240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用對(duì)比分析

胡 燕，婁潔良

（中國(guó)電信股份有限公司上海分公司 上海200120）

1 引言

從供電的連續(xù)性及供電質(zhì)量?jī)煞矫婵紤]，數(shù)據(jù)中心大量服務(wù)器都采用不間斷電源系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行供電。由傳統(tǒng)塔式UPS（uninterruptible power system，不間斷電源系統(tǒng)）和后備蓄電池組成的交流UPS為數(shù)據(jù)中心的飛速發(fā)展提供了有力的保障和支撐，但隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和業(yè)務(wù)需求對(duì)供電系統(tǒng)安全性要求的提高以及節(jié)能減排工作的深入，該系統(tǒng)的弊端不斷凸顯，如可靠性低、初期投資大、維護(hù)及擴(kuò)容難、工作效率低等。為了克服這些缺陷，240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS應(yīng)運(yùn)而生，且在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大。如何評(píng)價(jià)這兩種供電模式，正確選擇不間斷供電系統(tǒng)，提高建設(shè)方案的合理性，有必要從系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)方便性等角度對(duì)這兩種供電系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行全面分析對(duì)比。

2 240V直流供電系統(tǒng)

2.1 工作原理

與傳統(tǒng)48 V供電系統(tǒng)類似，240V直流供電系統(tǒng)由多個(gè)并聯(lián)冗余的整流模塊和蓄電池組組成。正常情況下，整流模塊將市電電源變換成240V直流電源供電給服務(wù)器，同時(shí)給蓄電池充電，市電停電時(shí)由電池放電進(jìn)行供電。

2.2 配電結(jié)構(gòu)

目前服務(wù)器內(nèi)普遍設(shè)置兩個(gè)輸入電源模塊，電源模塊間互為冗余。因此，根據(jù)服務(wù)器所承載的業(yè)務(wù)重要性，可采用一套或兩套獨(dú)立電源系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行供電。從現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用的情況看，240V直流系統(tǒng)有以下3種配電結(jié)構(gòu)：?jiǎn)翁字绷飨到y(tǒng)、兩套直流系統(tǒng)和一路市電直供+單套直流系統(tǒng)供電系統(tǒng)，各供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)介紹如下。

單套直流系統(tǒng)引出兩路電源進(jìn)行雙路供電，供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

兩套直流系統(tǒng)各引出一路進(jìn)行雙路供電，供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

一路市電直供，另一路由單套直流系統(tǒng)供電，供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 模塊化UPS

3.1 工作原理

模塊化UPS由能完成UPS基本功能的可插拔功率模塊、靜態(tài)開關(guān)模塊、顯示通信模塊和蓄電池組組成。其中，功率模塊包括傳統(tǒng)UPS的整流充電逆變功能，所有功率模塊并聯(lián)工作，平均負(fù)擔(dān)系統(tǒng)負(fù)載，任一模塊發(fā)生故障時(shí)，剩余模塊均分負(fù)載；靜態(tài)開關(guān)模塊為UPS處于過(guò)載時(shí)的共用供電通道；顯示通信模塊則用于集中數(shù)據(jù)顯示和上聯(lián)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)。

圖1 單套直流系統(tǒng)雙路供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 兩套直流系統(tǒng)雙路供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 一路市電直供+單套直流系統(tǒng)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 配電結(jié)構(gòu)

與240V直流供電系統(tǒng)相類似，根據(jù)服務(wù)器的重要性，可采取一套或兩套獨(dú)立的UPS系統(tǒng)對(duì)服務(wù)器進(jìn)行供電。已在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用的模塊化UPS有以下兩種配電結(jié)構(gòu)。

單機(jī)N+X功率模塊冗余并聯(lián)，引出兩路進(jìn)行雙路供電，供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

兩套單機(jī)N+X功率模塊冗余并聯(lián)，每套單機(jī)各引出一路構(gòu)成雙總線進(jìn)行供電，供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 單機(jī)N+X功率模塊冗余并聯(lián)，雙路供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5 兩套單機(jī)N+X功率模塊冗余并聯(lián)，雙總線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS的性能及應(yīng)用對(duì)比

4.1 共同特點(diǎn)

區(qū)別于傳統(tǒng)塔式UPS，240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS都采取了模塊化結(jié)構(gòu)的供電思路，故在以下方面有著共同的優(yōu)勢(shì)：

·系統(tǒng)終期容量確定后，240V整流模塊和UPS功率模塊可按負(fù)載的逐步增長(zhǎng)而依次擴(kuò)展，不必在建設(shè)初期即按計(jì)劃容量一次投入整體容量。

·由于240V整流模塊和UPS功率模塊按需配置，故在機(jī)房的不同發(fā)展階段，系統(tǒng)都工作在較高負(fù)載率段。據(jù)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)測(cè)試，大部分廠商的高壓直流設(shè)備和模塊化UPS在負(fù)載率為30%時(shí)工作效率均達(dá)到91%以上，隨著負(fù)載率的進(jìn)一步提高，工作效率可達(dá)94%～95%。

·240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS在故障維修方面，都以更換整個(gè)故障模塊為手段，且整流模塊和功率模塊均支持熱插拔，無(wú)需停機(jī)修復(fù)。

4.2 差異點(diǎn)

作為兩種交直流供電制式，240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用時(shí)，存在比較明顯的差異，具體介紹如下。

（1）負(fù)載的適應(yīng)性及用戶的接受度

雖然服務(wù)器、交換機(jī)生產(chǎn)廠商都要求提供交流供電輸入，但從近幾年中國(guó)電信范圍內(nèi)的應(yīng)用實(shí)踐看，90%以上的IT負(fù)載都能適用240V直流供電環(huán)境，而對(duì)不適用240V直流系統(tǒng)的IT設(shè)備電源模塊的檢測(cè)結(jié)果顯示，有很大比例是因?yàn)殡娫茨K內(nèi)部存在的檢測(cè)結(jié)果輸入電源頻率的電路，故如果對(duì)IT設(shè)備廠商進(jìn)行引導(dǎo)，使其電源模塊不含頻率檢測(cè)電路，將會(huì)大幅提升IT設(shè)備的適用率。

從數(shù)據(jù)中心托管服務(wù)器的用戶接受程度看，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)普遍樂于接受240V直流供電環(huán)境，而其他用戶由于缺乏對(duì)240V直流系統(tǒng)的足夠了解，除了擔(dān)心IT設(shè)備的適用性外，還對(duì)在直流環(huán)境工作下的服務(wù)器運(yùn)行穩(wěn)定性及壽命存在疑慮，仍希望由UPS提供交流電源環(huán)境。

（2）供電系統(tǒng)的可用度

從單套電源設(shè)備的工作原理看，由于240V直流系統(tǒng)的電池直接并接于電源設(shè)備的輸出端，而模塊化UPS的電池與負(fù)載之間被UPS設(shè)備隔離，系統(tǒng)上仍存在單點(diǎn)故障，故單套240V電源設(shè)備的可靠性明顯高于單套模塊化UPS。

當(dāng)兩套模塊化UPS以雙總線的方式組成供電系統(tǒng)向負(fù)載供電時(shí)，其可靠性及可維修性大大增強(qiáng)，根據(jù)理論計(jì)算，其可用度和240V直流系統(tǒng)一樣，都高于99.999%，因此在數(shù)據(jù)中心如果重要的核心設(shè)備采用240V直流系統(tǒng)或模塊化UPS雙總線供電模式，其供電安全是有可靠保障的。

（3）供電系統(tǒng)全生命周期總成本

供電系統(tǒng)的全生命周期總成本包括建設(shè)投資、運(yùn)行能耗成本及設(shè)備維護(hù)成本。從工程建設(shè)投資看，以供電能力相近的單套240V直流系統(tǒng)和單套模塊化UPS相比，將電源設(shè)備、配電設(shè)備、配套的服務(wù)器交直流機(jī)架以及電纜等其他主要工程材料統(tǒng)計(jì)在內(nèi)，兩者的建設(shè)總投資額相差不超過(guò)10%（受電源設(shè)備采購(gòu)價(jià)波動(dòng)影響較大）。

從運(yùn)行能耗成本看，由于240V直流設(shè)備和模塊化UPS的工作效率相近，電源設(shè)備自身的能耗及由此消耗的制冷設(shè)備能量也較為接近。

從設(shè)備的維護(hù)成本看，影響較大的主要是故障模塊的整體更換費(fèi)用，以目前的產(chǎn)品成熟度及工作穩(wěn)定性比較，模塊化UPS的功率模塊略遜于240V整流模塊，故前者的維護(hù)成本會(huì)相對(duì)較高。

240 V直流設(shè)備和模塊化UPS的成熟產(chǎn)品在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用時(shí)間普遍低于4～5年，設(shè)備有效使用年限有待進(jìn)一步觀察。假設(shè)兩者的生命周期相等，則供電能力相近的單套240V直流系統(tǒng)和單套模塊化UPS在其全生命周期內(nèi)的總成本相差不多。當(dāng)為了提高供電系統(tǒng)的可用度，采用雙總線的模塊化UPS時(shí)，電源設(shè)備的建設(shè)投資及其維護(hù)成本會(huì)增加一倍，假設(shè)電源設(shè)備的有效使用年限為10年，10年內(nèi)因故障而需更換一半數(shù)量的240V整流模塊和UPS功率模塊，那么雙總線模塊化UPS供電系統(tǒng)（包含服務(wù)器機(jī)架）的全生命周期總成本會(huì)比240V直流系統(tǒng)高出15%～25%。

5 數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中值得關(guān)注的問(wèn)題

作為替代傳統(tǒng)塔式UPS的新型供電模式，240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中除了必須遵循已發(fā)布實(shí)施的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《通信用模塊化不間斷電源》（YD/T2165-2010）、《通信用240V直流供電系統(tǒng)》（YD/T2378-2011）及《通信用240V直流供電系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)要求》（YD/T2556-2013）外，還有以下問(wèn)題值得關(guān)注。

（1）當(dāng)采用240V直流系統(tǒng)供電，對(duì)IT設(shè)備進(jìn)行上電前的直流供電適應(yīng)性測(cè)試時(shí)，不僅要關(guān)注其是否能使用直流電源，還要關(guān)注其是否可在240V供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)范圍（204～288 V）內(nèi)正常工作。曾經(jīng)發(fā)生過(guò)某型號(hào)交換機(jī)在240V供電系統(tǒng)浮充供電方式下運(yùn)行正常，但轉(zhuǎn)入均充供電方式時(shí)，該交換機(jī)因電源模塊進(jìn)入保護(hù)模式而宕機(jī)，從而造成業(yè)務(wù)中斷。

（2）240V直流系統(tǒng)的可靠性很高，當(dāng)電源設(shè)備輸出正負(fù)母排短路時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法像模塊化UPS那樣，通過(guò)切換至外接旁路將故障UPS設(shè)備隔離，從而快速恢復(fù)臨時(shí)供電。為了避免這種情況，可采用兩套直流系統(tǒng)各引出一路給雙路IT設(shè)備供電的方式。由于每套直流系統(tǒng)的整流模塊在配置時(shí)均包括電池充電功率及冗余備份部分，故可以利用此特性將3套直流系統(tǒng)進(jìn)行組合，兩兩互為備份對(duì)負(fù)載進(jìn)行雙路供電。該模式無(wú)需成倍增加投資，但可實(shí)現(xiàn)真正的雙路供電。

（3）通過(guò)對(duì)安裝在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的部分廠商的模塊化UPS進(jìn)行性能測(cè)試，得出了一些目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中未涉及的測(cè)試結(jié)果。由于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)未做規(guī)定，各設(shè)備生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品性能可能會(huì)有偏差，但相關(guān)結(jié)果可為數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)者進(jìn)一步了解該類電源設(shè)備性能提供參考。

·旁路轉(zhuǎn)逆變時(shí)的回切系數(shù)：模塊化UPS因過(guò)載轉(zhuǎn)旁路，而后逐步卸除部分負(fù)載，只有當(dāng)負(fù)載率低于0.85～0.9時(shí)，UPS才能從旁路狀態(tài)切回逆變狀態(tài)。

·對(duì)電池的充電能力：電池放出部分容量后，市電恢復(fù)并讓模塊化UPS輸出帶滿載，測(cè)試此時(shí)對(duì)電池的充電情況，發(fā)現(xiàn)充電電流接近于0，即功率模塊中的整流電路容量未包含電池充電部分。

·帶載能力：功率模塊的可輸出容量與負(fù)載的功率因素相關(guān)。如額定容量為20 kVA的功率模塊帶16 kW的純阻性負(fù)載時(shí)，顯示為100%負(fù)載率，帶功率因素0.92～0.94（容性）的IT設(shè)備后，當(dāng)負(fù)載容量為16～17 kVA時(shí)，功率模塊顯示100%的負(fù)載率。

上述測(cè)試結(jié)果意味著在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的實(shí)際應(yīng)用中模塊化UPS的功率模塊無(wú)法按其額定容量帶滿負(fù)載正常運(yùn)行：旁路逆變互切換功能要關(guān)閉UPS承接的部分服務(wù)器負(fù)載才能實(shí)現(xiàn)；電池放電后，由于功率模塊輸出全部用來(lái)給服務(wù)器供電，無(wú)法完成電池的充電任務(wù)；當(dāng)前絕大多數(shù)服務(wù)器的功率因素都呈0.92～0.94容性特征，而在此應(yīng)用場(chǎng)景下，功率模塊的帶載能力下降到其額定容量的80%～90%。

（4）從近年來(lái)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，部分廠商的模塊化UPS的功率模塊故障率與模塊的進(jìn)風(fēng)溫度及長(zhǎng)期負(fù)載率密切相關(guān)，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度超過(guò)35℃、負(fù)載率超過(guò)70%時(shí)，功率模塊的故障率成倍增長(zhǎng)。因此運(yùn)行維護(hù)時(shí)要特別注意功率模塊散熱風(fēng)扇的完好性以及進(jìn)排風(fēng)濾網(wǎng)的清潔。

（5）240V直流系統(tǒng)的整流模塊配置要求在《通信用240V直流供電系統(tǒng)》（YD/T2378-2011）中已有明確規(guī)定：按系統(tǒng)最大輸出電流，采用N+1冗余配置，其中N為主用，包括對(duì)負(fù)載供電及對(duì)電池充電，N≤10時(shí)，1為備用，N＞10時(shí)，每10個(gè)備用1個(gè)。由于冗余整流模塊處于熱備份工作狀態(tài)，且所有整流模塊均分負(fù)載，故此項(xiàng)規(guī)定事實(shí)上確定了該系統(tǒng)安全運(yùn)行的帶載率上限。而目前模塊化UPS的功率模塊冗余度配置尚無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮對(duì)模塊化UPS性能測(cè)試的結(jié)果以及功率模塊故障率大小與其長(zhǎng)期帶載率密切相關(guān)等因素，筆者認(rèn)為負(fù)載的設(shè)計(jì)容量應(yīng)低于所有功率模塊總額定容量的60%，供電系統(tǒng)的安全性會(huì)相對(duì)較高。

6 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于傳統(tǒng)的塔式UPS，240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用時(shí)間相對(duì)較短。當(dāng)前，各生產(chǎn)廠商正在不斷完善電源設(shè)備的性能，IT設(shè)備生產(chǎn)廠商也在完善IT設(shè)備電源模塊的性能及對(duì)供電電源的要求?？梢灶A(yù)計(jì)，在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用模塊化配置的電源設(shè)備是大趨勢(shì)，而240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS各具特點(diǎn)，必定會(huì)共存相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。作為數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)者，不斷總結(jié)積累這兩種供電系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，有助于正確選擇合適的供電系統(tǒng)，并提升其安全性、經(jīng)濟(jì)性及可維護(hù)性，從而保障數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行。