數(shù)據(jù)中心高壓直流供電架構(gòu)的優(yōu)化研究

魏 華，衣 斌，柳 蕊

(北京電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100048)

1 概述

近年來高壓直流供電技術(shù)得到各大運(yùn)營商逐步推廣應(yīng)用，特別是中國電信，截止2012年底已建成240 V高壓直流系統(tǒng)約480套。從高壓直流供電技術(shù)在各大運(yùn)營商的應(yīng)用場景來看，其主要是為運(yùn)營商自有業(yè)務(wù)服務(wù)，系統(tǒng)容量一般小于500 A，而對于大量使用UPS系統(tǒng)的傳統(tǒng)IDC數(shù)據(jù)中心，目前應(yīng)用較少，究其原因，主要有以下兩方面:(1)高壓直流供電技術(shù)對服務(wù)器的適應(yīng)性問題，決策者及機(jī)房使用單位對高壓直流供電技術(shù)尚存在疑慮;(2)大型數(shù)據(jù)中心對基礎(chǔ)電源需求量大，而目前高壓直流供電系統(tǒng)的容量一般小于800 A，其在數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模應(yīng)用尚無完善、成熟的供電解決方案。

關(guān)于高壓直流供電系統(tǒng)對于服務(wù)器適應(yīng)性的問題，相關(guān)論文已通過理論及實(shí)驗(yàn)測試的方法進(jìn)行了分析，在此不再贅述，本文研究重心為:結(jié)合大型數(shù)據(jù)中心及高壓直流供電技術(shù)的現(xiàn)狀，提出適應(yīng)當(dāng)前大型數(shù)據(jù)中心供電需要的高壓直流供電解決方案。

目前，國內(nèi)高壓直流供電系統(tǒng)的電壓等級主要有240 V和336 V，鑒于現(xiàn)有服務(wù)器設(shè)備的適應(yīng)性、相關(guān)規(guī)范的出臺情況以及國內(nèi)應(yīng)用的成熟程度，文章主要討論240 V電壓等級的高壓直流供電系統(tǒng)。

2 傳統(tǒng)高壓直流供電架構(gòu)存在的問題

與目前通信行業(yè)廣泛應(yīng)用的48 V直流供電系統(tǒng)類似，傳統(tǒng)高壓直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，電力室內(nèi)由交流配電屏、整流器機(jī)架、直流總輸出屏及配套蓄電池組成，在設(shè)備機(jī)房內(nèi)安裝電源列頭柜，設(shè)備機(jī)架內(nèi)通過PDU供電。

本文針對當(dāng)前高壓直流供電系統(tǒng)現(xiàn)狀，分析其存在的問題:

(1)系統(tǒng)容量小

通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 2378-2011《通信用240 V直流供電系統(tǒng)》中規(guī)定“240 V系統(tǒng)宜采用分散供電，系統(tǒng)容量一般在1 000 A以下，最大不應(yīng)超過1 500 A”。工程應(yīng)用中系統(tǒng)容量還受到設(shè)備制造水平以及蓄電池容量等因素的限制。由于目前主流高壓直流設(shè)備廠家的電源模塊容量以20 A/240 V、40 A/240 V為主，為了減少電源模塊并聯(lián)數(shù)量，同時(shí)考慮到大容量240 V蓄電池安裝空間大，工程選址、施工難度較大，目前高壓直流供電單系統(tǒng)容量一般不超過800 A，系統(tǒng)容量偏小，特別是對于大型數(shù)據(jù)中心，需配置多套高壓直流電源系統(tǒng)。

(2)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理

如前文所述，目前高壓直流供電系統(tǒng)的單系統(tǒng)容量一般不超過800 A，系統(tǒng)容量偏小，此時(shí)電力室直流總輸出屏中只需配置2個(gè)630 A熔斷器(保證雙路供電)，即可滿足系統(tǒng)容量需要。因此系統(tǒng)內(nèi)直流總輸出屏無法得到有效利用，僅起到接入蓄電池電纜和提供1對輸出的作用，且增加了系統(tǒng)的配電環(huán)節(jié)。

3 高壓直流供電架構(gòu)的改進(jìn)

3.1 分散式高壓直流供電的提出

由于目前高壓直流供電系統(tǒng)主要應(yīng)用在中小型自用數(shù)據(jù)機(jī)房，上述問題尚不突出。但是伴隨著高壓直流供電技術(shù)的不斷成熟，用戶對高壓直流供電認(rèn)知度的不斷提高，其必將在大型數(shù)據(jù)中心得到廣泛應(yīng)用。本文對高壓直流供電技術(shù)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用時(shí)的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，思路如下:

(1)鑒于高壓直流供電單系統(tǒng)容量小、直流總輸出屏作用不大的現(xiàn)狀，文章提出在高壓直流供電系統(tǒng)中取消電力室直流總輸出屏，由整流器輸出直接為機(jī)房直流列頭柜供電，同時(shí)將蓄電池電纜直接接入機(jī)房直流列頭柜;

(2)考慮到整流器機(jī)架占地面積不大，且使用維護(hù)方便，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng):將整流器也在設(shè)備機(jī)房列頭位置安裝，系統(tǒng)的交流配電屏可根據(jù)實(shí)際情況選則在列頭或機(jī)房特定區(qū)域安裝，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)高壓直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 分散式高壓直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

可以看到，上述高壓直流分散式供電架構(gòu)實(shí)現(xiàn)后，配電環(huán)節(jié)中已經(jīng)不再需要設(shè)置專門的電力室，只需單獨(dú)設(shè)置電池室，供電系統(tǒng)中的整流及直流配電設(shè)備直接在設(shè)備機(jī)房列頭安裝。該供電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)改變了傳統(tǒng)通信機(jī)房電源配電的工藝結(jié)構(gòu)，對今后通信機(jī)房整體工藝布局將產(chǎn)生較大的影響，電源系統(tǒng)更加深入負(fù)荷中心，供電系統(tǒng)更加高效節(jié)能。同時(shí)，節(jié)省的電力室面積，可通過合理的機(jī)房布局，有效增加機(jī)房裝機(jī)容量，提高機(jī)房利用率。

3.2 分散式高壓直流供電的實(shí)現(xiàn)

高壓直流供電系統(tǒng)自身的一系列特點(diǎn)，使其在設(shè)備機(jī)房列內(nèi)安裝成為可能:

(1)高壓直流電源設(shè)備對機(jī)房環(huán)境無特殊要求，且均為模塊化機(jī)架式設(shè)計(jì)，設(shè)備尺寸滿足在數(shù)據(jù)機(jī)房列內(nèi)安裝的要求，其自身占地面積小，不會(huì)對原有機(jī)房排列產(chǎn)生影響;

(2)由于高壓直流供電相對傳統(tǒng)48 V直流系統(tǒng)電壓更高，系統(tǒng)的全程壓降更容易保證，這極大的增加了蓄電池安裝位置的靈活性，使得通信機(jī)房的工藝布局更加靈活;

(3)高壓直流電源所采用的整流技術(shù)較為成熟，在48 V開關(guān)電源系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，其自身穩(wěn)定性強(qiáng)、故障率低。

3.3 分散式高壓直流供電的優(yōu)勢

分散式高壓直流供電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，對當(dāng)前通信機(jī)房工藝布局有較大的改動(dòng)，機(jī)房布局中無需設(shè)置高壓直流電力機(jī)房，僅需配置必要的高低壓變配電及蓄電池機(jī)房，下面列舉了與傳統(tǒng)高壓直流供電系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的若干優(yōu)勢:

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單

減少了系統(tǒng)配電環(huán)節(jié)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單。

(2)電源系統(tǒng)深入負(fù)荷中心

電源系統(tǒng)深入負(fù)荷中心，有效縮短了直流配電距離，提高了系統(tǒng)效率;直流輸出電纜只在設(shè)備機(jī)房列內(nèi)布放，有效減少了傳輸線路中可能產(chǎn)生的干擾。

(3)機(jī)房建設(shè)及管理更靈活

分散式高壓直流系統(tǒng)在設(shè)備機(jī)房列頭安裝電源設(shè)備，可根據(jù)機(jī)房發(fā)展規(guī)劃，分期建設(shè)電源系統(tǒng)，機(jī)房建設(shè)更加靈活，同時(shí)，機(jī)房系統(tǒng)對應(yīng)關(guān)系更加明確，用電管理更加便捷。

(4)機(jī)房利用率更高

與傳統(tǒng)高壓直流系統(tǒng)設(shè)置專用電力室方式相比，分散式高壓直流供電系統(tǒng)在設(shè)備機(jī)房列頭安裝，雖然設(shè)備的占地面積相差不大，但取消電力室后，更有利于機(jī)房的合理布局，機(jī)房的整體利用率明顯提高(詳見下文實(shí)例說明)。同時(shí)，分散式高壓直流供電系統(tǒng)與在每個(gè)服務(wù)器機(jī)架內(nèi)安裝電源設(shè)備的分布式電源系統(tǒng)建設(shè)方案相比，避免了電源設(shè)備的大量安裝，在經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)工作量方面更有優(yōu)勢，該供電架構(gòu)在集中供電與分散供電之間找到了合適的平衡點(diǎn)。

4 工程案例分析

本文以某運(yùn)營商通信機(jī)房樓為例，擬在樓內(nèi)新建高品質(zhì)IDC數(shù)據(jù)機(jī)房，單機(jī)架功耗3 kW，系統(tǒng)蓄電池后備時(shí)間1 h，供電系統(tǒng)按容錯(cuò)配置，機(jī)房布置詳見建設(shè)方案圖。

本文對3種電源系統(tǒng)建設(shè)方案(傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)、傳統(tǒng)高壓直流系統(tǒng)、分散式高壓直流系統(tǒng))分別進(jìn)行了闡述，并對上述方案進(jìn)行了比選。

4.1 傳統(tǒng)UPS建設(shè)方案

新建IDC數(shù)據(jù)機(jī)房位于原有通信樓內(nèi)，通信樓設(shè)有電力室、電池室以及IDC數(shù)據(jù)機(jī)房，其中電力電池室位于樓房三層、IDC數(shù)據(jù)機(jī)房位于五層，機(jī)房布置圖見圖3、圖4，電源設(shè)備配置表見表1、表2。

根據(jù)五層機(jī)房排布，共計(jì)安裝141個(gè)機(jī)架，其中數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)架133架、UPS電源列頭柜8架，合計(jì)用電量為399 kW。新建電源系統(tǒng)按照容錯(cuò)級別配置，根據(jù)UPS系統(tǒng)容量配置方法，需建設(shè)300 kVA“2+2”雙總線UPS電源系統(tǒng)1套，共配置300 kVA UPS主機(jī)4臺，配套400 Ah蓄電池8組，同時(shí)，還需配置UPS輸入柜2臺、輸出柜2臺、電池開關(guān)柜2臺、機(jī)房交流列頭柜8臺。

圖3 傳統(tǒng)UPS方案五層IDC機(jī)房平面布置圖

表1 傳統(tǒng)UPS方案五層IDC機(jī)房新裝電源設(shè)備表

4.2 傳統(tǒng)高壓直流建設(shè)方案

傳統(tǒng)高壓直流建設(shè)方案五層機(jī)房排布與傳統(tǒng)UPS建設(shè)方案相同，共計(jì)安裝數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)架133架、直流電源列頭柜8架，合計(jì)用電量399 kW。受高壓直流供電系統(tǒng)容量限制，擬新建電源系統(tǒng)4套，每套容量約100 kW。同時(shí)，新建電源系統(tǒng)按照容錯(cuò)級別配置，故每套高壓直流電源系統(tǒng)含2個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)配置:整流器機(jī)架1架(含40 A整流模塊11個(gè)、監(jiān)控模塊1個(gè))、直流總輸出屏1架、400 Ah/240 V蓄電池2組。機(jī)房平面布置詳見圖5，設(shè)備配置如表3。

圖4 傳統(tǒng)UPS方案三層電力電池室平面布置圖

表2 傳統(tǒng)UPS方案三層電力電池室新裝電源設(shè)備表

4.3 分散式高壓直流系統(tǒng)建設(shè)方案

圖5 傳統(tǒng)高壓直流方案三層電力電池室平面布置圖

分散式高壓直流建設(shè)方案五層機(jī)房排布見圖6，設(shè)備配置見表4。共計(jì)安裝數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)架125架，用電量合計(jì)375 kW，每列按可安裝數(shù)據(jù)機(jī)架15～16架，每兩列設(shè)備組成1套系統(tǒng)，電源設(shè)備按照容錯(cuò)冗余配置，每套高壓直流電源系統(tǒng)含2個(gè)子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)配置:整流器機(jī)架1架(含40 A整流模塊11個(gè)、監(jiān)控模塊1個(gè))、直流配電屏1架、400 Ah/240 V蓄電池2組，其中直流配電屏在每個(gè)設(shè)備列安裝1架，作為蓄電池電纜的接入及各輸出分路的配電使用。

表3 傳統(tǒng)高壓直流方案三層電力電池室新裝電源設(shè)備表

圖6 分散式高壓直流方案五層IDC機(jī)房平面布置圖

表4 分散式高壓直流方案五層IDC機(jī)房新裝電源設(shè)備表

同時(shí)，由于分散式高壓直流建設(shè)方案無需設(shè)置電力室，該機(jī)房經(jīng)合理規(guī)劃也可作為數(shù)據(jù)機(jī)房使用，如圖7所示，共計(jì)可安裝數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)架36架，用電量合計(jì)108 kW，電源設(shè)備按照容錯(cuò)冗余配置，建設(shè)高壓直流電源系統(tǒng)1套，含2個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)配置:整流器機(jī)架1架(含40 A整流模塊12個(gè)、監(jiān)控模塊1個(gè))、直流配電屏1架、400 Ah/240 V蓄電池2組(表5)。

表5 分散式高壓直流方案三層電力電池室新裝電源設(shè)備表

圖7 分散式高壓直流方案三層電力電池室平面布置圖

4.4 方案比選

目前關(guān)于UPS供電技術(shù)與高壓直流供電技術(shù)在系統(tǒng)效率、可靠性等方面的優(yōu)劣，相關(guān)論文已進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，在此不再論述，本文主要從工程建設(shè)及系統(tǒng)綜合性能角度對上述3種供電方案進(jìn)行對比分析，如表6、表7所示。

表6 建設(shè)成本及規(guī)模對比表

注:由于UPS設(shè)備生產(chǎn)工藝復(fù)雜，對設(shè)備元器件性能及整機(jī)可靠性要求高，技術(shù)門檻高，故此處UPS主機(jī)價(jià)格參照進(jìn)口優(yōu)質(zhì)設(shè)備價(jià)格;高壓直流電源設(shè)備生產(chǎn)工藝相對簡單，多數(shù)國產(chǎn)廠家均具備較強(qiáng)生產(chǎn)能力及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，此處高壓直流設(shè)備價(jià)格參照國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)設(shè)備價(jià)格。

表7 綜合對比表

通過表6、7可以看出，相比傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)，新的分散式高壓直流系統(tǒng)在單機(jī)架投資、單位電源面積機(jī)架數(shù)、設(shè)備維護(hù)難度、系統(tǒng)可靠性等方面優(yōu)勢明顯;與傳統(tǒng)高壓直流系統(tǒng)相比，新的分散式高壓直流系統(tǒng)在單位電源面積機(jī)架數(shù)、供電系統(tǒng)合理性方面具備一定的優(yōu)勢。

同時(shí)，不可忽視，由于高壓直流系統(tǒng)目前尚未廣泛應(yīng)用，與UPS系統(tǒng)相比其在建設(shè)及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)、服務(wù)器設(shè)備的適應(yīng)性等方面尚存在不足。

綜合考慮上述因素，結(jié)合高壓直流供電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，可以看出分散式高壓直流供電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，既優(yōu)化了配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，又具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，在集中供電與分散供電之間找到了合適的平衡點(diǎn)，適合于數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模應(yīng)用。

5 結(jié)論

高壓直流供電由于其自身的優(yōu)越性，其在通信行業(yè)的應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注。本文從供電系統(tǒng)架構(gòu)的角度，結(jié)合大型數(shù)據(jù)中心及高壓直流供電技術(shù)的現(xiàn)狀，提出了適應(yīng)當(dāng)前大型數(shù)據(jù)中心供電需要的分散式高壓直流供電解決方案，來推動(dòng)高壓直流供電技術(shù)在大型數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。

［1］通信標(biāo)準(zhǔn)類技術(shù)報(bào)告YDB 037-2009通信用240V直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求［Z］.2009.

［2］中華人民共和國通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) YD/T2378-2011通信用240V 直流供電系統(tǒng)［S］.2011.

［3］中華人民共和國通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD5210-2011通信高壓直流電源設(shè)備工程技術(shù)規(guī)范［S］.2011.

［4］劉寶慶.現(xiàn)代通信電源技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2012.

［5］齊曙光.通信機(jī)房新型供電模式可靠性與節(jié)能性分析［J］.現(xiàn)代電信科技，2012，(10):6-11.