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浅谈直流供电系统在数据中心的应用与产品选型

2020-08-04

摘要:文中介绍了240V 直流供电系统的设计理念,并分析了其系统优势,相对于传统 UPS系统,240V 直流供电系 统在提升系统可靠性及可用性、降低电网污染、提升供电效率、减少建设和维护成本、提高管理智能化程度等方面具有明显的优势。在此基础上,文章分析了240V 直流供电系统在数据中心的适用性,并针对数据中心常见的传统供电模式给出替代解决方案。

 

关键词240V直流;PFC;单母线;双母线;一体化供电

 

0 引 言

随着计算机网络的普及和数据业务的快速发展,机房供电也朝着大容量、高可靠的方向发展。但是机房规模的扩大使得机房的耗电问题、扩容问题和维护问题日益突出。传统的UPS供电模式在可靠性、安全性及高能耗等方面的问题也越来越多,尤其是传统大功率UPS(通常指容量在30KVA以上)可靠性低、建设成本高、维护及扩容难度大、供电效率低、电流谐波大等局限性逐渐 显。业界在努力提升传统 供电质量的同时,也在不断探索能够替代传统大功率UPS供电的新技术。随着行业标准《YDT23782011通信用240V直流供电系统》于201221日开始实施240V直流供电技术作为设备不间断供电的重要发展方向逐渐开始引领市场潮流。

本文从240V直流供电系统的设计理念入手,分析其系统优势,针对数据中心现行供电系统中的单/双母线供电模式和一体化供电系统,提出了240V直流供电系统的替代方案,为数据中心供电系统的改造和建设提供一定的借鉴。

 

1  240V直流供电系统设计理念 

240V直流供电系统主要借鉴了通信高频开关电源的设计思路,在通信电源-48V高频开关电源的基础上,通过提高输出电压、采用悬浮供电,并引入电力电源监控技术[2]。它是基于原有交流设备供电的一种新型供电模式,同时也是对传统交流设备供电系统的一种创新。240V直流电源系统原理如图1所示。

 

1直流供电系统原理框图

 

 

2  240V直流供电系统的优势分析

240V直流供电系统很有可能是UPS发展的下一个阶段,不仅是因为高压直流UPS几乎能够合理传承当前所有UPS的热点和前沿技术,也不仅是它能够兼收传统UPS-48VDC 通信电源之间所长而摒弃其短,更重要的是它能够在实现传统UPS所有功能的基础上更好地满足负载供电的可靠性、经济性和适应性

2.1 提升可靠性及可用性

和传统UPS相比较,240V直流供电系统的可靠性及可用性提升主要体现 在 以 下 几 点:240V直流供电技术简化了电路的逆变环节,取消了逆变器和与之配套的相关电路,硬件电路的简化使故障点大大减少,降低了系统故障率;整流模块可 N+X 冗余配置,故障模块可自动退出,从而避免了电源间断的问题;传统的交流 UPS电源采用将所有电源输出功率集中在单台设备的配置模式,而240V直流供电系统采用智能分布式功率分配模式,即将输出功率分配到系统配置的各个电源模块;蓄电池组并联于电源输出端,可以直接对设备供电,同时还可以作为滤波池滤除电网串过来的毛刺以及其他供电支路谐波的影响等等。

2.2 降低电网污染

UPS的逆变器是电污染源,它工作在高压大功率高频开关状态,会产生大量的谐波电流。谐波会对电网及供电系统产生谐波干扰,造成设备故障、发热、寿命降低等后果。同时,为治理谐波而增加的滤波设备,也为UPS系统引入了新的故障点。

240V直流系统取消了逆变环节,避免了大部分电网污染,且其高频开关电源模块采用了PFC技术,输入电流谐波小,抗电磁干扰能力强。

2.3 提升供电效率

UPS采用AC-DC-AC模式,它有两个逆变环节,一是整流滤波(AC-DC)环节,二是逆变(DC-AC)环节,两次变换使得其本身效率较低;UPS采用冗余配置使自身工作在更低效率的负载率区间;另外,UPS产生的谐波电流还会在供电回路上造成损耗,引入滤波设备自身的损耗等也降低了UPS的供电效率。

240V直流系统简化供电结构,取消UPS逆变及服务器电源再整流过程,变换损耗低;采用高频软开关技术,整机效率高;采用模块休眠等技术,模块工作在负载率区间,系统效率高;采用PFC因数校正技术,谐波电流小;直流输出有效电压高且无谐波分量,传输损耗小。

2.4 降低建设和维护成本

240V直流系统可实现灵活的直流整流模块N+X冗余配置模式,由于整流模块采用模块 化生产,使系统的扩容和维护方便,可以针对不同规模的用户灵活组建不同容量的直流后备电源系统,安装后备电源系统的容量根据需要可分步投资和建设;直流电源功率密度高,安装空间占用少;直流电源较UPS采购成本低;同等的直流电系统,要比中大型交流UPS系统成本低、维护简单、可操作性强。

2.5 提高管理智能化程度

严格按照蓄电池给定参数使用和定期的维护,是解决蓄电池组使用寿命的有效方法,合理、科学地使用和及时的维护可有效地延长蓄电池使用寿命。240V直流系统具有智能化电池管理功能,可对蓄电池实施智能化的充、放电管理;按电池组充电曲线对电池组进行智能化的充电管理和放电维护,大大提高了蓄电池组的使用寿命,同时大大减轻了用户对系统维护的工作量;还具备单体电池的巡检功能,可对电池组进行实时监控,发现落后单体后立即报 警,提醒用户及时处理,可避免故障的进一步扩大,如整组电池报废等。此外,240V直流供电系统具有完备的监控功能,提供了通讯接口,实现了机房电源系统的联网控制,大大提高了电源系统的管理自动化程度。

 

3  数据中心240V直流供电解决方案 

伴随着通信行业的发展,通信电源系统也发生了质的变化。现代IDC机房规模变得越来越庞大,消耗的功率也越来越大,从分散风险和节能减排的角度考虑,要求动力保障系统分散供电,供电方式从过去的集中式供电转变为分散式供电。然而,由于交流电存在电压、频率、相位三要素的约束,使得UPS并机存在不确定性。为了克服这个缺点,减少UPS的并机数量,UPS的单机功率变得越来越大,供电方式越来越趋向集中,大量这种UPS系统的在线运行,使得数据设备面临的风险随时间的增加而不断积累。240V直流供电系统具有可扩容性、维护方便性、割接风险小的特点,恰好克服了UPS的这种不确定性,能够较好地满足数据中心的建设和改造

3.1 可行性分析

从数据中心机房用电设备侧考虑,首先,IT设备(计算机及其外设)机内普遍采用高频开关电源技术,设备电源具有高频开关电源特性,即输入侧没有工频变压器,输入直流不会产生短路阻抗,因此可采用直流输入;第二,设备电源模块采用直流输入,整流桥半桥导通,因此可以采用一定电压值的直流电提供能量;第三,IT 设备电源模块是恒功率模块,提高输入电压,可以降低整流二极管载流量,从而提高直流状态下的稳定性。所以,只要输入合适电压的直流电,就可以使用直流电源接入原来的交流电入口,直接对用户设备进行供电,而不必对原设备进行任何改动。

从上述可行性分析可知IT设备中绝大部分都是可以采用同电压等级的直流电源替代交流电源供电进行工作的。通信用240V直流供电系统,可以在不改变用电设备交流供电电压等级的前提下,对现行通信网络上使用交流220V供电的计算机、服务器、路由器、磁盘阵列等IT设备兼容性地提供直流供电,以提高对上述通信网络系统设备安全供电的保障能力。另外,从节能减排的角度考虑,和传统UPS相比,240V直流供电系统具有较高的系统供电效率、智能休眠节能功能和成熟的智能电池管理功能,能够有效地降低能耗,节省电力资源,符合国家节能减排的指导思想,是数据中心供电系统的发展趋势。

3.2 适用场合

240V直流供 电系统具有运行维护简单、系统组态灵活、功率密度大、智能化程度高等特点,因此,对于运营商自有设备为主的业务网及数据中心、新规划建设及改造供电系统的机房、蓄电池后备时间要求较长(>2H)的应用、设备负荷较大(>200kva)或机房承重及空间受限时,建议优先选用240V直流供电系统。如:各类大中型IDC机房、呼叫中心、电力监控机房、银行数据中心、电子商务企业数据中心、网站企业数据中心、证劵机构数据中心等场所具有规划比较完整,机房设备安装空间比较充足,电源设备标准化程度较高,设备现场安装比较规范,适合采用240V直流供电系统进行供电

3.3 240V直流供电解决方案

数据机房中较为常见的供电模式有单母线供电和双母线供电两种。单母线供电模式中,采用240V直流供电系统替代传统UPS并机系统具体的解决方案为:采用直流输出屏替代交流输出屏,采用直流列头柜替代交流输出屏,蓄电池组直接并联于系统输出端。图2给出了单母线供电模式中,240V直流供电系统替代传统UPS并机系统的解决方案。

 

 

2 单母线供电240V直流供电解决方案

 

同样,在双母线供电模式中,采用240V直流供电系统替代传统 UPS并机系统的具体方案为:采用直流输出屏替代交流输出屏,采用直流列头柜替代交流输出屏,如此便得到双母线供电模式中240V直流供电的替代解决方案,如图3所示。

 

3 双母线供电240V直流供电解决方案

 

为合理利用动力设备,很多数据中心都采用一体化供电解决方案。图4给出了 DC-BUS的供电系统解决方案。

 

4 一体化供电解决方案

 

4  安科瑞小母线监测产品介绍

4.1 概述

数据中心小母线系统是数据中心末端母线供配电系统的俗称近年来,随着数据中心建设的快速发展和更高需求,智能小母线系统逐渐被应用于机房的末端配电中,具有电流小、插接方便、智能化程度高等特点,即插式插接箱给各个机柜内的PDU分配电。始端箱和插接箱内可设置监测模块,将数据上传至动环监控中心

4.2 AMB智能小母线管理系统

1)交流系统功能:

遥测:三相电压、电流、有功功率无功功率、视在功率、功率因数、有功电能、无功电能、电缆温度,系统频率、零序电流、零地电压、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电压/电流谐波含量、电流/功率;

遥信:过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警缺相、过频率、频率越限、零地电压、零线电流、温/湿度告警开关状态、开关跳闸;    

2)直流系统功能:

遥测:电压、电流、功率、电能、电缆温度、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电流/功率;

遥信:过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警缺相、温/湿度告警开关状态、开关跳闸;                             

 

4.3 产品介绍

         型号

功能

AMB100-A

AMB100-A/W

AMB110-A

AMB110-A/W

AMB100-D

AMB100-D/W

AMB110-D

AMB110-D/W

测量系统

交流

 

 

 

 

直流

 

 

 

 

 

电参量

电压

电流

有功功率

无功功率

/

/

/

/

功率因数

/

/

/

/

有功电能

无功电能

/

/

/

/

电参量

零地电压、零序电流

/

/

/

/

漏电流

 

电力质量分析

电压、电流总谐波

/

/

/

/

电流、电压2~63次分次谐波

/

/

/

/

 

机柜温度、湿度

 

电缆温度

■(8路)

■(8路)

■(4路)

■(4路)

■(4路)

■(4路)

■(4路)

■(4路)

开关量输入

无源

2

2

2

2

4

4

4

4

有源

3

3

3

3

3

3

3

3

继电器输出

■(2路)

■(2路)

■(2路)

■(2路)

■(2路)

■(2路)

■(2路)

■(2路)

 

Modbus-RTU

1路

 

 

说明:■为标配功能。

 

5结束语

传统UPS具有单点故障多、可靠性偏低、建设成本高、维护及扩容难度大、供电效率低、电流谐波大等诸多局限性,而数据中心的快速发展对用电设备的供电质量提出了更高的要求240V直流供电技术的出现,是对传统交流不间断供电技术的一种探索和创新,一定程度上满足了当前业界对大功率交流不间断供电的需求,是通信交流设备不间断供电的重要发展方向。

 

参考文献:

【1】浅谈机房的高压直流供电应用[EB/OL].

2赵广超、潘立福、吴向阳、王琰。240V直流供电系统在数据中心的应用研究。

3】安科瑞数据中心IDC配电监控解决方案.2020.03版.

4】安科瑞企业微电网设计应用手册.2020.06版.

 

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