数据中心用电管理解决方案

文｜珠海派诺科技股份有限公司 韦 恺

1 数据中心能源供电系统

数据中心供电系统一般由市电、后备发电机、UPS和配电系统构成。一般重要的数据中心大都采用了双路市电、冗余发电机和冗余UPS系统。电源问题主要是就UPS系统而言，这是因为市电只需向供电局提出容量需求即可，发电机当前的水平，各个厂家的产品相差无几，只有UPS的差别甚大，一个UPS供电方案的好坏，直接决定了通信机房内重要负载是否能正常运行。在设计机房UPS供电系统时，我们既要节省投资，又要考虑系统的可靠性、灵活性，为通信设备及计算机负载提供有效的保障。

数据中心能源供电系统的选择要以符合国策为前提，节能减排是当前的一项基本国策，一切行为都应当以此为指导。

2 供电解决方案

2.1 传统的供电解决方案

传统的数据通信设备要求交流输入电源，一般是与市电电源的电压和频率相同的电源，即220V，50Hz的单相交流电源。传统的数据通信设备的电源系统是UPS系统，UPS系统一般由整流器、逆变器、蓄电池和静态开关等组成，市电正常时，市电经整流器变换为直流电供给逆变器，同时给蓄电池充电，逆变器将直流电变换为交流电供给负载。UPS本身故障时负载可经静态开关转换为旁路市电供电，市电长时间停电时，由备用发电机组供电。以下是几种常见的UPS供电模式。

（1）串联热备份

此种UPS供电方式消除了单点故障，实现简单，但是其同一时间只有一台UPS带载，因此存在超载能力差、主备机老化不均等问题，目前已经较少采用，系统如图1所示。

图1 串联热备份

（2）并联冗余

此种UPS供电方式最大的好处是可以负载均分，其中任意一台UPS故障，其被切离，UPS系统不用做任何切换，可工作在在线模式上。可以根据负载量，通过增加UPS的方式实现系统容量扩充。系统如图2所示。

图2 并联冗余

（3）双总线供电方式

此种UPS供电方式，其最大的特点是同时提供两路互不影响的供电母线，分别提供给双电源负载，或者通过STS再提供给单电源负载。此方式也很好地消除了单点故障，但限于供电方案中又增加了LBS（同步控制）和STS（双路切换），因此也增加了故障点。如图3所示。

2.2 共用48V母线的混合系统解决方案

这种电源系统结构特点是直流负载和交流负载的电源系统都采用-48V母线作为输入电源。在市电或整流器故障时，由于蓄电池与输出母排是并联的，所以-48V母线电源是不间断的。直流负载由-48V母线直接供电，交流负载经逆变器供电，即用-48V直流电源供电的逆变器代替了UPS。系统如图4所示。

（1）混合系统解决方案优点：技术成熟，48V电源是真正的不间断电源，其输出纯净，所以系统整体稳定性有所提高。不易拉弧，安全性高。

（2）混合系统解决方案缺点：在交流负载的电源链中增加了电源变换的次数，且电压低，电流大，增加了损耗，降低了系统效率。这种电源系统结构仅适用于交流负载为中小功率的情况。

2.3 整流型rAC高压供电解决方案

以INTELEC 2001年发表的《新电信网络和服务的最佳新型供电》和2000年发表的《电信和数据通信融合的rAC供电技术的新研究》为代表。rAC供电系统类似传统的48V直流电源系统中的直流母线由经过整流的母线替代，实际上是脉动的直流。系统由整流桥、高电压蓄电池组、蓄电池开关、充电机等组成。这种rAC供电系统的输入谐波电流抑制和功率因数需要补偿，须在rAC母线上并联连接谐波抑制器。系统如图5所示。

图5 整流型rAC高压供电

（1）rAC高压供电解决方案的优点：在整个供电电路中只有一个变换级，损耗小，效率高；蓄电池充电机只用于给蓄电池离线充电，因此容量较小，成本低。

（2）rAC高压供电解决方案的缺点：采用用电压较高， 安全标准要求高；采用单体蓄电池数量较多，要求进行更严格的蓄电池管理。

2.4 高压直流供电的可行性探讨

数据设备内部电源状况是计算机主机、显示器、打印机等电气设备的内部电源都是开关电源，将输入的交流220V先整流、滤波成直流300V后，再通过电源开关管和开关变压器降压、稳压成低压，为各部分提供电源。一般交流电压在110V～250V之间，通过整流、滤波后直流电压为150V～340V之间。因此，给这些设备输入一个150V～340V直流电压，设备是可以正常工作的。综合考虑，额定电压在228V～280V（后备12V电池19只或20只）范围内直流电通过桥式整流电路、滤波后，仍是直流228V～280V。在150V～340V之间，因此开关电源仍能正常工作，目前的实验证明数据设备输入DC 270V左右时效果好。系统图如图6所示。

2.4.1 高电压直流供电系统解决方案一

高电压直流供方案一的交流输入、整流电路和蓄电池、充电机与rAC供电系统是相同的。不同的是rAC供电系统将rAC直接集中的大功率DC/DC变换器，再其变换为稳定的高压DC 270V，日本NTT公司试验了此系统。如果交流输入电源故障，由蓄电池经直流开关和大功率DC/DC变换器供给负载设备270V直流电，系统如图7所示。

（1）此种电源系统的优点：可靠性高、效率高，在负载设备的功率较大时更为突出，成本低。

（2）此种电源系统的缺点：采用单体大功率DC/DC，电压高，电流大，要求较高的安全标准；采用蓄电池数量多，要求进行更严格的蓄电池管理。

2.4.2 高压直流供电系统解决方案二

此方案是目前国内电信运营商在IDC机房改善供电的试用电源系统，最早的应用在盐城电信公司，现在一些电信分公司与移动分公司均有试用。与传统48V供电系统类似，是由多个并联冗余整流器和蓄电池组成的。在正常情况下，整流器将市电变换为270V直流电，供给电信设备，同时给蓄电池充电。市电停电时，由蓄电池放电为电信设备供电。长时间市电停电时，由备用发电机组供电。与传统的-48V直流电源系统的一样，蓄电池备用时间为1～24h，典型的蓄电池备用时间为1～3h。此高压直流电源系统，在试用中优势得到较充分的体现，系统如图8所示。

图8 高压直流供电系统解决方案二

（1）此种供电系统的优点

可靠性：电源模块化输出和电池直接并联给负载供电，电池直接并联到输出母线上，母线电源是不间断的。采用分级分布式控制，整流模块和CSU故障时各自独立控制，避免故障扩散。

易维护：并机容易，电源模块化设计，支持带电热插拔，更换方便，采用分级分布式控制，整流模块和CSU可各自独立控制，便于维护。

智能化管理：此系统与传统48V直流电源系统一样，系统管理采用全面的智能化管理模式；对电池部分管理完善，有效延长了电池的使用寿命。

无谐波干扰、易扩容：对于计算机和服务器来说，采用直流输入，不再存在相位和频率的问题，多机并联变得简单易行，无谐波干扰。

安全性：采用标准电气柜，对分路输出和母线的绝缘状况可进行实时监控，安全性高。

性价比：同样容量的系统，高压直流电源系统由于采用N+1模式，投资低，性价比高。

（2）此种供电系统的缺点

此供电系统要求直流专用元器件；对器件灭弧要求由于电压高，无过零点，对安全性要求高。

2.4.3 高压直流供电系统解决方案三

高电压直流供电系统方案三与方案二供电系统是类似的，所不同的是，方案三供电系统增加升压电路，将直流输出电压提高到400V（此种类似的供电系统在移动公司有实验点，直流电压350V）。是针对专门的高压服务器电源，目前此服务器尚在研制之中，由于系统输出电压高，对目前大量在使用的服务器有些是不可用的，但由于某些优点突出，可能成为未来的一种发展的趋势。系统如图9所示。

图9 高压直流供电系统解决方案三

（1）此方案供电系统的优点模块化供电，电池直接连接负载，母线电源不间断；电源效率最高，最节能；输出为直流无率因数与谐波问题，具备最大负载能力；供电电缆最细，节省成本与空间。

（2）此方案供电系统的缺点故障的安装拆除易造成拉弧；对安全的要求高，器件的要求也高。

3 结束语

电信技术的迅速发展推动了电源设备技术的进步，高电压直流供电系统方案二与方案三因为其可靠性高，效率高，特别适用于设备功率较大的场合的IDC机房供电。方案二适合于目前的服务器，也是目前IDC机房供电改造相对最适合的方案；方案三可能是一种IDC机房设备供电的发展趋势。IDC机房最佳供电系统到底是什么，还值得深入探讨与研究，最终总会找到一种适合的方案。