机额定容量不超过400KVA，单系统的额定容量不宜超过800KVA。

虽然传统UPS可以采用双系统和A B双路供电来提升可靠性，但提升空间有限而且代价过高，模块化交流UPS和高压直流系统将逐步替代臃肿庞大的N+1 UPS供电系统，而未来十年高压直流供电系统更可能在大数据时代独领风骚。目前国内主流高压直流系统有240V和336V两种标准，它的兼容性很强，如果平台系统或者通信设备有主、备用两套系统，主用设备可改为高压直流系统供电，备用系统继续使用原有的交流UPS系统供电。同一个IT设备如有主备两个电源模块，则可以采用主电源模块直接接到交流市电，备用电源模块接入到高压直流系统供电。

由于数据中心的功耗剧增，连带机房专用空调的用电等级将由B类向A类逼近。由于数据中心内的专用服务器、路由器耐高温特性差，大于30分钟的空调系统关停将会导致机房温度急剧上升，可能造成通信设备的瘫痪。严格的温控需求将不允许专用空调有较长时间停电，迫使自备电源的响应时间、承载能力全面提升，这不但要求自备发电机组的发电响应时间在5～10分钟以内，而且还要能同时承载通信设备和空调设备用电，如有必要还需增加配置专用UPS给空调风机。

另外，科学的变配电技术将得到广泛应用，高阻配电将逐步消失，二次配电将成为普遍配电现象，配电系统的头、尾柜，A B双路配电将被大量应用。

3高压直流系统的比较优势

传统塔式交流UPS采用串联型结构， 在掉电时电池需要通过逆变器和静态转换开关向负载供电。单系统可靠性为 0.975（电池组）ⅹ0.9（逆变器）ⅹ0.99（静态开关）=0.867，而且UPS在维护管理中对硬件失效是难以可预见的，也很难检测到，具有突发性故障的隐患。

UPS系统中还有两个谐波源，降低了输入功率因数和设备容量利用率，还需增加滤波设备，能源需经过两次转换才向负载供电，从而降低了转换效率。如采用UPS冗余、系统双总线配置等手段来提高可靠性，不但增加了系统的复杂性，增加了设备成本，系统整体效率仅在80%～85%左右。由于传统交流UPS有上述的可靠性低，系统效率低，建设成本高，维护困难，扩容难度大的缺点，已经难以适应大数据时代提出的挑战。

因为高压直流系统的电池组直接向负载供电，系统一般配置两组或多组蓄电池组，25节12V单体电池串联电池组的可靠度为0.99925=0.975，如采用两组独立电池组并联，则系统的可靠性提高到R=[1-（1-R1）x（1-R2） ] =1-（1-0.975）2=0.99938。这种并联结构不但可以在运行时也能更换故障电池，而且电池故障隐患还具备可预见、非突发性特征，诸如电池鼓胀漏液、电池容量不足、电池浮充电压均匀性差等故障隐患都是容易被测量和观察到的，而且這些隐患是一个渐变的过程，不具备突发性，这种可维护性对系统可靠性有决定性的作用。

高压直流系统还省掉逆变转换和静态开关，简化了结构，降低了设备成本，电池能量利用率还提升了10%，输入谐波电流降到小于5%，输入功率因数提高到0.99，这样不但可降低上游设备和供电线路的容量，还省掉了滤波设备，相比传统UPS的系统总效率将提高10-12%，比冗余并机UPS系统更是提高了18-25%，从而降低了运营总成本。由于系统不存在频率同步、环流问题，冗余并机简单可靠，可很方便构建N+1模块化系统，这样就提升了工程部署速度和灵活扩展能力。

综上所述，高压直流供电系统结构简化，可靠性提升到接近“十个9”，同时可维护性大大提高，相比UPS系统的投资减少了30%～40%，节能20%以上，这是传统交流UPS和模块化UPS所不具备的独特优势，也是其在大数据时代逐步替代交流UPS的根本原因。