數(shù)據(jù)中心機房供電模式的探討

　　一、IDC機房對供電的需求有如下幾個特點

　　1、對供電要求高靠性

　　IDC面對的客戶一般都是企業(yè)級客戶，有的甚至為門戶網(wǎng)站，若負載中斷，IDC業(yè)務(wù)提供者，將會面臨巨大損失，因此對供電的可靠性要求很高。

　　2、負載容量大

　　IDC機房建設(shè)投入巨大，并且會考慮到未來幾年的業(yè)務(wù)增長，因此其要能承接足夠大的業(yè)務(wù)量。一般一個機房約放置50-100個機架，每個機架的負載量約為幾千瓦，因此一個機房的負載量約為幾百到上千千瓦，一個IDC中心可能建設(shè)多個機房。

　　3、相對集中的供電方式

　　為了分擔(dān)風(fēng)險，同時又考慮到集中供電的方便管理性，一般按一個機房的負載容量來考慮，負載量約在幾百到上千千瓦。

　　4、對設(shè)備的諧波污染要求高

　　隨著國家對節(jié)能、環(huán)保的要求越來越高，電信運營商積極響應(yīng)，同時，IDC機房也是用電大戶，是供電單位的重點關(guān)注對象，對諧波關(guān)注的程度高，這已經(jīng)是趨勢。

　　二、 傳統(tǒng)的UPS供電解決方案

　　傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信設(shè)備要求交流輸入電源，一般是與市電電源的電壓和頻率相同的電源，即220V，50Hz的單相交流電源。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信設(shè)備的電源系統(tǒng)是UPS系統(tǒng)， UPS系統(tǒng)一般由整流器、逆變器、蓄電池和靜態(tài)開關(guān)等組成，市電正常時，市電經(jīng)整流器變換為直流電供給逆變器，同時給蓄電池充電，逆變器將直流電變換為交流電供給負載。UPS本身故障時負載可經(jīng)靜態(tài)開關(guān)轉(zhuǎn)換為旁路市電供電，市電長時間停電時，由備用發(fā)電機組供電。

　　雖然IDC機房內(nèi)的設(shè)備是單相供電，但功率越來越大，單相UPS功率不能做的很大，受到限制，解決的方法是用三相UPS供電，功率一般平均分到三相上，同時進行UPS并機，解決其供電的可靠性。由于UPS最終通過逆變換流供電給數(shù)據(jù)設(shè)備，如果逆變與切換部分出現(xiàn)故障，電池不是直接給數(shù)據(jù)設(shè)備供電，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)設(shè)備中斷。

　　幾種常見的UPS供電模式

　　1、串聯(lián)熱備份

　　此種UPS供電方式消除了單點故障，實現(xiàn)簡單，但是其同一時間只有一臺UPS帶載，因此存在超載能力差、主備機老化不均等問題，目前已經(jīng)較少采用。

　　2、并聯(lián)冗余

　　此種UPS供電方式，最大的好處是可以負載均分，其中任意一臺UPS故障，其被切離，UPS系統(tǒng)不用做任何切換，仍可工作在在線模式。可以根據(jù)負載量，通過增加UPS的方式實現(xiàn)系統(tǒng)容量擴充。

　3、雙總線供電方式

　　此種UPS供電方式，其最大的特點是同時提供2路互不影響的供電母線，分別提供給雙電源負載，或者通過STS再提供給單電源負載。此方式也很好的消除了單點故障，但限于供電方案中又增加了LBS(同步控制)和STS(雙路切換)，因此也增加了故障點。

　　UPS供電方案的優(yōu)點：

　　技術(shù)方案成熟，目前在大量應(yīng)用。

　　交流輸出，不易拉弧。

　　UPS供電方案的缺點：

　　并機難度大，需電壓、頻率、相位同步。

　　系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，單點故障多

　　變換級數(shù)多，效率相對低

　　輸入諧波大，功率因數(shù)低

　　三、共用48V母線的混合系統(tǒng)解決方案

　　這種電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點是直流負載和交流負載的電源系統(tǒng)都采用-48V母線作為輸入電源。在市電或整流器故障時，由于蓄電池與輸出母排是并聯(lián)的，所以-48V母線電源是不間斷的。直流負載由-48V母線直接供電，交流負載經(jīng)逆變器供電，即用-48V直流電源供電的逆變器代替了UPS。

　　混合系統(tǒng)解決方案優(yōu)點：

　　技術(shù)成熟，48V電源是真正的不間斷電源，其輸出純凈，所以系統(tǒng)整體穩(wěn)定性有提高。不易拉弧，安全性高。

　　混合系統(tǒng)解決方案缺點：

　　在交流負載的電源鏈中增加了電源變換的次數(shù)，且電壓低，電流大，增加了損耗，降低了系統(tǒng)效率。

　　這種電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)僅適用于交流負載為中小功率的情況。

　　四、整流型rAC高壓供電解決方案

　　以INTELEC 2001年發(fā)表的《新電信網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)的最佳新型供電》和2000年發(fā)表的《電信和數(shù)據(jù)通信融合的rAC供電技術(shù)的新研究》為代表，法國電信公司試用。rAC供電系統(tǒng)，類似傳統(tǒng)的48V直流電源系統(tǒng)中的直流母線由經(jīng)過整流的母線替代，實際上是脈動的直流。系統(tǒng)由整流橋、高電壓蓄電池組、蓄電池開關(guān)、充電機等組成。這種rAC供電系統(tǒng)的輸入諧波電流抑制和功率因數(shù)需要補償，須在rAC母線上并聯(lián)連接諧波抑制器。

　rAC高壓供電解決方案的優(yōu)點：

　　在整個供電電路中只有一個變換級，損耗小，效率高;蓄電池充電機只用于給蓄電池離線充電，因此容量較小，成本低。rAC高壓供電解決方案的缺點：

　　采用用電壓較高， 安全標(biāo)準要求高;采用單體蓄電池數(shù)量較多，要求進行更嚴格蓄電池管理。

　　五、高壓直流供電的可行性探討

　　數(shù)據(jù)設(shè)備內(nèi)部電源狀況是計算機主機、顯示器、打印機等電氣設(shè)備的內(nèi)部電源都是開關(guān)電源，將輸入的交流220V先整流、濾波成直流300V后，再通過電源開關(guān)管和開關(guān)變壓器降壓、穩(wěn)壓成低壓，為各部分提供電源。一般交流電壓在110-250V之間，通過整流、濾波后直流電壓為150V-340V之間。因此，給這些設(shè)備輸入一個150V-340V直流電壓，設(shè)備是可以正常工作的.綜合考慮， 額定電壓在228V～280V(后備12V電池19只或20只)范圍內(nèi)直流電通過橋式整流電路、濾波后，仍是直流228V～280V，在150V-340V之間，因此開關(guān)電源仍能正常工作，目前的實驗證明數(shù)據(jù)設(shè)備輸入DC270V左右時效果好。

　　六、高電壓直流供電系統(tǒng)解決方案一

　　高電壓直流供方案一的交流輸入、整流電路和蓄電池、充電機與rAC供電系統(tǒng)是相同的。不同的是rAC供電系統(tǒng)將rAC直接供到集中的大功率DC/DC變換器，再其變換為穩(wěn)定的高壓DC270V。日本NTT公司試驗了此系統(tǒng)。如果交流輸入電源故障，由蓄電池經(jīng)直流開關(guān)和大功率DC/DC變換器供給負載設(shè)備270V直流電。

　　此種電源系統(tǒng)的優(yōu)點：

　　可靠性高、效率高，在負載設(shè)備的功率較大時更為突出;成本低;

　　此種電源系統(tǒng)的缺點：

　　采用單體大功率DC/DC，電壓高，電流大，要求較高的安全標(biāo)準;采用蓄電池數(shù)量多，要求進行更嚴格蓄電池管理。

　　七、高壓直流供電系統(tǒng)解決方案二

　　此方案是目前國內(nèi)電信運營商在IDC機房改善供電的試用電源系統(tǒng)，最早鹽城電信為代表，現(xiàn)在一些電信分公司與移動分公司均有試用。與傳統(tǒng)48V供電系統(tǒng)類似，是由多個并聯(lián)冗余整流器和蓄電池組成的。在正常情況下，整流器將市電變換為270V直流電，供給電信設(shè)備，同時給蓄電池充電。市電停電時，由蓄電池放電為電信設(shè)備供電。長時間市電停電時，由備用發(fā)電機組供電。與傳統(tǒng)的-48V直流電源系統(tǒng)的一樣，蓄電池備用時間為1～24h，典型的蓄電池備用時間為1～3h。此高壓直流電源系統(tǒng)，在試用中優(yōu)勢得到較充分的體現(xiàn)。

　　此種供電系統(tǒng)的優(yōu)點：

　　可靠性：電源模塊化輸出和電池直接并聯(lián)給負載供電，電池直接并聯(lián)到輸出母線上，母線電源是不間斷的。采用分級分布式控制，整流模塊和CSU故障時各自獨立控制，避免故障擴散。

　　易維護：并機容易，電源模塊化設(shè)計，支持帶電熱插拔，更換方便，采用分級分布式控制，整流模塊和CSU可各自獨立控制，便于維護。

　智能化管理：此系統(tǒng)與傳統(tǒng)48V直流電源系統(tǒng)一樣，系統(tǒng)管理采用全面的智能化管理模式;對電池部分管理完善，有效延長了電池的使用壽命。

　　無諧波干擾、易擴容：對于計算機和服務(wù)器來說，采用直流輸入，不再存在相位和頻率的問題，多機并聯(lián)變得簡單易行，無諧波干擾。

　　安全性：采用標(biāo)準電氣柜，對分路輸出和母線的絕緣狀況可進行實時監(jiān)控，安全性高。

　　性價比：同樣容量的系統(tǒng)，高壓直流電源系統(tǒng)由于采用N+1模式，投資低，性價比高。

　　此種供電系統(tǒng)的缺點：

　　此供電系統(tǒng)要求直流專用元器件;對器件滅弧要求高;由于電壓高，無過零點，對安全性要求高。

　　七、高壓直流供電系統(tǒng)解決方案三

　　高電壓直流供電系統(tǒng)方案三與方案二供電系統(tǒng)是類似的，所不同的是，方案三供電系統(tǒng)增加升壓電路，將直流輸出電壓提高到400V(此種類似的供電系統(tǒng)在移動公司有實驗點，直流電壓350V)。是針對專門的高壓服務(wù)器電源，目前此服務(wù)器尚在研制之中，由于系統(tǒng)輸出電壓高，對目前大量在使用的服務(wù)器有些是不可用的，但由于某些優(yōu)點突出，可能成為未來的一種發(fā)展的趨勢。

　　此方案供電系統(tǒng)的優(yōu)點：

　　模塊化供電，電池直接連接負載，母線電源不間斷;電源效率最高，最節(jié)能;輸出為直流無率因數(shù)與諧波問題，具備最大負載能力;供電電纜最細，節(jié)省成本與空間。

　　此方案供電系統(tǒng)的缺點：

　　故障的安裝拆除易造成拉弧;對安全的要求高，器件的要求也高。

　　結(jié)論

　　電信技術(shù)的迅速發(fā)展推動了電源設(shè)備技術(shù)的進步，高電壓直流供電系統(tǒng)方案二與方案三因為其可靠性高，效率高，特別適用于設(shè)備功率較大的場合的IDC機房供電。方案二適合于目前的服務(wù)器，也是目前IDC機房供電的改造相對最適合的方案，方案三可能是一種IDC機房設(shè)備供電的發(fā)展趨勢。IDC機房最佳供電系統(tǒng)到底是什么，還值得深入探討與研究，最終總會找到一種適合的方案。