高压直流供电模式在边防数据中心应用研究

吴佑军

摘要：数据中心采用HVDC（高压直流供电）供电，可有效降低投资和运维成本，提高供电系统的可靠性，逐步成为数据中心的一种新型供电模式。该文就边防数据中心采用高压直流供电模式的可行性进行分析，与传统的UPS供电进行对比，HVDC供电既提升了供电的可靠性，又能大幅提高供电效率，成本节约明显。

关键词：高压直流供电；HDVC；数据中心；可靠性

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）25-0032-03

Abstract： Data center using HVDC （high voltage direct current power supply） power supply， can effectively reduce investment and operation and maintenance costs， improve the reliability of power supply system， and gradually become a new type of data center power supply mode. This article analysis the feasibility of the border defence data center by HVDC power supply mode， compared with the traditional UPS power supply， HVDC power supply can not only improve the reliability of power supply， and can greatly improve the power efficiency and cost saving significantly.

Key words： High Voltage DC Power Supply； HDVC； data center； reliability

1 概述

目前，公安边防总队级以上单位都建设了数据（信息）中心，随着网络和数据业务的迅速发展，传统的UPS供电模式的可靠性、安全性以及高能耗等方面问题逐渐显现，主要表现在：一是传统UPS电源模式效率低。对于总队级以上单位等供电级别要求高的机房，一般采用1+1冗余备份方式，每台UPS的实际负载多在35%以下，效率低下。二是UPS并机复杂要求高。为提高电源系统的可靠性和容量，数据中心交流UPS供电系统一般采用多台并机工作模式，并机控制电路复杂、要求高，每台UPS的输出电压相等，频率、相位一致，一旦并机控制电路出现故障，将导致UPS并机失败，无法给数据中心设备供电。三是存在安全隐患。市电断电后，UPS利用后备电池组逆变输出继续供电，若逆变电路出现故障，仍然无法正常供电。

近年来，国内许多数据中心机房采用了高压直流供电（HVDC High Voltage Direct Current）新的供电模式，对机房电源线路进行简单改造后，直接用高压直流电源代替传统的UPS电源系统，有效地降低了投资和运维成本，提高供电系统的可靠性。

2 边防数据中心使用高压直流供电的可行性分析

高压直流电源（HDVC）是一种新型的直流不间断供电系统，这里的高压直流是相对于传统通信机房使用的-48V直流通信电源而言的。HVDC系统主要由交流配电单元、整流模块、蓄电池组、直流配电单元、电池管理单元、绝缘监测单元及监控模块组成。正常状况下，整流模块将交流配电输出的380V交流市电转换成240V高压直流，高压直流通过直流配电单元给设备供电，同时直接给蓄电池组充电。当市电断电或交流输入发生故障时，转由蓄电池组给设备高压直流供电。

2.1 为什么直流电源可以替代交流电源？

图1是计算机设备电源工作原理图。计算机设备电源模块的输入是交流的，但是最终输出还是直流，其核心部分为DC/DC变换部件。只要能给DC/DC变换部件提供一个适合的直流电源，不用交流输入，电源模块也能正常输出。这种情况下，就可以不使用UPS系统，也避免了使用UPS而带来的各种不利因素。

2.2直流电源如何替代交流电源？

直流供电的设想是将一定电压范围的直流电源，直接从原来交流UPS输入端输入，对服务器等设备的电源模块不进行任何改造，这样就需要对电源模块能否满足直流供电的要求进行论证。图2和图3分别是负载设备在交流供电和直流供电时的整流原理。

图2中电源部分，交流输入正半周时的电流走向为：A→D2→C→D→D4→B，负半周时电流走向为：B→D3→C→D→D1→A，整流管D1、D3和D2、D4轮流导通。通过整流，交流电压从A、B端直接传输到C、D端，并保持C、D直流输出。

图3中电源部分，直接采用直流电压输入时，电压相位不变，整流管D2、D4一直导通，电压从A、B端直接传输到C、D端，并保持C、D直流输出。对比图1，对计算机等设备来说，不论在电源模块输入交流或直流电压，均可以正常输出直流电压，经DC/DC变换后，给计算机系统正常供电。

数据中心服务器、网络等设备开启后，运行功率是恒等的；当设备以220V交流供电时，它的等效直流是200V，如果给设备直接输入直流240V，提高了电压，流经整流管的电流小于输入220V交流时流经整流管的电流，设备电源模块不用改造即可满足要求。另外，高压直流供电时比交流供电时在二极管上产生的热量也要小很多。

2.3 HDVC供电模式在边防数据中心应用的可行性

目前，除程控交换机外，边防数据中心机房内主要设备有服务器、存储和网络等设备，都是交流供电，电源模块都自带独立得将交流电压整流成直流电压的全桥整流电路。由上所述，若将电源模块的交流输入端火线和零线对应输入一定等级的直流电压，设备亦可正常工作；当输入的直流电压极性接反时，电源模块的全桥整流电路变成了极性接反保护电路，设备也可正常工作。因此，对机房大部分设备而言，无须对设备电源电路进行改造，即可直接采用高压直流供电；对极少数使用半桥整流电路的设备，只需考虑高压直流输入的线路极性即可。

计算机等设备允许的交流输入电压范围一般为交流110～220V，经过整流后的输出电压为直流154～336V，选用高压直流供电系统时的输入电压应在154～336V（DC）之内尽量高，但应小于300V；配置蓄电池组时，高压直流电源系统额定电压应为12的整数倍（选用12V单体蓄电池时），这时，高压直流电源系统额定输出电压可选为240V，每组后备电池可配置20个12V单体电池，系统浮充电压设为270V，均冲电压设为282V。

由上可知，边防各级数据中心都可根据机房现状，采用输出电压为240V的高压直流供电系统代替UPS系统。在具体改造时，可采用模块化组合式HVDC系统，多个整流模块并联输出，以提高系统的可靠性及满足设备扩容要求。

2.4 高压直流供电的优缺点分析

高压直流供电系统与传统的交流UPS供电系统的对比，具有以下几点好处：

（1）提升电源系统可靠性

HDVC技术引入可大幅提升系统的可靠性。传统的UPS系统仅并联主机时具有冗余备份功能，系统组件之间更多的是串联关系，造成系统总体可靠性远低于单个组件的可靠性。当使用HDVC时，首先，蓄电池组与设备负载是直接并联关系，遇到市电停电或供电设备故障时，蓄电池组可不间断、直接给设备供电；其次，高压直流供电系统结构简单，只有电压幅值一个参数，各个电源模块之间不存在相位、频率、相序同步的问题，因此其可靠性得到大幅提升。

（2）提高电源系统效率

目前数据中心多数使用在线双变换型UPS主机，当负载率大于50%时，其转换效率与HDVC电源相当。当UPS主机采用n+1（n=1、2、3）方式运行时，UPS单机的设计最大稳定运行负载率仅为35～53%。UPS单机长期低负载率运行，其转换效率通常为80%左右，甚至更低。相比HDVC电源，结构上直流供电比UPS供电少了逆变器和输出隔离变压器两个环节，工作效率至少可提高10%；另外，直流供电系统多为模块化结构，支持在线热插拔，可根据输出负载的大小，灵活调整电源模块的开机运行数量，使整流器模块的负载率始终保持在较高的水平，从整体上提高系统的转换效率。

（3）消除了谐波污染

UPS的整流部分，根据电路结构目前常用的有6脉冲和12脉冲两种，无论哪一种均会产生谐波污染，当谐波分量超过10%时，若不治理，将会对市电电网以及机房设备造成严重负面影响。而直流供电不存在谐波污染，解决了上述问题。高压直流供电扩容方便，不存在“零地”电压以及其它不明干扰，也是它的明显优势。

（4）降低投资及运维成本

由于高压直流供电系统的核心是高频开关电源模块，模块生产技术已非常成熟，模块间的控制不用考虑同步、相位等因素，生产工艺简单，因此高压直流一次性建设成本低于传统UPS供电系统。

运维成本主要包括电费和维修成本，高压直流供电电源转换效率的提高，可节约35%～60%电费成本。在维修成本方面，由于直流供电系统的可靠性远高于交流UPS系统，且采用的整流模块化结构，现场替换非常方便，故维修成本也大大减小。

高压直流供电也不是十全十美，存在着以下缺点和问题：

（1）直流与交流电压的峰值虽然差别不大，由于没有过零的存在，直流电压危险性远远大于交流电压。

（2）对配电开关性能要求高。对于交流电，当短路时，过零点的存在使开关断开时产生的电弧容易灭弧。直流电因无过零点，灭弧相对困难。因此，直流供电系统采用的直流配电器件必须符合较高的安全要求，相应建设成本也会增加。

（3）数据中心设备种类繁多，虽然大部分使用开关电源的设备都可以用高压直流电源供电，但也有不少设备无法直接使用，如：具有启动过压保护功能的设备，不能直接进行使用，需要降压启动；具有输入端频率检测启动的设备，不能直接进行使用；部分电源对地设计有电感滤波，虽然不影响使用，但会造成正极接地；少数设备的电源输入端有工频变压器，输入直流会产生短路；风扇类设备要区别对待，交流输入的风扇使用直流电源会产生短路；显示器设备区别对待，CRT（阴极射线管）显示器，内部有交流激励回路的，不能使用直流供电。

因此，在数据中心电源改造之前，应检查所有负载的电源型号，记录在案，对于不能直流供电的设备另行处理。

3 边防数据中心采用高压直流电源系统工程设计中需注意的问题

高压直流应用在国内应用越来越多，未来将出现高压直流供电与传统交流UPS混合并存过度时期，从节能环保和可靠性方面考虑，建议边防部门新建数据中心可考虑采用高压直流供电系统；对原有机房改建、扩容的，更新设备可采用高压直流供电系统，原有UPS损坏或寿命到期时，可改用高压直流供电系统。在工程设计建设过程中，应注意把握以下几点：

（1）系统容量的选择。数据中心系统供电宜采用分散供电方式，单个系统容量最大不宜超过600A。应采用模块化设备，便于后期扩容。

（2）HDVC系统应对地悬浮。高压直流供电系统应采用对地悬浮方式，正、负极均不得接地；交流输入应与直流输出应电气隔离，直流输出应与机架、外壳、地电气隔离。

（3）系统应该配置有绝缘监控装置。由于高压直流电源系统不接地，当高压直流供电系统的负载出现故障时，对高压直流供电系统本身的保护及维护人员的保护就显得非常重要了。为了及时发现这种碰地故障，有必要对系统配置绝缘监控装置，用于监视直流系统对地绝缘状况，便于维护人员对供电回路的绝缘故障进行判断、查找和处理，保障设备系统及人身安全。

（4）采用直流型断路器及双极开关。HDVC的输出直流电压交高（240V），灭弧会很困难，要选用专门针对直流设计的直流型断路器，决不能将交流型断路器用在直流电路上。另外，由于高压直流电源系统直流电压高、正负极均不接地，两极都应安装开关，通过采用双极开关来分担分断电弧电压。这里特别提醒：为了安全起见，当采用高压直流电源系统替换现有UPS系统时，应将未端设备机架原有PDU的交流单极输入空开更换为与上一级同容量的双极直流断路器。

（5）统一系统未端负载的接线标准。直流输出“负”极对应于设备输入电源线的“L”端，直流输出“正”极，对应于设备输入电源线的“N”端，并将设备输入电源线的“地”端与系统保护地可靠连接。

4 结束语

通过全文的分析对比，我们可以看到在边防数据中心采用高压直流供电模式与传统的UPS供电模式相比有，在节能、可靠性等方面优势明显。高压直流供电模式在边防各级单位数据中心的应用，具有广阔的前景。

参考文献：

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