240V 直流供电系统在传统计算机房电源改造中的应用

肖奇良

（广东南方电信规划咨询设计院有限公司，广东 深圳518038）

传统的数据机房经过多年的运行，其普遍采用的不间断电源——交流UPS 电源系统已经达到报废年限，故障率高，尤其塔式UPS 系统中的电容等重要易损耗部件，在运行中故障率很高，业界已出现多起运行过程中严重故障，损失惨重。

如何对传统计算机房的不间断电源系统进行升级改造，从而满足系统供电可靠性、兼容性，兼顾节能减排等特点，这一棘手的问题摆在计算机房管理者面前。而近年来，在信息技术供电系统中，随着240V 直流供电系统的深入应用研究，已在多方面体现出了较大的应用价值。

1 传统UPS 的供电模式

传统的UPS 供电系统主要有以下四种供电方式：单机供电、热备份供电、并机供电、双母线（2N）或三母线（3N）供电。

以常用的1+1 并机供电方式为例，系统主要包含输入配电部分、UPS 主机（含蓄电池）、输出配电部分，UPS 系统向设备提供220V 交流电源。低压配电系统交流电源正常时，UPS 设备按1+1 并联冗余的模式向计算机机房的设备供电，UPS 电源经配电屏送至各列头柜，列头柜向主设备机架送电。低压配电系统交流电源不正常停止供电时，由UPS 电池组向UPS 提供直流电源，经UPS 系统逆变成交流电源后向列头柜送电，列头柜分别向主设备机架送电，从而保证对主机架的不间断供电。

2 240V 直流供电系统供电

240V 直流供电系统主要由交流配电、高频开关整流器、直流配电、蓄电池组、监控单元、绝缘监察等组成，高压直流电源系统向设备提供240V 直流电源。

交流电源供电正常时，整流器对负荷供电，并对蓄电池组进行浮充充电；交流电源供电不正常停止供电时，整流器停止工作，由蓄电池组向负荷供电，从而实现对用电负荷的无瞬间中断供电。

3 可行性分析

IT 设备（计算机及其外设）主要采用高频开关电源技术为机内电源。在市电入口安装整流桥电路，使交流电通过整流桥之后变成直流电。这就意味着IT 设备与元器件之间都是通过直流电源连通的。所以，该系统是可以直接使用直流电源进行供电的，不需要对原设备进行任何改动。

从电子电路原理来分析，输入一个合适范围内的直流电压到DC/DC 转换器，同样可以满足IT 设备安全工作。这种设计在输入端是没有电容和电感线圈的，所以当使用直流电输入时，不会产生短路阻抗。因此就没有必要交流输入，整个系统也就不需要使用交流UPS，这样了自然消除了UPS 交流供电引起的不良因素。采用直流供电系统+蓄电池，在满足设备输入电压要求的同时辅以远程控制，构建满足现在大部分IT 设备电压等级的直流电源系统，就能够取代交流电源供电系统。

整流桥是IT 设备开关电源的前级，它的作用是为后级提供波动的直流电源，整流桥后的直流电压区间为：DC 250V～336V（交流输入电压：AC 220V），整流桥对于直流输入可看做是直连，只需在交流输入端输入适当范围的高压直流，就可以满足IT 设备开关电源正常工作。

通过对计算机设备电源元器件的电流、电压、耐热性测算，额定电压为240V 的直流供电系统对现有计算机房的设备具有很好的兼容性，无需对原有的交流电源适配器进行改造就可以进行替代性工作。

故，240V 直流供电系统在传统计算机房电源改造中，作为UPS 系统的电源替代方案为设备提供不间断电源是完全可行的。

4 工程实际案例

通过以上的可行性分析，针对老旧计算机房不间断供电系统存在的问题，在保证方案可行的基础研究上，本人先后对多个在用系统进行了不间断电源替换改造，采用240V 直流供电系统替代传统UPS 供电系统，无论在电源系统稳定性、可维护性、以及节能减排等方面都取得了良好的效果。下面以其中一个工程实例进行说明。

4.1 不间断电源负荷

工程不间断电源系统负荷主要包括服务器、交换机等网络设备、以及动环监控设备等，现场统计采集到的设备负荷为20KW，为满足系统的延展性，系统近期设备负荷按照36KW 进行计算，该负荷作为后续电源容量配置的参考依据。

4.2 系统配置及主要技术要求

根据负荷需求，工程配置1 套240V 直流供电系统，含交流配电屏1 架、整流机柜（含12 块20A/240V 整流模块）1 架、总输出（直流）屏1 架、200Ah/240V 电池组2 组）（图2）。

4.2.1 交流输入

4.2.2 系统配置

设备运行时的浮充电压和均充电压是由蓄电池的技术参数确定的，可以在一定范围内进行调整。系统输出电压可调区间216V～312V，在此区间内输出额定电流。

蓄电池配置：系统采用相对稳定可靠的铅酸蓄电池，单体电压为12V/200Ah 蓄电池共40 只，其中每20 只串联成1 组，共2组，2 组之间采用并联方式并入240V 直流供电系统，作为系统的在线后备电源。

整流模块配置：整流模块数量配置按负载电流加上0.1C10的充电电流计算，采用N+1 冗余配置，其中N 个主用，N≤10 个时，1 个备用；N>10 个时，每10 个多备用一个。根据容量需求情况，系统共配置20A/240V 模块12 块（10 主2 备），整流模块具备模块休眠功能，起到节能减排的目的。

4.2.3 其他要求

告警：由于240V 直流电相对36V 安全电压的电压较高，存在一定的安全隐患，为保障网络及人身安全，在重要位置的断路器、熔断器（如蓄电池组）等，告警时应能发出声光告警。

交流输入：采用交流断路器对系统进行保护，防止总输入过流。每个整流模块配置一个独立的断路器。

直流输出：正负极输出都应安装过流保护器。除末级输出外，直流输出的各级配电均应采用直流断路器或熔断器进行保护。直流输出末级开关也应加断路器保护。熔断器或断路器都应该能适应系统的直流电压。

直流输出电缆颜色标志：- 正极：棕色；- 负极：蓝色。

直流配电部分电压降：环境温度25℃时，直流配电部分电压降不超过500mV，全程压降不超过额定电压5%，即12V。

系统整体效率不小于95%。

对于现有服务器的电源线，应考虑直流正负极与设备电源线L、N 线之间的对应关系，建议如下：其中直流正极对应设备输入电源线的N 极，直流负极对应设备输入电源线的L 极，设备输入电源线的PE 极与系统的保护接地进行可靠连接，如下图所示。

对于投产时间较长的服务器设备，有可能采用的是半波整流方式的电源，这种情况下，不能采用上述接线方法。需要将系统的直流正极对应设备输入电源线的L 极，直流负极对应设备输入电源线的N 极，才能保证服务器电源正常工作。应在设备上架之前，采用模拟电源对设备进行检测，在确保设备采用直流供电能够正常运行后，再进行上架。

5 系统优势

采用240V 直流供电系统代替UPS 电源系统在传统计算机房中的为数据设备供电是业界的一个发展趋势。240V 直流供电系统与UPS 不间断电源系统相比较体现了多方面的优势。

5.1 可靠性高

由于直流供电模式，蓄电池作为电源无需经过逆变器供电，直接并联负载端，更好的实现了不间断供电；另外，直流供电只有电压振幅这一个参数，不存在相序、频率、相位等需要同步的问题，系统并机可靠性高；另外，由于系统不存在并机板的单点故障问题，即使脱离控制模块，也能顺利并入系统为负荷供电。

5.2 工作效率高

由于系统采用直流直接为设备供电，略过了逆变环节，从而可以节省由于逆变产生的电能损耗；另外，因直流系统功率因数较高高且谐波含量低，能有效降低线路损耗，系统效率高；最后，由于采用直流系统采用的是模块化设计方案，可以通过多模块并联使模块负载率较高，结合整流模块休眠功能，系统可以控制在较为经济的工作效率。

5.3 可维护性好

由于采用模块化结构设计，支持热插拔操作，有助于系统的扩容和维护；另外，若系统进行扩容，由于直流系统没有相位、相序、频率等的并机要求，扩容性好，并机简单。

结束语

由于240V 直流供电系统较传统UPS 存在较为明显的优势，本人在实际工程设计案例中也多次就这一技术方案进行实际多场景设计运用，根据后期系统运行效果来看，其供电安全性、系统兼容性、绿色经济性均体现出比较优越的特性。因此，240V直流供电系统在传统计算机房作为运行多年的UPS（特别是塔式UPS）电源系统的替换改造方案，具有很好的推广意义。