高壓直流供電模式在邊防數(shù)據(jù)中心應(yīng)用研究

吳佑軍

摘要：數(shù)據(jù)中心采用HVDC（高壓直流供電）供電，可有效降低投資和運維成本，提高供電系統(tǒng)的可靠性，逐步成為數(shù)據(jù)中心的一種新型供電模式。該文就邊防數(shù)據(jù)中心采用高壓直流供電模式的可行性進(jìn)行分析，與傳統(tǒng)的UPS供電進(jìn)行對比，HVDC供電既提升了供電的可靠性，又能大幅提高供電效率，成本節(jié)約明顯。

關(guān)鍵詞：高壓直流供電；HDVC；數(shù)據(jù)中心；可靠性

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）25-0032-03

Abstract： Data center using HVDC （high voltage direct current power supply） power supply， can effectively reduce investment and operation and maintenance costs， improve the reliability of power supply system， and gradually become a new type of data center power supply mode. This article analysis the feasibility of the border defence data center by HVDC power supply mode， compared with the traditional UPS power supply， HVDC power supply can not only improve the reliability of power supply， and can greatly improve the power efficiency and cost saving significantly.

Key words： High Voltage DC Power Supply； HDVC； data center； reliability

1 概述

目前，公安邊防總隊級以上單位都建設(shè)了數(shù)據(jù)（信息）中心，隨著網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的UPS供電模式的可靠性、安全性以及高能耗等方面問題逐漸顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)在：一是傳統(tǒng)UPS電源模式效率低。對于總隊級以上單位等供電級別要求高的機(jī)房，一般采用1+1冗余備份方式，每臺UPS的實際負(fù)載多在35%以下，效率低下。二是UPS并機(jī)復(fù)雜要求高。為提高電源系統(tǒng)的可靠性和容量，數(shù)據(jù)中心交流UPS供電系統(tǒng)一般采用多臺并機(jī)工作模式，并機(jī)控制電路復(fù)雜、要求高，每臺UPS的輸出電壓相等，頻率、相位一致，一旦并機(jī)控制電路出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致UPS并機(jī)失敗，無法給數(shù)據(jù)中心設(shè)備供電。三是存在安全隱患。市電斷電后，UPS利用后備電池組逆變輸出繼續(xù)供電，若逆變電路出現(xiàn)故障，仍然無法正常供電。

近年來，國內(nèi)許多數(shù)據(jù)中心機(jī)房采用了高壓直流供電（HVDC High Voltage Direct Current）新的供電模式，對機(jī)房電源線路進(jìn)行簡單改造后，直接用高壓直流電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的UPS電源系統(tǒng)，有效地降低了投資和運維成本，提高供電系統(tǒng)的可靠性。

2 邊防數(shù)據(jù)中心使用高壓直流供電的可行性分析

高壓直流電源（HDVC）是一種新型的直流不間斷供電系統(tǒng)，這里的高壓直流是相對于傳統(tǒng)通信機(jī)房使用的-48V直流通信電源而言的。HVDC系統(tǒng)主要由交流配電單元、整流模塊、蓄電池組、直流配電單元、電池管理單元、絕緣監(jiān)測單元及監(jiān)控模塊組成。正常狀況下，整流模塊將交流配電輸出的380V交流市電轉(zhuǎn)換成240V高壓直流，高壓直流通過直流配電單元給設(shè)備供電，同時直接給蓄電池組充電。當(dāng)市電斷電或交流輸入發(fā)生故障時，轉(zhuǎn)由蓄電池組給設(shè)備高壓直流供電。

2.1 為什么直流電源可以替代交流電源？

圖1是計算機(jī)設(shè)備電源工作原理圖。計算機(jī)設(shè)備電源模塊的輸入是交流的，但是最終輸出還是直流，其核心部分為DC/DC變換部件。只要能給DC/DC變換部件提供一個適合的直流電源，不用交流輸入，電源模塊也能正常輸出。這種情況下，就可以不使用UPS系統(tǒng)，也避免了使用UPS而帶來的各種不利因素。

2.2直流電源如何替代交流電源？

直流供電的設(shè)想是將一定電壓范圍的直流電源，直接從原來交流UPS輸入端輸入，對服務(wù)器等設(shè)備的電源模塊不進(jìn)行任何改造，這樣就需要對電源模塊能否滿足直流供電的要求進(jìn)行論證。圖2和圖3分別是負(fù)載設(shè)備在交流供電和直流供電時的整流原理。

圖2中電源部分，交流輸入正半周時的電流走向為：A→D2→C→D→D4→B，負(fù)半周時電流走向為：B→D3→C→D→D1→A，整流管D1、D3和D2、D4輪流導(dǎo)通。通過整流，交流電壓從A、B端直接傳輸?shù)紺、D端，并保持C、D直流輸出。

圖3中電源部分，直接采用直流電壓輸入時，電壓相位不變，整流管D2、D4一直導(dǎo)通，電壓從A、B端直接傳輸?shù)紺、D端，并保持C、D直流輸出。對比圖1，對計算機(jī)等設(shè)備來說，不論在電源模塊輸入交流或直流電壓，均可以正常輸出直流電壓，經(jīng)DC/DC變換后，給計算機(jī)系統(tǒng)正常供電。

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備開啟后，運行功率是恒等的；當(dāng)設(shè)備以220V交流供電時，它的等效直流是200V，如果給設(shè)備直接輸入直流240V，提高了電壓，流經(jīng)整流管的電流小于輸入220V交流時流經(jīng)整流管的電流，設(shè)備電源模塊不用改造即可滿足要求。另外，高壓直流供電時比交流供電時在二極管上產(chǎn)生的熱量也要小很多。

2.3 HDVC供電模式在邊防數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的可行性

目前，除程控交換機(jī)外，邊防數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)主要設(shè)備有服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備，都是交流供電，電源模塊都自帶獨立得將交流電壓整流成直流電壓的全橋整流電路。由上所述，若將電源模塊的交流輸入端火線和零線對應(yīng)輸入一定等級的直流電壓，設(shè)備亦可正常工作；當(dāng)輸入的直流電壓極性接反時，電源模塊的全橋整流電路變成了極性接反保護(hù)電路，設(shè)備也可正常工作。因此，對機(jī)房大部分設(shè)備而言，無須對設(shè)備電源電路進(jìn)行改造，即可直接采用高壓直流供電；對極少數(shù)使用半橋整流電路的設(shè)備，只需考慮高壓直流輸入的線路極性即可。

計算機(jī)等設(shè)備允許的交流輸入電壓范圍一般為交流110～220V，經(jīng)過整流后的輸出電壓為直流154～336V，選用高壓直流供電系統(tǒng)時的輸入電壓應(yīng)在154～336V（DC）之內(nèi)盡量高，但應(yīng)小于300V；配置蓄電池組時，高壓直流電源系統(tǒng)額定電壓應(yīng)為12的整數(shù)倍（選用12V單體蓄電池時），這時，高壓直流電源系統(tǒng)額定輸出電壓可選為240V，每組后備電池可配置20個12V單體電池，系統(tǒng)浮充電壓設(shè)為270V，均沖電壓設(shè)為282V。

由上可知，邊防各級數(shù)據(jù)中心都可根據(jù)機(jī)房現(xiàn)狀，采用輸出電壓為240V的高壓直流供電系統(tǒng)代替UPS系統(tǒng)。在具體改造時，可采用模塊化組合式HVDC系統(tǒng)，多個整流模塊并聯(lián)輸出，以提高系統(tǒng)的可靠性及滿足設(shè)備擴(kuò)容要求。

2.4 高壓直流供電的優(yōu)缺點分析

高壓直流供電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的交流UPS供電系統(tǒng)的對比，具有以下幾點好處：

（1）提升電源系統(tǒng)可靠性

HDVC技術(shù)引入可大幅提升系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)僅并聯(lián)主機(jī)時具有冗余備份功能，系統(tǒng)組件之間更多的是串聯(lián)關(guān)系，造成系統(tǒng)總體可靠性遠(yuǎn)低于單個組件的可靠性。當(dāng)使用HDVC時，首先，蓄電池組與設(shè)備負(fù)載是直接并聯(lián)關(guān)系，遇到市電停電或供電設(shè)備故障時，蓄電池組可不間斷、直接給設(shè)備供電；其次，高壓直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，只有電壓幅值一個參數(shù)，各個電源模塊之間不存在相位、頻率、相序同步的問題，因此其可靠性得到大幅提升。

（2）提高電源系統(tǒng)效率

目前數(shù)據(jù)中心多數(shù)使用在線雙變換型UPS主機(jī)，當(dāng)負(fù)載率大于50%時，其轉(zhuǎn)換效率與HDVC電源相當(dāng)。當(dāng)UPS主機(jī)采用n+1（n=1、2、3）方式運行時，UPS單機(jī)的設(shè)計最大穩(wěn)定運行負(fù)載率僅為35～53%。UPS單機(jī)長期低負(fù)載率運行，其轉(zhuǎn)換效率通常為80%左右，甚至更低。相比HDVC電源，結(jié)構(gòu)上直流供電比UPS供電少了逆變器和輸出隔離變壓器兩個環(huán)節(jié)，工作效率至少可提高10%；另外，直流供電系統(tǒng)多為模塊化結(jié)構(gòu)，支持在線熱插拔，可根據(jù)輸出負(fù)載的大小，靈活調(diào)整電源模塊的開機(jī)運行數(shù)量，使整流器模塊的負(fù)載率始終保持在較高的水平，從整體上提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

（3）消除了諧波污染

UPS的整流部分，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)目前常用的有6脈沖和12脈沖兩種，無論哪一種均會產(chǎn)生諧波污染，當(dāng)諧波分量超過10%時，若不治理，將會對市電電網(wǎng)以及機(jī)房設(shè)備造成嚴(yán)重負(fù)面影響。而直流供電不存在諧波污染，解決了上述問題。高壓直流供電擴(kuò)容方便，不存在“零地”電壓以及其它不明干擾，也是它的明顯優(yōu)勢。

（4）降低投資及運維成本

由于高壓直流供電系統(tǒng)的核心是高頻開關(guān)電源模塊，模塊生產(chǎn)技術(shù)已非常成熟，模塊間的控制不用考慮同步、相位等因素，生產(chǎn)工藝簡單，因此高壓直流一次性建設(shè)成本低于傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)。

運維成本主要包括電費和維修成本，高壓直流供電電源轉(zhuǎn)換效率的提高，可節(jié)約35%～60%電費成本。在維修成本方面，由于直流供電系統(tǒng)的可靠性遠(yuǎn)高于交流UPS系統(tǒng)，且采用的整流模塊化結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場替換非常方便，故維修成本也大大減小。

高壓直流供電也不是十全十美，存在著以下缺點和問題：

（1）直流與交流電壓的峰值雖然差別不大，由于沒有過零的存在，直流電壓危險性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于交流電壓。

（2）對配電開關(guān)性能要求高。對于交流電，當(dāng)短路時，過零點的存在使開關(guān)斷開時產(chǎn)生的電弧容易滅弧。直流電因無過零點，滅弧相對困難。因此，直流供電系統(tǒng)采用的直流配電器件必須符合較高的安全要求，相應(yīng)建設(shè)成本也會增加。

（3）數(shù)據(jù)中心設(shè)備種類繁多，雖然大部分使用開關(guān)電源的設(shè)備都可以用高壓直流電源供電，但也有不少設(shè)備無法直接使用，如：具有啟動過壓保護(hù)功能的設(shè)備，不能直接進(jìn)行使用，需要降壓啟動；具有輸入端頻率檢測啟動的設(shè)備，不能直接進(jìn)行使用；部分電源對地設(shè)計有電感濾波，雖然不影響使用，但會造成正極接地；少數(shù)設(shè)備的電源輸入端有工頻變壓器，輸入直流會產(chǎn)生短路；風(fēng)扇類設(shè)備要區(qū)別對待，交流輸入的風(fēng)扇使用直流電源會產(chǎn)生短路；顯示器設(shè)備區(qū)別對待，CRT（陰極射線管）顯示器，內(nèi)部有交流激勵回路的，不能使用直流供電。

因此，在數(shù)據(jù)中心電源改造之前，應(yīng)檢查所有負(fù)載的電源型號，記錄在案，對于不能直流供電的設(shè)備另行處理。

3 邊防數(shù)據(jù)中心采用高壓直流電源系統(tǒng)工程設(shè)計中需注意的問題

高壓直流應(yīng)用在國內(nèi)應(yīng)用越來越多，未來將出現(xiàn)高壓直流供電與傳統(tǒng)交流UPS混合并存過度時期，從節(jié)能環(huán)保和可靠性方面考慮，建議邊防部門新建數(shù)據(jù)中心可考慮采用高壓直流供電系統(tǒng)；對原有機(jī)房改建、擴(kuò)容的，更新設(shè)備可采用高壓直流供電系統(tǒng)，原有UPS損壞或壽命到期時，可改用高壓直流供電系統(tǒng)。在工程設(shè)計建設(shè)過程中，應(yīng)注意把握以下幾點：

（1）系統(tǒng)容量的選擇。數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)供電宜采用分散供電方式，單個系統(tǒng)容量最大不宜超過600A。應(yīng)采用模塊化設(shè)備，便于后期擴(kuò)容。

（2）HDVC系統(tǒng)應(yīng)對地懸浮。高壓直流供電系統(tǒng)應(yīng)采用對地懸浮方式，正、負(fù)極均不得接地；交流輸入應(yīng)與直流輸出應(yīng)電氣隔離，直流輸出應(yīng)與機(jī)架、外殼、地電氣隔離。

（3）系統(tǒng)應(yīng)該配置有絕緣監(jiān)控裝置。由于高壓直流電源系統(tǒng)不接地，當(dāng)高壓直流供電系統(tǒng)的負(fù)載出現(xiàn)故障時，對高壓直流供電系統(tǒng)本身的保護(hù)及維護(hù)人員的保護(hù)就顯得非常重要了。為了及時發(fā)現(xiàn)這種碰地故障，有必要對系統(tǒng)配置絕緣監(jiān)控裝置，用于監(jiān)視直流系統(tǒng)對地絕緣狀況，便于維護(hù)人員對供電回路的絕緣故障進(jìn)行判斷、查找和處理，保障設(shè)備系統(tǒng)及人身安全。

（4）采用直流型斷路器及雙極開關(guān)。HDVC的輸出直流電壓交高（240V），滅弧會很困難，要選用專門針對直流設(shè)計的直流型斷路器，決不能將交流型斷路器用在直流電路上。另外，由于高壓直流電源系統(tǒng)直流電壓高、正負(fù)極均不接地，兩極都應(yīng)安裝開關(guān)，通過采用雙極開關(guān)來分擔(dān)分?jǐn)嚯娀‰妷?。這里特別提醒：為了安全起見，當(dāng)采用高壓直流電源系統(tǒng)替換現(xiàn)有UPS系統(tǒng)時，應(yīng)將未端設(shè)備機(jī)架原有PDU的交流單極輸入空開更換為與上一級同容量的雙極直流斷路器。

（5）統(tǒng)一系統(tǒng)未端負(fù)載的接線標(biāo)準(zhǔn)。直流輸出“負(fù)”極對應(yīng)于設(shè)備輸入電源線的“L”端，直流輸出“正”極，對應(yīng)于設(shè)備輸入電源線的“N”端，并將設(shè)備輸入電源線的“地”端與系統(tǒng)保護(hù)地可靠連接。

4 結(jié)束語

通過全文的分析對比，我們可以看到在邊防數(shù)據(jù)中心采用高壓直流供電模式與傳統(tǒng)的UPS供電模式相比有，在節(jié)能、可靠性等方面優(yōu)勢明顯。高壓直流供電模式在邊防各級單位數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，具有廣闊的前景。

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