数据中心IT设备供电系统方案探讨

2019-11-27 02:40:34杨玲，王丽

通信电源技术 2019年11期

杨玲，王丽

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏南京 210019）

0 引言

互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）是指一种拥有完善的设备（包括高速互联网接入带宽、高性能局域网络以及安全可靠的机房环境等）、专业化的管理、完善的应用的服务平台。在这个平台基础上，IDC服务商为客户提供互联网基础平台服务（服务器托管、虚拟主机、邮件缓存以及虚拟邮件等）和各种增值服务（场地的租用服务、域名系统服务、负载均衡系统、数据库系统以及数据备份服务等）[1]。随着业务的迅速发展，互联网行业客户对数据中心资源需求日益旺盛。同时，5G、云计算、大数据等网络架构的迅速演进及互联网应用内容的不断丰富，也产生了大量的IDC机房和带宽需求。

国内以往建设的IDC机房大多数采用不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）供电。随着互联网业务的持续快速发展，IDC机房不断增多，UPS的应用大大增加，产生故障的频率也相应增加，使得后期维护人员需要投入很多的精力。同时，UPS效率低会导致大量的电量消耗，增加用户成本。由于IDC高功率、高集成度服务器设备的大量应用，如何提高能效、提升可靠性、降低成本成为一个趋势。因此，利用高压直流电源（High Voltage Direct Current，HVDC）对IT设备供电的新理念应运而生，并逐渐替代了UPS。

1 UPS与HVDC的对比分析

1.1 系统结构对比

UPS主要由整流器、逆变器、蓄电池、静态开关以及维修旁路等设备组成[2]。市电正常时，整流器将交流市电转换成直流电，并驱动逆变器向负载提供无干扰的交流电，同时也可为蓄电池充电；当市电异常或中断时，蓄电池放电，驱动逆变器向负载提供纯净的交流电，对逆变器而言，它的输入端电压一直存在，故负载可不间断供电；当整流器、逆变器以及蓄电池中任何部件故障或者负载故障过载时，由静态开关将负载转换至维修旁路。该供电方式结构复杂，效率较低。

HVDC主要由交流屏、整流屏、直流屏以及蓄电池等组成[2]。市电正常时，整流屏将交流市电转变为高压直流，再通过直流屏将高压直流电输送给通信设备，同时可为蓄电池充电；当市电异常或中断时，蓄电池放电，为通信设备提供高压直流电，始终保持设备正常工作。该供电方式只需将交流电整流为直流电，结构简单且效率高。

1.2 系统可靠性对比

UPS供电系统通常采用并机冗余的工作方式提高系统可靠性，但需要及时对UPS主机采取均流控制和输出电压幅值、频率、相位同步控制。控制对象较多，系统可靠性随之降低。UPS供电系统的后备电池提供的是直流电源，需要通过逆变器将直流电转换成交流电，因此若逆变器出现故障，即使市电供应正常，蓄电池组储能充分，后备发电机组正常工作，也无法为设备供电，导致系统供电中断。

HVDC供电系统采用直流模块化工作方式，仅需要各模块输出交流幅值同步。HVDC供电系统的后备电池与系统输出直接并联，为负载提供双路冗余供电。若市电或者系统出现故障，后备电池将直接为负载供电，可靠性高。

1.3 系统能耗对比

UPS供电系统包含整流、逆变两次转换，效率低。工频机单机满载效率约90%，高频机约95%。确定UPS的基本容量时，应留有余量。按照数据中心设计规范要求，可按UPS容量的83%计算，降低UPS负荷率，但会使系统效率更低，一般在90%以下[4]。

HVDC供电系统直接将交流转换成直流，减少了逆变过程，相比UPS供电系统，可节省5%左右的电能，电源效率一般在96%以上，相比UPS供电系统效率更高、更节能。

1.4 系统维护对比

UPS供电系统扩容时，需要考虑各UPS主机输出电压幅值、频率以及相位等参数同步，存在较大风险，需要专业人员操作。HVDC供电系统扩容时，只需要考虑电压幅值，且采用模块化设计，支持热插拔，可在线扩容，一般电源维护人员即可操作。

2 240 V与336 V对比分析

2.1 240 V直流系统

（1）240 V直流系统的设备输入电压范围是192～288 V，全程允许最大压降12 V；

（2）现有IT设备的电源模块在功能上兼容240 V直流标准。

2.2 336 V直流系统

（1）336 V直流系统的设备输入电压范围是260～400 V，全程允许最大压降12 V；

（2）现有IT设备的电源模块需定制，采购及维护成本高。

相比336 V直流系统，240 V直流系统可直接为大多数IT设备供电，不需要改造设备及定制电源模块，因此240 V直流系统更容易推广和被客户接受。

3 案例分析

目前，国内新建的IDC机房，IT设备通常采用以下几种供电方案[5]：UPS双电源双路由供电（UPS 2N）、240 V直流双电源双路由供电（240 V 2N）、1路市电+1路240 V直流供电（传统）和腾讯公司提出的基于1路市电+1路240 V直流供电的微模块技术。

国内绝大部分IDC机房所在的一线、二线城市电网的可靠性都高于99.9%，因此1路市电+1路240 V直流系统的可靠性与2N UPS系统类似，约10个9数量级。2N240 V直流系统可靠性更高。

选取腾讯标准微模块所能提供144 kW的容量等级，电池后备时间按系统0.5 h计算，对以上几种高可靠性供电方案进行对比。

3.1 配置及架构

3.1.1 UPS双电源双路由供电（UPS 2N）

新建1套200 kVA 2NUPS系统，含2台低压配电柜（单台配置不少于3个400 A/3P输出开关）、2台200 kVA主机、2台UPS输出配电柜（单台配置2个400 A/3P输入开关）、2台电池开关柜（单台配置3个630 A/2P直流开关）、4组150 Ah/480 V蓄电池组和2架交流列柜（单架配置2路250 A/3P输入开关）。

3.1.2 240 V直流双电源双路由供电（240 V 2N）

新建1套800 A/240 V 2N240 V直流系统，含2台低压配电柜（单台配置不少于2个250 A/3P输出开关）、2台800 A/240 V整流机架、2台800 A直流配电柜、2台电池开关箱（单台配置2个630 A/2P直流开关）、4组300 Ah/240 V蓄电池组和2架直流列柜（单架配置2路400 A/2P输入开关）。

3.1.3 1路市电+1路240 V直流供电（传统）

新建1套市电系统，含1台低压配电柜（配置不少于2个250 A/3P输出开关）、1架交流列柜（配置2路250 A/3P输入开关）；新建1套800 A/240 V直流系统，含1台低压配电柜（配置不少于2个250 A/3P输出开关）、1台800 A/240 V整流机架、1台800 A直流配电柜、1台电池开关箱（配置2个630 A/2P直流开关）、2组300 Ah/240 V蓄电池组和1架直流列柜（配置2路400 A/2P输入开关）。

3.1.4 1路市电+1路240 V直流供电（微模块）

新建1套市电系统，含1台低压配电柜（配置不少于1个400 A/3P输出开关）；新建1套800 A/240 V直流系统，含1台低压配电柜（配置不少于1个400 A/3P输出开关）、1台800 A/240 V整流机架（配置1个400 A/3P ATS输入及1个630 A/4P输出开关）、3台电池柜（单台配置1组200 Ah/240 V蓄电池组及1个630 A/2P输出开关）和1架交、直流配电柜（配置2路400 A/3P输入开关）。

以上4种供电方案的系统架构图如图1所示。

3.2 建设成本

4种供电方案建设成本对比情况，见表1和表2。

通过对比可以发现，UPS 2N交流系统投资最高，240 V 2N直流系统次之，1路市电+1路240 V直流系统的传统和微模块供电方式投资相近且最少。240 V 2N直流系统比UPS 2N交流系统节约投资15%，1路市电+1路240 V直流系统比UPS 2N交流系统节约投资46%。

3.3 占地面积

4种供电方案占地面积（含维护通道）对比情况，见表3。

通过对比可以发现，UPS 2N交流系统、240 V 2N直流系统、1路市电+1路240 V直流传统供电系统及微模块供电系统占地面积依次减少。240 V 2N直流系统比UPS 2N交流系统节约面积21%，1路市电+1路240 V直流传统供电系统比UPS 2N交流系统节约面积53%，1路市电+1路240 V直流传统供电系统比UPS 2N交流系统节约面积77%。