240V直流系統和模塊化UPS在數據中心的應用對比分析

胡 燕，婁潔良

（中國電信股份有限公司上海分公司 上海200120）

1 引言

從供電的連續性及供電質量兩方面考慮，數據中心大量服務器都采用不間斷電源系統對其進行供電。由傳統塔式UPS（uninterruptible power system，不間斷電源系統）和后備蓄電池組成的交流UPS為數據中心的飛速發展提供了有力的保障和支撐，但隨著網絡設備和業務需求對供電系統安全性要求的提高以及節能減排工作的深入，該系統的弊端不斷凸顯，如可靠性低、初期投資大、維護及擴容難、工作效率低等。為了克服這些缺陷，240V直流系統和模塊化UPS應運而生，且在數據中心的應用規模不斷擴大。如何評價這兩種供電模式，正確選擇不間斷供電系統，提高建設方案的合理性，有必要從系統的安全性、經濟性及維護方便性等角度對這兩種供電系統的應用情況進行全面分析對比。

2 240V直流供電系統

2.1 工作原理

與傳統48 V供電系統類似，240V直流供電系統由多個并聯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器，同時給蓄電池充電，市電停電時由電池放電進行供電。

2.2 配電結構

目前服務器內普遍設置兩個輸入電源模塊，電源模塊間互為冗余。因此，根據服務器所承載的業務重要性，可采用一套或兩套獨立電源系統對其進行供電。從現網應用的情況看，240V直流系統有以下3種配電結構：單套直流系統、兩套直流系統和一路市電直供+單套直流系統供電系統，各供電系統的結構介紹如下。

單套直流系統引出兩路電源進行雙路供電，供電系統結構如圖1所示。

兩套直流系統各引出一路進行雙路供電，供電系統結構如圖2所示。

一路市電直供，另一路由單套直流系統供電，供電系統結構如圖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、靜態開關模塊、顯示通信模塊和蓄電池組組成。其中，功率模塊包括傳統UPS的整流充電逆變功能，所有功率模塊并聯工作，平均負擔系統負載，任一模塊發生故障時，剩余模塊均分負載；靜態開關模塊為UPS處于過載時的共用供電通道；顯示通信模塊則用于集中數據顯示和上聯網絡監控平臺。

圖1 單套直流系統雙路供電系統結構

圖2 兩套直流系統雙路供電系統結構

圖3 一路市電直供+單套直流系統供電系統結構

3.2 配電結構

與240V直流供電系統相類似，根據服務器的重要性，可采取一套或兩套獨立的UPS系統對服務器進行供電。已在現網應用的模塊化UPS有以下兩種配電結構。

單機N+X功率模塊冗余并聯，引出兩路進行雙路供電，供電系統結構如圖4所示。

兩套單機N+X功率模塊冗余并聯，每套單機各引出一路構成雙總線進行供電，供電系統結構如圖5所示。

圖4 單機N+X功率模塊冗余并聯，雙路供電系統結構

圖5 兩套單機N+X功率模塊冗余并聯，雙總線供電系統結構

4 240V直流系統和模塊化UPS的性能及應用對比

4.1 共同特點

區別于傳統塔式UPS，240V直流系統和模塊化UPS都采取了模塊化結構的供電思路，故在以下方面有著共同的優勢：

·系統終期容量確定后，240V整流模塊和UPS功率模塊可按負載的逐步增長而依次擴展，不必在建設初期即按計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，故在機房的不同發展階段，系統都工作在較高負載率段。據第三方權威機構測試，大部分廠商的高壓直流設備和模塊化UPS在負載率為30%時工作效率均達到91%以上，隨著負載率的進一步提高，工作效率可達94%～95%。

·240V直流系統和模塊化UPS在故障維修方面，都以更換整個故障模塊為手段，且整流模塊和功率模塊均支持熱插拔，無需停機修復。

4.2 差異點

作為兩種交直流供電制式，240V直流系統和模塊化UPS在數據中心應用時，存在比較明顯的差異，具體介紹如下。

（1）負載的適應性及用戶的接受度

雖然服務器、交換機生產廠商都要求提供交流供電輸入，但從近幾年中國電信范圍內的應用實踐看，90%以上的IT負載都能適用240V直流供電環境，而對不適用240V直流系統的IT設備電源模塊的檢測結果顯示，有很大比例是因為電源模塊內部存在的檢測結果輸入電源頻率的電路，故如果對IT設備廠商進行引導，使其電源模塊不含頻率檢測電路，將會大幅提升IT設備的適用率。

從數據中心托管服務器的用戶接受程度看，互聯網企業普遍樂于接受240V直流供電環境，而其他用戶由于缺乏對240V直流系統的足夠了解，除了擔心IT設備的適用性外，還對在直流環境工作下的服務器運行穩定性及壽命存在疑慮，仍希望由UPS提供交流電源環境。

（2）供電系統的可用度

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

當兩套模塊化UPS以雙總線的方式組成供電系統向負載供電時，其可靠性及可維修性大大增強，根據理論計算，其可用度和240V直流系統一樣，都高于99.999%，因此在數據中心如果重要的核心設備采用240V直流系統或模塊化UPS雙總線供電模式，其供電安全是有可靠保障的。

（3）供電系統全生命周期總成本

供電系統的全生命周期總成本包括建設投資、運行能耗成本及設備維護成本。從工程建設投資看，以供電能力相近的單套240V直流系統和單套模塊化UPS相比，將電源設備、配電設備、配套的服務器交直流機架以及電纜等其他主要工程材料統計在內，兩者的建設總投資額相差不超過10%（受電源設備采購價波動影響較大）。

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

從設備的維護成本看，影響較大的主要是故障模塊的整體更換費用，以目前的產品成熟度及工作穩定性比較，模塊化UPS的功率模塊略遜于240V整流模塊，故前者的維護成本會相對較高。

240 V直流設備和模塊化UPS的成熟產品在數據中心的應用時間普遍低于4～5年，設備有效使用年限有待進一步觀察。假設兩者的生命周期相等，則供電能力相近的單套240V直流系統和單套模塊化UPS在其全生命周期內的總成本相差不多。當為了提高供電系統的可用度，采用雙總線的模塊化UPS時，電源設備的建設投資及其維護成本會增加一倍，假設電源設備的有效使用年限為10年，10年內因故障而需更換一半數量的240V整流模塊和UPS功率模塊，那么雙總線模塊化UPS供電系統（包含服務器機架）的全生命周期總成本會比240V直流系統高出15%～25%。

5 數據中心應用中值得關注的問題

作為替代傳統塔式UPS的新型供電模式，240V直流系統和模塊化UPS在數據中心應用中除了必須遵循已發布實施的行業標準 《通信用模塊化不間斷電源》（YD/T2165-2010）、《通信用240V直流供電系統》（YD/T2378-2011）及《通信用240V直流供電系統維護技術要求》（YD/T2556-2013）外，還有以下問題值得關注。

（1）當采用240V直流系統供電，對IT設備進行上電前的直流供電適應性測試時，不僅要關注其是否能使用直流電源，還要關注其是否可在240V供電系統電壓波動范圍（204～288 V）內正常工作。曾經發生過某型號交換機在240V供電系統浮充供電方式下運行正常，但轉入均充供電方式時，該交換機因電源模塊進入保護模式而宕機，從而造成業務中斷。

（2）240V直流系統的可靠性很高，當電源設備輸出正負母排短路時，系統無法像模塊化UPS那樣，通過切換至外接旁路將故障UPS設備隔離，從而快速恢復臨時供電。為了避免這種情況，可采用兩套直流系統各引出一路給雙路IT設備供電的方式。由于每套直流系統的整流模塊在配置時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套直流系統進行組合，兩兩互為備份對負載進行雙路供電。該模式無需成倍增加投資，但可實現真正的雙路供電。

（3）通過對安裝在數據中心機房的部分廠商的模塊化UPS進行性能測試，得出了一些目前行業標準中未涉及的測試結果。由于行業標準未做規定，各設備生產廠商的產品性能可能會有偏差，但相關結果可為數據中心運營者進一步了解該類電源設備性能提供參考。

·旁路轉逆變時的回切系數：模塊化UPS因過載轉旁路，而后逐步卸除部分負載，只有當負載率低于0.85～0.9時，UPS才能從旁路狀態切回逆變狀態。

·對電池的充電能力：電池放出部分容量后，市電恢復并讓模塊化UPS輸出帶滿載，測試此時對電池的充電情況，發現充電電流接近于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載的功率因素相關。如額定容量為20 kVA的功率模塊帶16 kW的純阻性負載時，顯示為100%負載率，帶功率因素0.92～0.94（容性）的IT設備后，當負載容量為16～17 kVA時，功率模塊顯示100%的負載率。

上述測試結果意味著在數據中心機房的實際應用中模塊化UPS的功率模塊無法按其額定容量帶滿負載正常運行：旁路逆變互切換功能要關閉UPS承接的部分服務器負載才能實現；電池放電后，由于功率模塊輸出全部用來給服務器供電，無法完成電池的充電任務；當前絕大多數服務器的功率因素都呈0.92～0.94容性特征，而在此應用場景下，功率模塊的帶載能力下降到其額定容量的80%～90%。

（4）從近年來的統計數據看，部分廠商的模塊化UPS的功率模塊故障率與模塊的進風溫度及長期負載率密切相關，當進風溫度超過35℃、負載率超過70%時，功率模塊的故障率成倍增長。因此運行維護時要特別注意功率模塊散熱風扇的完好性以及進排風濾網的清潔。

（5）240V直流系統的整流模塊配置要求在《通信用240V直流供電系統》（YD/T2378-2011）中已有明確規定：按系統最大輸出電流，采用N+1冗余配置，其中N為主用，包括對負載供電及對電池充電，N≤10時，1為備用，N＞10時，每10個備用1個。由于冗余整流模塊處于熱備份工作狀態，且所有整流模塊均分負載，故此項規定事實上確定了該系統安全運行的帶載率上限。而目前模塊化UPS的功率模塊冗余度配置尚無相關標準，綜合考慮對模塊化UPS性能測試的結果以及功率模塊故障率大小與其長期帶載率密切相關等因素，筆者認為負載的設計容量應低于所有功率模塊總額定容量的60%，供電系統的安全性會相對較高。

6 結束語

相對于傳統的塔式UPS，240V直流系統和模塊化UPS在數據中心的應用時間相對較短。當前，各生產廠商正在不斷完善電源設備的性能，IT設備生產廠商也在完善IT設備電源模塊的性能及對供電電源的要求。可以預計，在數據中心應用模塊化配置的電源設備是大趨勢，而240V直流系統和模塊化UPS各具特點，必定會共存相當長的一段時間。作為數據中心的運營者，不斷總結積累這兩種供電系統的運行經驗，有助于正確選擇合適的供電系統，并提升其安全性、經濟性及可維護性，從而保障數據中心的正常運行。