数据机房高压直流供电模式的探讨--中国移动

数据机房高压直流供电模式的探讨中国移动通信集团高健周平颜士军摘要：随着信息技术的发展和数据业务的迅速扩大，电信网络正处于变革之中，电信网络的变革必然影响到电源系统。数据通信设备要求交流电源与电信设备传统的-48V直流电源不兼容，因而对电源设备提出了新的要求——应达到高可靠性、高可用度和高效率的要求。如何构成这种新的电源系统？这是通信电源系统设计有待解决的新问题。上个世纪90年代末以来，国内外已开始注意和研究适应数据通信设备融合的电源系统结构，提出了一些新型实施方案。我们也在探索合理的数据机房供电系统，下文将简要分析与探讨。关键词：数据机房高压直流270V一、前言今天，数据设备中使用交流电源的信息通信设备种类越来越多，而且容量越来越大，UPS供电系统已经广泛地应用于各通信运营商的通信局站中。随着我国通信行业的高速发展，数据业务的快速增加，通信局站的UPS供电系统已经成为网络安全的重要一环，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。尽管出现了双总线UPS供电系统，增加了UPS供电的可靠性，但随之又加大了机房使用面积及增加了设备投资，UPS供电系统的安全运行已经越来越受业内人士的高度重视，同时也是维护人员最为担心的重要一环。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。本文将对一种新型的高压直流供电系统做一些应用探讨。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。国际电信能源会议的组织者很关心这项工作，经常发布各国的论文，如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》；法国电信和阿尔卡持公司相继于1999年提出《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》和瑞典《在Gnesta市数据中心运行一年的9kWHVDCUPS供电系统》等论文。二、高压直流供电解决方案与传统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或图2420V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。图1供电示意图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，在试用中优点得到了较充分的体现。1服务器电源直流供电的可行性1.1ATX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的供电要求（2GHz主频的P4功耗达到52.4瓦）。鉴于ATX的普遍使用和高压直流供电的优势，因此希望探讨采用直流高压供电和ATX电源结合的供电的方式，即对ATX电源采用直流供电，然后由ATX电源输出所需电压的可行性。分析过程：图2典型ATX电源的整流逆变部分电路图2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，后端的输出也将一致，所以本文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。根据对图2的电路分析，在电路上端的开关接230V时，等效简化电路与交流电源时一致，其采用直流与交流供电时结果A、B两点的电压波形几乎完全一致，采用直流供电时将没有交流供电经过整流滤波仍存在的少量的电压波动（如图3所示），效果将更好。图3.直流供电后A、B两点电压将与交流供电电压波形一致然而当电路上端的开关接115V接口时，前端电路所受主要影响的通路如图4所示，其采用直流供电时将产生严重的后果。图4开关接115V接口时，前端电路所受主要影响的通路当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，若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。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，因此ATX电源不可以采用直流供电。，1.2SSI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。现在IDC机房的服务器内部一般使用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。计算机设备的高频开关电源的基本工作原理如图5。图5将图5简化，如图6、图7，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。理论计算因此，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值的范围是252V～308V。这个值是电源的标称电压，实际上，CD后端的DC/DC变换器是通过调节开关脉冲的占空比即开关管的导通时间来控制输出直流电的电压的，因此，电压范围可以高于308V。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。如图5，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≈Uo图6交流输入图7直流输入三、高压直流供电方案特点1．直流供电替换交流供电的优点可靠性直流电源模块化输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,可杜绝系统崩溃带来的断电风险。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。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,(原理如图3)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，电容元件的失效问题是影响设备寿命和故障的一个重要因素。交流电经过整流桥之后是脉动直流电，使后面的电容元件不停的充放电，寿命缩短。采用直流供电,元器件的寿命可延长.同时也延长了负载设备的寿命，提高了其可靠性。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，能有效延长电池的使用寿命，降低运营成本，提高供电的可靠性；UPS电池管理简单、不全面，同时电池容量损失速度也很快。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存在输出功率因数，一般在0.6～0.8。安全性直流高压电源系统，是标准电气柜，安全性高，并且对分路输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。2.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次变流效率一般在70%左右，这样可大大节省能源，降低运营成本。四、高压直流供电系统实例220V±10％或者110V±10％是一个行业基本的规范要求，服务器电源在开发时，由于国内外电压等级的不同，考虑兼容性，同一款电源适应不同的电压等级，电脑服务器基本都是宽电压输入，输入电压范围一般在AC90～269V,经过全桥整流后，直流电压的理论值在DC127V～380V。从理论上讲，只要在前端输入直流电压在DC127V～380V之间，考虑到直流输入只利用了两个整流二极管，把DC127V带入式5，可得U直=162V，也就是说，只要直流输入电压高于162V,二极管的发热就不会超过低压交流的数值，服务器电源就都工作在正常状态，结合电压安全等级和改造的可操作性，建议浮充电压在DC260V～270V。1..高压直流供电系统主要技术数据目前中移动在苏州干将路数据机房高压直流供电的电源系统，是首个提供业务使用（苏州移动生活网）的，并先后在苏州新区、园区机房投入使用。高压直流供电系统主要有交流配电屏、高压开关电源整流机架、高压直流配电屏和蓄电池组组成。整流机架的交流输入引自交流配电屏，经机架内并联的整流模块组将380V的交流电源变为高压直流电，再通过高压直流配电设备供给数据通信设备，并同时为蓄电池组进行充电，最后由数据设备中的直流－直流变换设备将高压直流电变为＋12V、＋5V等低压直流电直接为数据设备中的电子负载所用。当交流输入电源故障时，则由蓄电池组经熔断器进行放电，再通过高压直流配电设备为数据通信设备提供可靠的直流电源。高压开关电源整流机架主要技术指标：1)高频开关整流器模块化2)交流输入电压及范围3)输入功率因数4)效率5)输入电流谐波分量6)软启动性能7)输出额定电压8)输出电流及限流特性9)杂音电压10)噪音11)告警性能12)模块均流特性13)蓄电池智能充电管理14)电磁辐射15)绝缘性能16)自动控制性能17)输出稳压精度18)输出动态特性19)节能功能20)监控性能21)抗震性能22)高温环境适应性能23)接地24)可靠性指标型号参数指标备注项目DC270V输入电压380V±15%输入频率50HZ系统输出电压DC270V系统输出电流≦180A稳压精度≤0.5％稳流精度≤0.5％纹波系数≤0.1％转换效率≥92％额定输入电压，额定负载功率应数≥0.93输出过压保护295V±5V输出欠压告警194V±5V输入过压保护AC465V±5V可恢复输入欠压保护AC295V±5V可恢复过温度保护85℃模块关机保护，降温后可恢复绝缘电阻≥10MΩ绝缘强度输出对地，输入对地，输入对输出施加AC2000电压，时间1min无飞弧无闪络相对湿度≤95％环境温度-5℃～45℃噪声≤55db(智能风冷,无级调速)≤39db(自冷)柜体尺寸800（宽）×600（深）×2200（高）高压直流配电屏主要技术指标：1)直流输出分路2)绝缘3)接地4)告警性能5)抗震性能由于高压直流供电系统在对数据设备供电时的中间环节比传统UPS供电系统简单，所以高压直流供电系统对比传统UPS供电系统具有独特优势，而这种优势也是传统UPS供电系统所无法取代的。五、结论目