数据机房高压直流供电模式的探讨

数据机房高压直流供电模式的探讨中国移动通信集团Page2of62前言随着我国通信行业的高速发展，数据业务快速增加，传统的UPS供电系统的大量应用加剧了通信局站的供电压力，增大了安全隐患，也加大了设备维护工作量。而众所周知直流供电系统的可靠性要高于UPS供电系统，那么我们能不能找到一种新的供电系统来取代UPS供电系统，消除人们的顾虑呢。因此我们对一种新型的高压直流供电系统做一些应用探讨。Page3of62前言而自上世纪80年代以后，很多国家都在研究和实施300‾400V高压直流(HVDC)供电系统。在INTELEC上经常发布有各国的相关研究论文：1999年日本代表提出《290V直流供电系统是电信和数据高效和可靠的供电系统》1999年法国电信和阿尔卡持公司提出《供电给新的电信网络和服务用的新的供电系统》2000年又发表了《用于电信和数据融合的整流型AC供电的新方法》2007年发表了美国《在电信和数据中心改进能源效率的400V直流供电系统的评估》2007年瑞典《在Gnesta市数据中心运行一年的9kWHVDCUPS供电系统》等等论文。Page4of62目录传统的UPS供电模式高压直流供电的特点高压直流供电的可行性高压直流供电的实例Page5of62UninterruptiblePowerSystem的缩写UPS，也就是不间断电源系统。在通信行业中，我们所说的UPS供电系统通常指的是交流用不间断电源系统。就是当市电正常输入时，UPS通过整流、逆变为负载提供高质量的交流电源，同时其整流部分对蓄电池组进行充电；当市电中断（事故停电）或输入故障时，由UPS蓄电池组进行放电，通过逆变部分持续为负载提供高质量的交流电源，使负载维持正常工作。传统的UPS解决方案Page6of62传统的UPS解决方案蓄电池的备用时间一般设计为计算机有序关机或备用发电机组启动投入供电所需要的时间（一般为10～30min）。UPS本身故障时负载可经静态开关转换到旁路电源（市电）。市电长时间停电时，由备用发电机组替代市电，提供交流输入电源。Page7of62传统的UPS解决方案整流器直流变换器电子器件整流器逆变器静态旁路蓄电池组输出开关交流配电柜手动旁路在通信大楼内UPS供电系统无论采用哪种形式组成的，UPS供电系统对负载供电的方式基本都是一样的。UPS供电系统主电路图商业机器内部供电图Page8of62下图给出了传统的数据通信设备用UPS电源系统结构：传统的UPS解决方案Page9of62传统的UPS解决方案随着电子产业的发展，UPS从上世纪末的出现到现在，也经历了从最初的6脉工频机，到现在12脉工频机、高频机，UPS技术也在不断地发展，而且近年的模块化UPS也应用于通信领域当中。可以说，大量的UPS供电系统的应用解决了目前交流通信设备的用电需求。Page10of62传统的UPS解决方案在通信局站中，常见的UPS供电系统主要有以下几种：单机系统、1+1双机并联冗余系统、双机主从并联系统（双机串机系统）、n+1多机并联冗余系统，由于通信设备的需要，还有由以上系统组成的双总线UPS供电系统。Page11of62UPS供电模式串联热备份此种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，目前已经较少采用传统的UPS解决方案Page12of62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故障被切离，UPS系统不用做任何切换，仍可工作在在线模式。可以根据负载量，通过增加UPS的方式实现系统容量扩充。Page13of62双总线供电方式Page14of62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2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。此方式也很好的消除了单点故障，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。Page15of62传统的UPS解决方案由于UPS供电系统大多采用并联冗余系统，也就是两台或者多台交流电源直接并联向负载进行供电，这就不可避免的会有些必须解决的问题。一、环流问题；二、并机带来的问题；三、系统电路复杂；四、能耗问题；五、旁路问题；六、占地面积大，尤其是双总线UPS供电系统。Page16of62目录传统的UPS供电模式高压直流供电的特点高压直流供电的可行性高压直流供电的实例Page17of62高压直流供电方案概述与传统48V供电系统类似，高压直流供电系统是由多个并联冗余整流器和蓄电池组成的。在正常情况下，整流器将市电交流电源变换为270V、350V或420V等直流电源，供给电信设备，同时给蓄电池充电。电信设备需要的其它电压等级的直流电源，采用DC/DC变换器变换得到。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，由备用发电机组替代市电，提供交流输入电源。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。Page18of62高压直流供电方案目前在国内通信中主要试用了270V电压级别的高压直流电源系统，在试用中优点得到较充分的体现。Page19of62服务器电源Page20of62高压直流供电方案理论服务器电源直流供电的可行性1.ATX标准（功因低、谐波大、效率低）ATX标准是Intel在1997年推出的一个规范，输出功率一般在125瓦～350瓦之间。ATX电源通常采用20Pin(20针)的双排长方形插座给主板供电。随着Intel推出Pentium4处理器，电源规范也由ATX修改为ATX12V，和ATX电源相比，ATX12V电源主要增加了一个4Pin的12V电源输出端，以便更好地满足Pentium4的供电RPage21of62ATX可行性分析图典型ATX电源的整流逆变部分电路Page22of62参见前图的ATX电源典型电路（来源于华硕的DTKPTP-2038）中的整流及逆变部分，由于电源中存在开关变压器的隔离作用，因此，只要开关变压器前端的电源波形合适，后端的输出就也将一致，所以在这里只分析在供电电源由交流变为直流的情况下，开关变压器前端的电压波形变化情况。ATX可行性分析Page23of62图直流供电后A、B两点电压将与交流供电电压波形一致ATX可行性分析Page24of62图开关接115V接口时，前端电路所受主要影响的通路ATX可行性分析Page25of62在采用交流供电转为直流供电以后，C点电压将由交流（具体电压幅值视具体电路而定）转为恒定直流275V，这样，D点的电压也将由交流正弦波形转化为由三极管Q1、Q2控制的方波波形，由于其余电路部分过于复杂，在此先不作分析，但是，由于三极管Q1、Q2的导通与关断取决于D点的电压振荡，而采用直流供电后该点电压的振荡过程发生了明显的变化，这会导致开关变压器波形的明显变化，影响电源的正常输出。再加上其他未分析的影响，将供电电源由交流改为直流将对后面的电路产生严重的影响。ATX可行性分析Page26of62结论：由上面分析可得，将ATX电源的供电改为直流供电将产生严重的后果，ATX电源不可以采用直流供电。ATX可行性分析Page27of622.SSI标准SSI（ServerSystemInfrastructure）规范是Intel联合一些主要的IA架构服务器生产商推出的新型服务器电源规范，SSI规范的推出是为了规范服务器电源技术，降低开发成本，延长服务器的使用寿命而制定的，主要包括服务器电源规格、背板系统规格、服务器机箱系统规格和散热系统规格。Page28of62SSI电源标准Page29of62SSI电源标准Page30of62SSI标准分析现在IDC机房的服务器内部一般均使用了SSI高频开关电源，把外部输入的交流电转化为内部电子电路所用的直流电。Page31of62图4交流输入SSI标准分析将上图简化，如图4，图5，实际上在交流输入的时候，在正半周，电流的走向是从A—2—C—D—4—B，在负半周的时候，电流的走向是从B—3—C—D—1—A，整流管1、3和2、4轮流导通。理论计算，Page32of62图5直流输入SSI标准分析标称是220V交流输入（即Ui＝220）的设备，在CD输出的直流电压Uo≈280V。一般服务器的电源输入电压要求是220V±10％，即198V～242V，因此，Uo的值的范围是252V～308V，这个值是电源的标称电压当采用直流电压直接输入AB时，由于电压不变相，整流管2、4长期导通。如前图，这样，电压从AB端直接传到CD端。若不考虑整流管的自身损耗，则Ui≈UoPage33of62结论：由上面分析可得，将SSI电源的供电改为直流供电后完全可以运用。SSI可行性分析Page34of62目录传统的UPS供电模式高压直流供电的特点高压直流供电的可行性高压直流供电的实例Page35of62直流供电替换交流供电的优点:可靠性直流电源模块化輸出和电池直接并联给负载供电,后备电池与电源后段并联给服务器构成2路冗余供电，可靠性高，真正不间断；如果UPS后备电池只是与电源前段并联给DC/DC供电，整个系统供电对数据设备不是冗余供电模式。在某种原因下UPS系统崩溃,电池不能直接应用,导致后端设备断电。而采用直流供电,杜绝系统崩溃带来的断电风险。Page36of62可操作、维护性并机容易，并且可以做成系统解决方案，做到安全不间断割接，功率部分采用模块化,支持带电热插拔,可快速更换，功率部分和监控功能模块CSU之间正常工作是监控单元CSU控制,故障时各自独立控制,避免故障扩散.更换模块和监控单元CSU是互不影响的，便于维护；UPS一般是一体化，并机相对难度大，并机数量有限，不间断割接困难，维护也相对困难。直流供电替换交流供电的优点:Page37of62提高负载的可靠性计算机等开关电源内部的桥式整流变为直流电正负极防接反电路,即使计算机输入电源的正负极接反,不影响计算机的正常工作.影响设备寿命和故障的一个重要因素是电容元件的失效问题,交流电经过整流桥之后是一个脉动直流电，使后面的电容元件不停的充放电，寿命缩短。采用直流供电,元器件的寿命延长.延长了负载设备的寿命，提高了其可靠性.直流供电替换交流供电的优点:Page38of62智能化管理直流高压开关电源系统与传统48V直流电源系统一样，可以很方便的对电池进行全面的智能化管理,具有完备的电池管理系统，有效延长了电池的使用寿命，降低了运营成本，提高了供电的可靠性；UPS电池管理简单、不全面，电池容量损失速度快。直流供电替换交流供电的优点:Page39of62降低谐波干扰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,UPS存在輸出功率因数，一般在0.6～0.8。直流供电替换交流供电的优点:Page40of62安全性直流高压电源系统，是标准电气柜，安全性高，并且对分路輸出和母线的绝缘状况实时监控,对人身伤害预警大大提高；UPS非标一体柜，安全性低。直流供电替换交流供电的优点:Page41of62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；UPS性价比低。直流供电替换交流供电的优点:Page42of62高效节能由于省掉了逆变部分,直流开关系统经过2次变流，电源效率达到92%以上，UPS系统经过4次变流效率一般70%左右，这样大大节省能源.降低运营成本.直流供电替换交流供电的优点:Page43of62节能以一个10kW的数据设备为例，我们可以通过以下两组数据说明这一点。传统UPS供电系统数据设备功耗：10kW数据设备整流损耗（75%效率）：3.33kWUPS损耗（85%效率）：2.35kWUPS输入功耗即为15.69kW若空调功耗取UPS输入功耗的0.4，其空调功耗为6.27kW合计功耗：21.96kW每年能耗：192376kW·h按0.8元/度计算电费，每年需153901元人民币的电费。Page44of62节能高压直流供电系