240V 直流供電系統在傳統計算機房電源改造中的應用

肖奇良

（廣東南方電信規劃咨詢設計院有限公司，廣東 深圳518038）

傳統的數據機房經過多年的運行，其普遍采用的不間斷電源——交流UPS 電源系統已經達到報廢年限，故障率高，尤其塔式UPS 系統中的電容等重要易損耗部件，在運行中故障率很高，業界已出現多起運行過程中嚴重故障，損失慘重。

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

1 傳統UPS 的供電模式

傳統的UPS 供電系統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 系統向設備提供220V 交流電源。低壓配電系統交流電源正常時，UPS 設備按1+1 并聯冗余的模式向計算機機房的設備供電，UPS 電源經配電屏送至各列頭柜，列頭柜向主設備機架送電。低壓配電系統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UPS 系統逆變成交流電源后向列頭柜送電，列頭柜分別向主設備機架送電，從而保證對主機架的不間斷供電。

2 240V 直流供電系統供電

240V 直流供電系統主要由交流配電、高頻開關整流器、直流配電、蓄電池組、監控單元、絕緣監察等組成，高壓直流電源系統向設備提供240V 直流電源。

交流電源供電正常時，整流器對負荷供電，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，由蓄電池組向負荷供電，從而實現對用電負荷的無瞬間中斷供電。

3 可行性分析

IT 設備（計算機及其外設）主要采用高頻開關電源技術為機內電源。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 設備與元器件之間都是通過直流電源連通的。所以，該系統是可以直接使用直流電源進行供電的，不需要對原設備進行任何改動。

從電子電路原理來分析，輸入一個合適范圍內的直流電壓到DC/DC 轉換器，同樣可以滿足IT 設備安全工作。這種設計在輸入端是沒有電容和電感線圈的，所以當使用直流電輸入時，不會產生短路阻抗。因此就沒有必要交流輸入，整個系統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+蓄電池，在滿足設備輸入電壓要求的同時輔以遠程控制，構建滿足現在大部分IT 設備電壓等級的直流電源系統，就能夠取代交流電源供電系統。

整流橋是IT 設備開關電源的前級，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間為：DC 250V～336V（交流輸入電壓：AC 220V），整流橋對于直流輸入可看做是直連，只需在交流輸入端輸入適當范圍的高壓直流，就可以滿足IT 設備開關電源正常工作。

通過對計算機設備電源元器件的電流、電壓、耐熱性測算，額定電壓為240V 的直流供電系統對現有計算機房的設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 直流供電系統在傳統計算機房電源改造中，作為UPS 系統的電源替代方案為設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存在的問題，在保證方案可行的基礎研究上，本人先后對多個在用系統進行了不間斷電源替換改造，采用240V 直流供電系統替代傳統UPS 供電系統，無論在電源系統穩定性、可維護性、以及節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 不間斷電源負荷

工程不間斷電源系統負荷主要包括服務器、交換機等網絡設備、以及動環監控設備等，現場統計采集到的設備負荷為20KW，為滿足系統的延展性，系統近期設備負荷按照36KW 進行計算，該負荷作為后續電源容量配置的參考依據。

4.2 系統配置及主要技術要求

根據負荷需求，工程配置1 套240V 直流供電系統，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 系統配置

設備運行時的浮充電壓和均充電壓是由蓄電池的技術參數確定的，可以在一定范圍內進行調整。系統輸出電壓可調區間216V～312V，在此區間內輸出額定電流。

蓄電池配置：系統采用相對穩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 只串聯成1 組，共2組，2 組之間采用并聯方式并入240V 直流供電系統，作為系統的在線后備電源。

整流模塊配置：整流模塊數量配置按負載電流加上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。根據容量需求情況，系統共配置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，為保障網絡及人身安全，在重要位置的斷路器、熔斷器（如蓄電池組）等，告警時應能發出聲光告警。

交流輸入：采用交流斷路器對系統進行保護，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：正負極輸出都應安裝過流保護器。除末級輸出外，直流輸出的各級配電均應采用直流斷路器或熔斷器進行保護。直流輸出末級開關也應加斷路器保護。熔斷器或斷路器都應該能適應系統的直流電壓。

直流輸出電纜顏色標志：- 正極：棕色；- 負極：藍色。

直流配電部分電壓降：環境溫度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。

系統整體效率不小于95%。

對于現有服務器的電源線，應考慮直流正負極與設備電源線L、N 線之間的對應關系，建議如下：其中直流正極對應設備輸入電源線的N 極，直流負極對應設備輸入電源線的L 極，設備輸入電源線的PE 極與系統的保護接地進行可靠連接，如下圖所示。

對于投產時間較長的服務器設備，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。需要將系統的直流正極對應設備輸入電源線的L 極，直流負極對應設備輸入電源線的N 極，才能保證服務器電源正常工作。應在設備上架之前，采用模擬電源對設備進行檢測，在確保設備采用直流供電能夠正常運行后，再進行上架。

5 系統優勢

采用240V 直流供電系統代替UPS 電源系統在傳統計算機房中的為數據設備供電是業界的一個發展趨勢。240V 直流供電系統與UPS 不間斷電源系統相比較體現了多方面的優勢。

5.1 可靠性高

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

5.2 工作效率高

由于系統采用直流直接為設備供電，略過了逆變環節，從而可以節省由于逆變產生的電能損耗；另外，因直流系統功率因數較高高且諧波含量低，能有效降低線路損耗，系統效率高；最后，由于采用直流系統采用的是模塊化設計方案，可以通過多模塊并聯使模塊負載率較高，結合整流模塊休眠功能，系統可以控制在較為經濟的工作效率。

5.3 可維護性好

由于采用模塊化結構設計，支持熱插拔操作，有助于系統的擴容和維護；另外，若系統進行擴容，由于直流系統沒有相位、相序、頻率等的并機要求，擴容性好，并機簡單。

結束語

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