240V直流系統和模塊化UPS在數據中心的應用對比分析

山西信息規劃設計院有限公司 張 鈺

廈門大學物理與機電工程學院電子科學系 胡靖敏

大部分的數據中心服務器在供電的時候夠都是選擇不間斷電源系統。交流UPS主要是有后備蓄電池以及傳統塔式UPS等共同組成的，其有效地保障了數據中心的飛速發展。然而，在節能減排工作不斷推行、業務需求和網絡設備具有越來越高的供電系統安全性要求的今天，交流UPS出現了越來越多的弊端，比如較低的工作效率、較難的擴容和維護、較大的初期投資、較低的可靠性等一系列的問題。為了能夠有效的解決這些問題，數據中心中開始廣泛地運用到了模塊化UPS和240V直流系統。有鑒于這兩種系統的重要作用，本文對模塊化UPS和240V 直流系統在數據中心中的應用進行了對比和分析。

1 模塊化UPS和240V直流系統概述

首先，模塊化UPS主要的組成部分為蓄電池組、顯示通信模塊、靜態開關模塊、可插拔功率模塊等共同組成，這些模塊能夠將UPS基本功能完成。功率模塊具有以往UPS的整流充電逆變功能，全部功率模塊在工作的時候都是采用并聯的工作方式，其能夠將系統的負載平均的負擔起來，如果其中的一個模塊出現故障，那么負載就會被剩余模塊均分；處于過載時UPS的共用供電通道就是靜態開關模塊；負責上聯網絡監控平臺以及集中數據顯示的主要是顯示通信模塊[1]。

其次，240V直流供電系統與傳統的48V供電系統具有相類似的地方，其包括多個并聯冗余的蓄電池組和整流模塊。市電電源在正常的情況下會被整流模塊轉換成為240V直流電源，并且向服務器供電，同時還會對蓄電池進行充電，一旦市電停電，這時候就采用電池放電的方式進行供電。

2 模塊化UPS和240V直流系統的不同

模塊化UPS和240V直流系統屬于兩種不同的交直流供電制式，其在數據中心應用的時候，具有比較顯著的差異，這些差異主要包括以下幾個方面。

首先是用戶接收度和負載適應性的差異：盡管現在交換機生產廠商和服務器生產廠商均要求采用交流供電輸入的方式，然而通過對我國電信范圍內近幾年的應用實踐的分析，我們可以發現，目前在240V直流供電環境中大約有9/10的IT負載都能夠適用。而通過檢測在240V直流系統中不適用的IT設備電源模塊，我們可以發現，之所以導致不適用的情況，大部分是由于有檢測結果輸入電源頻率的電路存在于電源模塊內部，因此如果引導IT設備廠商，使其能夠保證頻率檢測電路不包含在電源模塊中，這樣就能夠使IT設備的適用率得以大幅度提升。通過對用戶接受數據中心托管服務器的程度進行分析，我們可以發現240V直流供電環境是互聯網企業普遍能夠接受的，而其他的用戶因為并沒有充分的了解240V直流系統，因此除了會對IT設備的適用性產生顧慮之外，同時還在一定程度上擔憂服務器在直流環境工作下運行的壽命和穩定性，因此還是希望由UPS將交流電源環境提供出來[2]。

其次是供電系統的可用度：通過分析單套電源設備的工作原理，我們可以發現，在電源設備的輸出端并接了240V直流系統的電池，而模塊化UPS中UPS設備則隔離了其電池和負載，所以在系統中仍然具有單點故障。相對于單套模塊化UPS而言，單套240V電源設備具有明顯要高的可靠性。通過雙總線的方式兩套模塊化UPS將供電系統組成，然后向負載供電，這樣就會具備更高的可維修性和可靠性，其具有與240V直流系統相同的可靠性。所以如果選擇模塊化UPS雙總線供電模式或者240V直流系統作為數據中心重要核心設備的供電方式則具有較高的可靠性[3]。

最后是供電系統全生命周期總成本：設備維護成本、運行能耗成本、建設成本等共同構成了供電系統的全生命周期總成本。通過對工程建設投資進行分析，我們可以發現，單套模塊化UPS和單套240V直流系統如果具有相近的供電能力，那么包括電纜、服務器、交直流機、配電設備、電源設備等所有的工程材料在內的總投資額相差不大。通過對運行能耗成本進行分析，我們可以發現，模塊化UPS和240V直流系統如果具有相近的工作效率，那么也會具有相近的制冷設備能量消耗和電源設備自身能耗。通過對設備的維護成本進行分析，我們可以發現，故障模塊的整體更換費用是其中影響較大的部分，通過比較兩者的工作穩定性和產品成熟度，相對于240V整流模塊而言，模塊化UPS的功率模塊要略低，因此其具有相對較高的維護成本。在數據中心中模塊化UPS和240V直流設備的成熟產品具有普遍不超過4-5年的應用實踐，而且需要進一步觀察設備有效使用年限。如果兩者具有大致相同的生命周期和供電能力，那么兩者在全生命周期中大約具有相同的總成本。如果為了使供電系統的可用度得以提升，選擇雙總線的模塊化UPS，這時候電源設備就會具有增加一倍的維護成本和建設投資。如果電源設備具有10年的有效使用年限，那么在10年之內由于故障的原因需要對50%以上的UPS功率模塊和240V整流模塊進行更換，這時候相對于240V直流系統而言，雙總線模塊化UPS供電系統具有高出15%—25%全生命周期總成本。

3 模塊化UPS和240V直流系統的共同點

與傳統的塔式UPS比較起來，模塊化UPS和240V直流系統都選擇了模塊化結構的供電思路，因此其具有以下幾個方面的共同優勢：首先，在確定系統終期容量之后，UPS功率模塊和240V整流模塊都能夠在負載逐步增長的情況下而一直擴展，因此無需在建設初期以計劃容量為根據將整體容量一次投入進去[4]。其次，因為UPS功率模塊和240V整流模塊要以需要為根據進行配置，因此系統在機房的不同發展階段都要在較高負載率段工作。相關測試表明，負載率為30%時，大多數廠商的模塊化UPS和高壓直流設備都能夠達到91%以上的工作效率，而且在進一步提升負載率的情況下，其會具有高達94%—95%的工作效率。最后，在故障維修方面，模塊化UPS和240V直流系統的主要維修手段就是對整個故障模塊進行更換，而且功率模塊和整流模塊都能夠支持熱插拔，不需要使設備處于停機的狀態就可以實施修復。

4 結語

在數據中心模塊化UPS和240V直流系統與傳統的塔式UPS比較起來具有較短應用時間，現在很多生產廠商都在對電源設備的性能進行不斷的完善，IT設備生產廠商同時也正在對IT設備電源模塊對供電電源的要求和性能進行完善，因此我們認為，模塊化配置的電源設備在數據中心的應用屬于一個大趨勢。因為模塊化UPS和240V直流系統具有各自不同的特點，因此在很長的一段時間內必將共存。數據中心必須要對這兩種供電系統的運行經驗進行不斷的總結，從而能夠將合適的供電系統選擇出來，并且不斷地提升供電系統的可維護性、經濟性和安全性。

[1]孫文波,侯福平.淺析240V直流系統絕緣監察裝置的原理及應用[J].通信電源技術,2012(S1).

[2]馬海霞,李傳文.直流系統環網故障的判斷及查找案例分析[J].電子制作,2014(9).

[3]張亞妮.電廠直流系統的運行與故障處理[J].無線互聯科技,2013(10).

[4]趙萍.淺析電廠直流系統更新改造[J].電腦知識與技術,2013(6).