240V 直流供電系統(tǒng)在傳統(tǒng)計算機房電源改造中的應(yīng)用

肖奇良

（廣東南方電信規(guī)劃咨詢設(shè)計院有限公司，廣東 深圳518038）

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)機房經(jīng)過多年的運行，其普遍采用的不間斷電源——交流UPS 電源系統(tǒng)已經(jīng)達到報廢年限，故障率高，尤其塔式UPS 系統(tǒng)中的電容等重要易損耗部件，在運行中故障率很高，業(yè)界已出現(xiàn)多起運行過程中嚴(yán)重故障，損失慘重。

如何對傳統(tǒng)計算機房的不間斷電源系統(tǒng)進行升級改造，從而滿足系統(tǒng)供電可靠性、兼容性，兼顧節(jié)能減排等特點，這一棘手的問題擺在計算機房管理者面前。而近年來，在信息技術(shù)供電系統(tǒng)中，隨著240V 直流供電系統(tǒng)的深入應(yīng)用研究，已在多方面體現(xiàn)出了較大的應(yīng)用價值。

1 傳統(tǒng)UPS 的供電模式

傳統(tǒng)的UPS 供電系統(tǒng)主要有以下四種供電方式：單機供電、熱備份供電、并機供電、雙母線（2N）或三母線（3N）供電。

以常用的1+1 并機供電方式為例，系統(tǒng)主要包含輸入配電部分、UPS 主機（含蓄電池）、輸出配電部分，UPS 系統(tǒng)向設(shè)備提供220V 交流電源。低壓配電系統(tǒng)交流電源正常時，UPS 設(shè)備按1+1 并聯(lián)冗余的模式向計算機機房的設(shè)備供電，UPS 電源經(jīng)配電屏送至各列頭柜，列頭柜向主設(shè)備機架送電。低壓配電系統(tǒng)交流電源不正常停止供電時，由UPS 電池組向UPS 提供直流電源，經(jīng)UPS 系統(tǒng)逆變成交流電源后向列頭柜送電，列頭柜分別向主設(shè)備機架送電，從而保證對主機架的不間斷供電。

2 240V 直流供電系統(tǒng)供電

240V 直流供電系統(tǒng)主要由交流配電、高頻開關(guān)整流器、直流配電、蓄電池組、監(jiān)控單元、絕緣監(jiān)察等組成，高壓直流電源系統(tǒng)向設(shè)備提供240V 直流電源。

交流電源供電正常時，整流器對負(fù)荷供電，并對蓄電池組進行浮充充電；交流電源供電不正常停止供電時，整流器停止工作，由蓄電池組向負(fù)荷供電，從而實現(xiàn)對用電負(fù)荷的無瞬間中斷供電。

3 可行性分析

IT 設(shè)備（計算機及其外設(shè)）主要采用高頻開關(guān)電源技術(shù)為機內(nèi)電源。在市電入口安裝整流橋電路，使交流電通過整流橋之后變成直流電。這就意味著IT 設(shè)備與元器件之間都是通過直流電源連通的。所以，該系統(tǒng)是可以直接使用直流電源進行供電的，不需要對原設(shè)備進行任何改動。

從電子電路原理來分析，輸入一個合適范圍內(nèi)的直流電壓到DC/DC 轉(zhuǎn)換器，同樣可以滿足IT 設(shè)備安全工作。這種設(shè)計在輸入端是沒有電容和電感線圈的，所以當(dāng)使用直流電輸入時，不會產(chǎn)生短路阻抗。因此就沒有必要交流輸入，整個系統(tǒng)也就不需要使用交流UPS，這樣了自然消除了UPS 交流供電引起的不良因素。采用直流供電系統(tǒng)+蓄電池，在滿足設(shè)備輸入電壓要求的同時輔以遠程控制，構(gòu)建滿足現(xiàn)在大部分IT 設(shè)備電壓等級的直流電源系統(tǒng)，就能夠取代交流電源供電系統(tǒng)。

整流橋是IT 設(shè)備開關(guān)電源的前級，它的作用是為后級提供波動的直流電源，整流橋后的直流電壓區(qū)間為：DC 250V～336V（交流輸入電壓：AC 220V），整流橋?qū)τ谥绷鬏斎肟煽醋鍪侵边B，只需在交流輸入端輸入適當(dāng)范圍的高壓直流，就可以滿足IT 設(shè)備開關(guān)電源正常工作。

通過對計算機設(shè)備電源元器件的電流、電壓、耐熱性測算，額定電壓為240V 的直流供電系統(tǒng)對現(xiàn)有計算機房的設(shè)備具有很好的兼容性，無需對原有的交流電源適配器進行改造就可以進行替代性工作。

故，240V 直流供電系統(tǒng)在傳統(tǒng)計算機房電源改造中，作為UPS 系統(tǒng)的電源替代方案為設(shè)備提供不間斷電源是完全可行的。

4 工程實際案例

通過以上的可行性分析，針對老舊計算機房不間斷供電系統(tǒng)存在的問題，在保證方案可行的基礎(chǔ)研究上，本人先后對多個在用系統(tǒng)進行了不間斷電源替換改造，采用240V 直流供電系統(tǒng)替代傳統(tǒng)UPS 供電系統(tǒng)，無論在電源系統(tǒng)穩(wěn)定性、可維護性、以及節(jié)能減排等方面都取得了良好的效果。下面以其中一個工程實例進行說明。

4.1 不間斷電源負(fù)荷

工程不間斷電源系統(tǒng)負(fù)荷主要包括服務(wù)器、交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、以及動環(huán)監(jiān)控設(shè)備等，現(xiàn)場統(tǒng)計采集到的設(shè)備負(fù)荷為20KW，為滿足系統(tǒng)的延展性，系統(tǒng)近期設(shè)備負(fù)荷按照36KW 進行計算，該負(fù)荷作為后續(xù)電源容量配置的參考依據(jù)。

4.2 系統(tǒng)配置及主要技術(shù)要求

根據(jù)負(fù)荷需求，工程配置1 套240V 直流供電系統(tǒng)，含交流配電屏1 架、整流機柜（含12 塊20A/240V 整流模塊）1 架、總輸出（直流）屏1 架、200Ah/240V 電池組2 組）（圖2）。

4.2.1 交流輸入

4.2.2 系統(tǒng)配置

設(shè)備運行時的浮充電壓和均充電壓是由蓄電池的技術(shù)參數(shù)確定的，可以在一定范圍內(nèi)進行調(diào)整。系統(tǒng)輸出電壓可調(diào)區(qū)間216V～312V，在此區(qū)間內(nèi)輸出額定電流。

蓄電池配置：系統(tǒng)采用相對穩(wěn)定可靠的鉛酸蓄電池，單體電壓為12V/200Ah 蓄電池共40 只，其中每20 只串聯(lián)成1 組，共2組，2 組之間采用并聯(lián)方式并入240V 直流供電系統(tǒng)，作為系統(tǒng)的在線后備電源。

整流模塊配置：整流模塊數(shù)量配置按負(fù)載電流加上0.1C10的充電電流計算，采用N+1 冗余配置，其中N 個主用，N≤10 個時，1 個備用；N>10 個時，每10 個多備用一個。根據(jù)容量需求情況，系統(tǒng)共配置20A/240V 模塊12 塊（10 主2 備），整流模塊具備模塊休眠功能，起到節(jié)能減排的目的。

4.2.3 其他要求

告警：由于240V 直流電相對36V 安全電壓的電壓較高，存在一定的安全隱患，為保障網(wǎng)絡(luò)及人身安全，在重要位置的斷路器、熔斷器（如蓄電池組）等，告警時應(yīng)能發(fā)出聲光告警。

交流輸入：采用交流斷路器對系統(tǒng)進行保護，防止總輸入過流。每個整流模塊配置一個獨立的斷路器。

直流輸出：正負(fù)極輸出都應(yīng)安裝過流保護器。除末級輸出外，直流輸出的各級配電均應(yīng)采用直流斷路器或熔斷器進行保護。直流輸出末級開關(guān)也應(yīng)加斷路器保護。熔斷器或斷路器都應(yīng)該能適應(yīng)系統(tǒng)的直流電壓。

直流輸出電纜顏色標(biāo)志：- 正極：棕色；- 負(fù)極：藍色。

直流配電部分電壓降：環(huán)境溫度25℃時，直流配電部分電壓降不超過500mV，全程壓降不超過額定電壓5%，即12V。

系統(tǒng)整體效率不小于95%。

對于現(xiàn)有服務(wù)器的電源線，應(yīng)考慮直流正負(fù)極與設(shè)備電源線L、N 線之間的對應(yīng)關(guān)系，建議如下：其中直流正極對應(yīng)設(shè)備輸入電源線的N 極，直流負(fù)極對應(yīng)設(shè)備輸入電源線的L 極，設(shè)備輸入電源線的PE 極與系統(tǒng)的保護接地進行可靠連接，如下圖所示。

對于投產(chǎn)時間較長的服務(wù)器設(shè)備，有可能采用的是半波整流方式的電源，這種情況下，不能采用上述接線方法。需要將系統(tǒng)的直流正極對應(yīng)設(shè)備輸入電源線的L 極，直流負(fù)極對應(yīng)設(shè)備輸入電源線的N 極，才能保證服務(wù)器電源正常工作。應(yīng)在設(shè)備上架之前，采用模擬電源對設(shè)備進行檢測，在確保設(shè)備采用直流供電能夠正常運行后，再進行上架。

5 系統(tǒng)優(yōu)勢

采用240V 直流供電系統(tǒng)代替UPS 電源系統(tǒng)在傳統(tǒng)計算機房中的為數(shù)據(jù)設(shè)備供電是業(yè)界的一個發(fā)展趨勢。240V 直流供電系統(tǒng)與UPS 不間斷電源系統(tǒng)相比較體現(xiàn)了多方面的優(yōu)勢。

5.1 可靠性高

由于直流供電模式，蓄電池作為電源無需經(jīng)過逆變器供電，直接并聯(lián)負(fù)載端，更好的實現(xiàn)了不間斷供電；另外，直流供電只有電壓振幅這一個參數(shù)，不存在相序、頻率、相位等需要同步的問題，系統(tǒng)并機可靠性高；另外，由于系統(tǒng)不存在并機板的單點故障問題，即使脫離控制模塊，也能順利并入系統(tǒng)為負(fù)荷供電。

5.2 工作效率高

由于系統(tǒng)采用直流直接為設(shè)備供電，略過了逆變環(huán)節(jié)，從而可以節(jié)省由于逆變產(chǎn)生的電能損耗；另外，因直流系統(tǒng)功率因數(shù)較高高且諧波含量低，能有效降低線路損耗，系統(tǒng)效率高；最后，由于采用直流系統(tǒng)采用的是模塊化設(shè)計方案，可以通過多模塊并聯(lián)使模塊負(fù)載率較高，結(jié)合整流模塊休眠功能，系統(tǒng)可以控制在較為經(jīng)濟的工作效率。

5.3 可維護性好

由于采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，支持熱插拔操作，有助于系統(tǒng)的擴容和維護；另外，若系統(tǒng)進行擴容，由于直流系統(tǒng)沒有相位、相序、頻率等的并機要求，擴容性好，并機簡單。

結(jié)束語

由于240V 直流供電系統(tǒng)較傳統(tǒng)UPS 存在較為明顯的優(yōu)勢，本人在實際工程設(shè)計案例中也多次就這一技術(shù)方案進行實際多場景設(shè)計運用，根據(jù)后期系統(tǒng)運行效果來看，其供電安全性、系統(tǒng)兼容性、綠色經(jīng)濟性均體現(xiàn)出比較優(yōu)越的特性。因此，240V直流供電系統(tǒng)在傳統(tǒng)計算機房作為運行多年的UPS（特別是塔式UPS）電源系統(tǒng)的替換改造方案，具有很好的推廣意義。