淺談大數(shù)據(jù)時(shí)代通信電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

李小軍

摘 要 數(shù)據(jù)中心的高功耗IT設(shè)備的大規(guī)模發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)電源空調(diào)系統(tǒng)提出了前所未有的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)交流UPS的供電可靠性卻不盡如人意，模塊化UPS將逐步替代塔式UPS，而高壓直流供電系統(tǒng)更有可能在大數(shù)據(jù)時(shí)代獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。

關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)中心;UPS;高壓直流

1大數(shù)據(jù)時(shí)代的挑戰(zhàn)

通信電源是電信行業(yè)的生命之源，是必不可少的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源。

隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心如雨后春筍般的建成投產(chǎn)，各種高功率密度的服務(wù)器、小型機(jī)、磁盤陣列等設(shè)備在電信機(jī)房和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用得越來越廣泛。由于這類設(shè)備功率大、功率密度高，在電源空調(diào)資源及機(jī)房環(huán)境等方面的需求與傳統(tǒng)通信設(shè)備有很大差異，使現(xiàn)有通信電源、空調(diào)系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)和維護(hù)管理得到前所未有的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。同時(shí)電信網(wǎng)絡(luò)的專業(yè)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已發(fā)生重大演變，供電的安全可靠性已向廣度和深度方向發(fā)展，供電保障已延伸至很多由IT設(shè)備構(gòu)建的業(yè)務(wù)平臺(tái)的用電保障，如CRM系統(tǒng)、集中計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、10000號(hào)系統(tǒng)、綜合結(jié)算系統(tǒng) 、網(wǎng)上營(yíng)業(yè)廳等系統(tǒng)。

2通信電源的發(fā)展趨勢(shì)

通信電源標(biāo)準(zhǔn)可以規(guī)范通信電源的設(shè)備制造、系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)，鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新，淘汰落后技術(shù)，達(dá)到有法可依、有據(jù)可查的作用。面對(duì)數(shù)據(jù)中心向高功耗和高功率密度發(fā)展的趨勢(shì)，應(yīng)及早研究制定相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，從源頭上規(guī)范產(chǎn)品設(shè)計(jì)、采購，通信工程的設(shè)計(jì)、施工和優(yōu)化后期的維護(hù)管理。

數(shù)據(jù)中心、通信樞紐樓內(nèi)的IT設(shè)備的用電需求急劇增加，勢(shì)必對(duì)原供電系統(tǒng)造成安全威脅，增加運(yùn)營(yíng)的電費(fèi)成本。過去在一個(gè)供電系統(tǒng)中配置2-3臺(tái)變壓器已算大系統(tǒng)了，而今一個(gè)機(jī)房、一種業(yè)務(wù)都有可能獨(dú)占一臺(tái)變壓器、獨(dú)配一套發(fā)電機(jī)組。供配電系統(tǒng)有相對(duì)集中轉(zhuǎn)向相對(duì)分散的趨勢(shì)，為縮短配電路由的長(zhǎng)度，減少線路損耗，變壓器進(jìn)了通信主樓，高壓柴油發(fā)電機(jī)組因?yàn)楸阌诖笕萘坎C(jī)和遠(yuǎn)距離供電，特別適合大容量數(shù)據(jù)中心的分散供電。

通信設(shè)備原本以使用48V直流電源為主，但隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的迅猛發(fā)展，使用的交流電源服務(wù)器、路由器的大量增加，交流UPS供電模式從一個(gè)非通信的供電模式進(jìn)入到了通信專用供電行列，但其供電的可靠性卻令人擔(dān)憂。

傳統(tǒng)塔式交流UPS的系統(tǒng)復(fù)雜，單系統(tǒng)的可靠性只有0.87，但單系統(tǒng)容量有的已超過1200 KVA，由于系統(tǒng)容量過大，一旦出現(xiàn)系統(tǒng)供電故障，其影響面將非常大，這與電信行業(yè)所倡導(dǎo)的分散供電方式相悖，所以數(shù)據(jù)中心采用分散供電應(yīng)成為主導(dǎo)模式，應(yīng)限制UPS單機(jī)額定容量不超過400KVA，單系統(tǒng)的額定容量不宜超過800KVA。

雖然傳統(tǒng)UPS可以采用雙系統(tǒng)和A B雙路供電來提升可靠性，但提升空間有限而且代價(jià)過高，模塊化交流UPS和高壓直流系統(tǒng)將逐步替代臃腫龐大的N+1 UPS供電系統(tǒng)，而未來十年高壓直流供電系統(tǒng)更可能在大數(shù)據(jù)時(shí)代獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。目前國內(nèi)主流高壓直流系統(tǒng)有240V和336V兩種標(biāo)準(zhǔn)，它的兼容性很強(qiáng)，如果平臺(tái)系統(tǒng)或者通信設(shè)備有主、備用兩套系統(tǒng)，主用設(shè)備可改為高壓直流系統(tǒng)供電，備用系統(tǒng)繼續(xù)使用原有的交流UPS系統(tǒng)供電。同一個(gè)IT設(shè)備如有主備兩個(gè)電源模塊，則可以采用主電源模塊直接接到交流市電，備用電源模塊接入到高壓直流系統(tǒng)供電。

由于數(shù)據(jù)中心的功耗劇增，連帶機(jī)房專用空調(diào)的用電等級(jí)將由B類向A類逼近。由于數(shù)據(jù)中心內(nèi)的專用服務(wù)器、路由器耐高溫特性差，大于30分鐘的空調(diào)系統(tǒng)關(guān)停將會(huì)導(dǎo)致機(jī)房溫度急劇上升，可能造成通信設(shè)備的癱瘓。嚴(yán)格的溫控需求將不允許專用空調(diào)有較長(zhǎng)時(shí)間停電，迫使自備電源的響應(yīng)時(shí)間、承載能力全面提升，這不但要求自備發(fā)電機(jī)組的發(fā)電響應(yīng)時(shí)間在5～10分鐘以內(nèi)，而且還要能同時(shí)承載通信設(shè)備和空調(diào)設(shè)備用電，如有必要還需增加配置專用UPS給空調(diào)風(fēng)機(jī)。

另外，科學(xué)的變配電技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用，高阻配電將逐步消失，二次配電將成為普遍配電現(xiàn)象，配電系統(tǒng)的頭、尾柜，A B雙路配電將被大量應(yīng)用。

3高壓直流系統(tǒng)的比較優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)塔式交流UPS采用串聯(lián)型結(jié)構(gòu)， 在掉電時(shí)電池需要通過逆變器和靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)向負(fù)載供電。單系統(tǒng)可靠性為 0.975（電池組）ⅹ0.9（逆變器）ⅹ0.99（靜態(tài)開關(guān)）=0.867，而且UPS在維護(hù)管理中對(duì)硬件失效是難以可預(yù)見的，也很難檢測(cè)到，具有突發(fā)性故障的隱患。

UPS系統(tǒng)中還有兩個(gè)諧波源，降低了輸入功率因數(shù)和設(shè)備容量利用率，還需增加濾波設(shè)備，能源需經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換才向負(fù)載供電，從而降低了轉(zhuǎn)換效率。如采用UPS冗余、系統(tǒng)雙總線配置等手段來提高可靠性，不但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加了設(shè)備成本，系統(tǒng)整體效率僅在80%～85%左右。由于傳統(tǒng)交流UPS有上述的可靠性低，系統(tǒng)效率低，建設(shè)成本高，維護(hù)困難，擴(kuò)容難度大的缺點(diǎn)，已經(jīng)難以適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代提出的挑戰(zhàn)。

因?yàn)楦邏褐绷飨到y(tǒng)的電池組直接向負(fù)載供電，系統(tǒng)一般配置兩組或多組蓄電池組，25節(jié)12V單體電池串聯(lián)電池組的可靠度為0.99925=0.975，如采用兩組獨(dú)立電池組并聯(lián)，則系統(tǒng)的可靠性提高到R=[1-（1-R1）x（1-R2） ] =1-（1-0.975）2=0.99938。這種并聯(lián)結(jié)構(gòu)不但可以在運(yùn)行時(shí)也能更換故障電池，而且電池故障隱患還具備可預(yù)見、非突發(fā)性特征，諸如電池鼓脹漏液、電池容量不足、電池浮充電壓均勻性差等故障隱患都是容易被測(cè)量和觀察到的，而且這些隱患是一個(gè)漸變的過程，不具備突發(fā)性，這種可維護(hù)性對(duì)系統(tǒng)可靠性有決定性的作用。

高壓直流系統(tǒng)還省掉逆變轉(zhuǎn)換和靜態(tài)開關(guān)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，電池能量利用率還提升了10%，輸入諧波電流降到小于5%，輸入功率因數(shù)提高到0.99，這樣不但可降低上游設(shè)備和供電線路的容量，還省掉了濾波設(shè)備，相比傳統(tǒng)UPS的系統(tǒng)總效率將提高10-12%，比冗余并機(jī)UPS系統(tǒng)更是提高了18-25%，從而降低了運(yùn)營(yíng)總成本。由于系統(tǒng)不存在頻率同步、環(huán)流問題，冗余并機(jī)簡(jiǎn)單可靠，可很方便構(gòu)建N+1模塊化系統(tǒng)，這樣就提升了工程部署速度和靈活擴(kuò)展能力。

綜上所述，高壓直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，可靠性提升到接近“十個(gè)9”，同時(shí)可維護(hù)性大大提高，相比UPS系統(tǒng)的投資減少了30%～40%，節(jié)能20%以上，這是傳統(tǒng)交流UPS和模塊化UPS所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，也是其在大數(shù)據(jù)時(shí)代逐步替代交流UPS的根本原因。