IDC機房交直流供電體制的分析

劉 浩，王瑞琦，張彥坡

（河南省信息咨詢設計研究有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

隨著IT技術的不斷進步，不同規模的數據中心陸續在各地區建立。局域網、廣域網、互聯網等形成了廣闊的信息通道為人類信息傳輸工作提供了基礎。在這些通道實際使用中IDC機房有著非常重要的意義。IDC機房可以完成大量數據的儲存以及傳輸，為互聯網提供高速寬帶的增值業務。當前很多應用于IDC機房內部的計算機設備在供電時允許的瞬間中斷時間范圍僅為15～20 ms。IDC機房提供電能的UPS電源系統在應用的過程當中一旦由于某種因素的影響發生超過0.02 s以上的供電中斷故障則會導致網絡癱瘓，進而對人們的日常生活造成極為嚴重的影響。大量實踐表明，網絡一旦出現癱瘓，要想使其重新恢復正常工作往往需要消耗幾十秒甚至幾個小時的時間。

IDC機房設備時常是使用交流電源為其進行供電，能否將IDC機房設備改為直流供電？因為直流供電方式在應用的過程中更加安全，且需要投入的資金量非常小。文章從IDC機房設備的用電特性著手，對 UPS和開關電源的供電特性進行分析，最后得到IDC機房設備利用直流電源進行供電操作的條件。

1 計算機設備的用電特性

IDC機房內部的設備分為兩大類型，即計算機設備以及非計算機類設備。計算機設備由于具有非常強大的分析計算能力，因此在IDC機房中占據的比例非常大，占整體比重的70%以上。考慮到這一點，在改變供電體制的過程當中，需要重點對計算機設備的用電特性進行研究。只有這樣才能有效保障改變供電體制之后，IDC機房內部各類設備的功能發揮不受影響。

計算機作為一種最典型的容性負載，在實際應用的過程當中產生的功率因數一般比較低。一般而言，普通計算機的功率因數為0.6～0.7，而一些巨型計算機的功率因數大致在0.7～0.8。這些參數無不表明計算機類的設備在應用的過程當中，無需較大的無功功率便可以正常運作。如果說計算機在使用的過程當中經過綜合考慮之后發現要想使其保持正常運轉需要的有功功率為300 W，則輸入的功率必須達到300 W/0.7=428.6 W。而對于計算機來說，要想使其內部各類元器件的正常使用則需要消耗大約為129 W的無功功率。通過這些數據的分析可知，計算機設備在實際使用的過程當中對于無功功率的需求相對比較大[1]。

計算機設備屬于容性負載，在使用的過程中要求電流的波峰系數相對較高。波峰系數實際上指的是負載的峰值電流與方均根值電流的比值。一般為了維持計算機設備的使用，波峰系數值應當保持在1.44以上。而UPS在使用時波峰系數大致為2～3。由此可知，UPS設備可以為計算機提供其使用所需要的電流和電壓。一旦計算機設備的上級電源在運行的過程中產生電壓的波峰系數維持在計算機啟動以及后續使用所需電源范圍之內之后，計算機電源的實際使用效率會大幅度提高，且發熱量大大降低[2]。

計算機內部集成了多種類型的元器件，不同類型的元器件對電壓需求各有區別。計算機設備內部組成器件在使用中所需要供應的電壓大致可以分為幾個不同的等級，分別有12 V、5 V、3.3 V等。由此可見，計算機設備對于電源等級的要求相對較高，功耗相對較大，比過去經常使用的交換機消耗的電能更大[3]。

計算機在開啟時為了保障其正常啟動，需要為其供應比正常使用電流高1.2～1.5倍的電流值。啟動電流維持時間非常短暫，因此為了保障計算機設備的正常啟動，上一級電源應當具有良好的瞬間過載性。如果不具備此特性的話，很有可能在啟動計算機的過程當中使得上級電源供電裝置的內部元器件發生擊穿燒壞等不良情況[4]。

2 UPS設備的供電特性

UPS是最為常用的機房交流不間斷電源，其具體的容量大小可以用“KA”進行表示。無論是何種類型的UPS，生產廠家對其參數進行標明時不但應當標明其輸出容量，同時也應當標明功率因數。根據功率因素的實際特性，可以將UPS所擁有的功率系數進一步分為輸入功率因數以及輸出功率因數。一般來說為了保障UPS內部各類組成部件的正常使用，其輸入功率因數一般需要維持在0.95以上。輸入功率因數數值越高，UPS在使用的過程中對電網的適應能力越強。而輸出功率因數一些主流的UPS廠商會將其設置為0.8。

有功功率、無功功率以及視在功率這三者之間的關系可以用下式表示：

無功功率平方+有功功率平方=視在功率平方（1）

由此不難發現主流 UPS廠商所生產的UPS無功功率因數默認值為0.6。當然在實際使用的過程當中，輸出功率因數這一數值很多情況下都是根據負載的特性最終確立的。一般計算機負載的功率因數在0.6～0.7這一范圍之內[5]。因此當UPS設備需要帶載計算機設備時，輸出功率因數一般也為0.6～0.7，其余輸出均為計算機設備正常工作時所產生的無功功率。通過這樣的設置方式，可以使UPS設備更好地滿足非線性負載。圖1為UPS原理圖。

圖1 UPS原理圖

一些主流廠家由于其生產技術的優勢，生產的UPS過載能力已經高達130%。這一優勢可以很好地滿足有瞬間大電流需求的設備[6]。

很多容量較大的UPS設備，為了保障其使用壽命以及在使用中的安全性能，技術人員會為其加裝隔離變壓器。雖然隔離變壓器的加裝會在一定程度上降低UPS設備的使用效率，但是通過隔離變壓器可以保障UPS內部器件的安全使用。

一些容量較大的UPS設備，在使用時負荷電流甚至可以高達幾百安培。這時無論是何種電流及電壓的動態峰值都會對UPS設備內部的IGBT逆變器以及其他設備的正常使用產生影響。例如由于負載中部分感性負載突然減載將導致線路上出現電壓的瞬態峰值。而IGBT器件的安全系數相對較低，很難承受較大的瞬態峰值，這時很有可能導致IGBT元器件的損壞。而有了隔離變壓器則可以降低IGBT發生損壞的概率。隔離變壓器可以將負載與UPS設備完全隔離開來。電壓尖峰經過隔離變壓器之后，可以部分甚至是完全消除。通過隔離變壓器作用的正常發揮可以將零地電壓從7～8 V降到1 V以下。這一操作對于減少下端設備誤碼率有著非常好的幫助[7]。

為了更好地說明UPS與IDC機房設備的選擇以及匹配關系，舉例說明：假設IDC機房內部設備功率需求為60 kV·A，在這60 kV·A的需求當中，有40 kV·A設備為計算機設備，功率因數為0.65。另外20 kV·A的設備功率因數為0.7。表1為設備功率匹配表。

表1 設備功率匹配表

如果IDC設備在應用的過程當中根據以上功率因數對其進行匹配，那么最終使用的UPS容量為60 kV·A。而功率因數在實際使用中數值為0.67，并非按照廠商設置的0.8這一標準來進行工作的。除此之外，由于計算機設備本身的使用特性，其啟動電流一般都較正常使用電流大得多。因此 UPS設備本身所具備的過載能力可以滿足計算機設備啟動需求。一般而言，UPS設備最大的過載性能為其輸出電流的2.33倍，這充分說明 UPS設備的工作特性與IDC機房內部設備的功率特性相互吻合[8]。

3 開關電源的供電特性

開關電源是實際用電過程中最為常用的一類直流電源系統。直流電電源開關為一個具備高頻率的IGBT器件，在使用中不具備超載能力。一旦其在使用的過程中承擔的載荷超出其額定的范圍，很容易導致其內部電路出現破壞。

開關電源的功率因數非常高，其在出廠之前便由技術人員結合其后續使用場景對其內部進行了設定，且這一數值不會隨著帶載負荷功率因數的變化而變化。這一設備對于非線性負載并不具備良好的匹配性。由于IDC機房內設備的功率因數相對較低，因此應用于IDC機房設備的電源設備在使用時必須提供可以滿足復雜需要的有功及無功功率。

48 V的直流電當以大電流的方式在相對較長的輸電線路中進行傳輸時，導線中將會耗費大量的電能。為了全面減少導線對電能的消耗，只能通過加大電纜直徑或者是增加電纜的根數來實現這一目標，無疑會大大增加電纜建設中需要投入的資金。使用開關電源作為IDC設備的供電電源，為了減少資金投入量，提高開關電源使用壽命是關鍵。技術人員應當在各組設備內增加功率因數補償裝置，這種做法將會極大地占用主設備的空間，進而使主設備的安裝位置縮小。

4 IDC機房直流供電條件

只有在以下兩種情況都能夠得到有效滿足的情況下才可以使用直流開關電源為IDC設備進行供電操作：

第一，電源與用電設備的距離足夠近，超過30 m的話就不應當考慮使用直流開關電源作為IDC設備的供電裝置。

第二，用電設備有很好的功率因素補償設備，且補償設備的用電特性與開關電源的供電特性相互匹配。

5 結 論

經過上述分析不難發現，由于UPS電源的供電特性與以及IDC設備的用電特性所具有的差別，UPS設備更加適合用來做IDC設備的供電電源。因此，對于IDC機房來說，采取必要的方式對其進行供電操作可以有效保障設備的安全運行。