高压直流供电系统在IDC机房的应用与探讨

信息通信

INFORMATION&COMMUNICATIONS

２０１９

（Ｓｕｍ．Ｎｏ１９３）

高压直流供电系统在IDC机房的应用与探讨

周

三

（湖南邮电职业技术学院，湖南长沙410015）

摘要：我国互联网数据业务服务需要的不断扩张，以及网络大数据、云计算、物联网等新网络技术的不断革新发展前

进，IDC业务应用日益多元化，保证IDC机房设备平稳运转和降低运行总体成本成为IDC机房电源系统应用的首要任务。对比分析高压直流供电系统与传统UPS供电系统供电特性，将高压直流供电系统应用于IDC机房为服务器设备供电，提出了四种高压直流供电系统模式，并对应用在IDC机房的高压直流供电系统开展了效益分析与性能评估。关键词：高压直流；服务器；IDC机房；可靠，节能中图分类号：TN80

文献标识码：A

文章编号：1673-1131（2019）01-0268-03

]=0.99999998A入=[1—（1—A1×A2）×（1—A3）（1）

对IDC机房双电源交流负载的可用性模型如图1所示。

0引言

目前处于互联网+时代，网络业务的大规模普及运用，网络市场业务份额数火爆增长，目前IDC业务依然保持高速成长，大量的服务器设备将新增投入运转。IT网络产品设备发展到现在，IDC机房服务器设备当前多选用UPS交流系统供电。IDC机房局站中的UPS供电系统成为影响数据网络可靠运行的的重要环节，大批量的使用UPS供电系统在IDC机房，加大了通讯局站机房安全可靠供电的压力，而历来采用的UPS供电方式在经济性、安全可靠性、电能损耗等方面显现出的问题越来越大[1]。

1传统UPS供电与高压直流供电可靠性分析

交流UPS不间断供电存在诸多问题，增大了IT设备供电安全隐患，也加大了设备维护工作量[2]。为了增加交流供电系统的供电可靠性，设计使用双总线UPS供电系统，供电系统的复杂性变化需要使用更大的机房面积和加大了设备投资金额，通讯行业电源维护人员越来越重视UPS供电系统的平稳安全运行，机房电源维护人员最担心的是供电系统故障引起设备断电。下面对比分析交流UPS供电系统和高压直流电源供电系统的供电可靠性。

图1传统交流UPS双总线供电系统可用性模型

交流UPS双总线供电系统可用性计算公式如下：

2

]=0.99999993（2）A=A入×[1—（1—A4×A5×A6×A7×A8）

使用交流电源的IDC机房服务器设备均由交流UPS供电，由于UPS一般需要对UPS交流系统作冗余配置，冗余系统一般工作负载率较低[3]，并且输入交流通过AC/DC和DC/AC两次变换，系统存在单点故障点多的缺点，故供电效率和可靠性都比较低。

1.2高压直流供电系统可靠性分析

对于高压直流供电系统将针对可用性问题与IDC机房传统交流UPS供电系统组成的双路系统做出比较分析，应从整套供电系统的可靠性角度来思考IDC机房高压直流供电系统的可用性问题。IDC机房高压直流供电系统示意图中有以下五个冗余关系：

输出直流配电组成双总线冗余；

AC/DC整流变换组成N+l冗

余；

1.1UPS供电系统可靠性分析

IDC机房传统UPS供电系统分有“1+1”、“2+1”和“双系统”等系统冗余备份工作模式，但传统交流UPS供电供电系统可用性级别高的是双总线系统。由于UPS双总线供电系统的交流经过UPS系统输送给双电源交流负载，两条交流输电线路彼此相互隔离，在交流输送路由中各设备和输送环节都有冗余备份设置，因此也称其为最高可用级别的双总线UPS供电系统。通信电源系统电器元件可用性相关数据见表1。

表1通信电源系统电气元件可用性数据

则有，市电交流输入冗余系统可用性A入：２６８

图2典型IDC机房高压直流供电系统示意图

根据高压直流供电系统各环节冗余关系示意图和以上五个冗余关系，在各个供电环节中，分析计算高压直流供电系统的可用性数据。

（1）AC/DC整流模块系统与高压直流供电系统组合串联，AC/DC整流模块系统可用性A8等于组合系统件的可用性，即A8=0.999997。

（2）市电交流输入冗余系统可用性A入

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A入=[1—（1—A1）×（1—A2）]×A3=0.999939（3）

（3）市电交流输入加整流(AC/DC)系统可用性A入+A入+=A入×A6×A7×A8=0.999939（4）（4）备用直流（蓄电池组）系统可用性AbAb=[1—（1—A4×A5）2]≈1（5）（5）市电交流输入冗余系统与备用直流（蓄电池组）系统可用性

[1—（1—A入+）×（1—Ab）]≈1（6）（6）直流配电系统可用性Ad

Ad=[1—（1—A11×A12×A13）2

]=0.999999999919（7）

（7）高压直流供电系统整体使用性A

A=[1—（1—A入+）×（1—Ab）]×Ad≈1（8）

对比高压直流供电系统整体使用性数据和交流UPS双总线供电系统可用性数据，可用看出高压直流供电系统可用性比交流UPS双总线供电系统可用性还要高出三个9，说明IDC机房服务器设备选用高压直流供电系统具备更高的可用性，可以比较好的满足就IDC机房节提高供电可靠性要求。

2IDC机房高压直流供电模式

IDC机房的高压直流冗余供电方案的选择，需要在保障供

电系统的安全性、可靠性的前提下与工程建设的经济性之间做出取舍。参考通信电源机房48V直流电源系统建设方式以及以往IDC机房UPS系统建设方式，对多种供电系统冗余组合结构进行了分析，机房技术安装人员按照实际机房现场情况，依照供电负载重要性程度不同来对多种供电系统冗余结构进行模式选择,目前IDC机房主要可采用的高压直流供电模式可分四种：

（1）模式一、高压直流系统单电源双路供电模式

图3单系统双路供电结构图

模式一单套电源同时为负载设备输出两路直流的送电模式与通讯电源48V系统相同，该系统构造比较简单，建造成本投资低。使用该系统的弊端是一套高压直流供电系统输出两路直流同时为负载进行两路供电，这样的系统结构存有单点故障点在电源侧。

（2）模式二：高压直流系统双电源双路供电

图4双系统双路供电结构图

周三：高压直流供电系统在IDC机房的应用与探讨

模式二使用两套高压直流系统同时输送电源给每一台负

载设备的猎头柜，与高压直流系统的单套电源供电模式比较，解决了模式一中存在单点故障的问题，整套系统的供电运行可行性得到了大大提升。由于系统使用2N冗余方式，有比较大的冗余度，一般情况下给负载设备正常供电时单套高压直流供电系统负载率不高。

（3）模式三：高压直流系统+UPS系统双路供电

图5UPS+HVDC双路供电结构图

利用高压直流系统和UPS系统同时为负载供电，构成一路高压直流一路交流的两路供电模式，这样的供电电源系统消除了单点故障瓶颈，让供电可靠性得到了提升，因为为每个负载机架输送了一路交流和一路直流，负载机架中IT业务设备具有更加灵活的电源引入机制。需要为新建造的机房配置两种不同种类的电源系统，是这种供电模式的缺点，同样也抬高了建设资金成本，增大了设备维护工作量。以及每架机柜都需提供交流和直流电源输入，电源性质和接地方式都有差异，在一定程度上，使用及维护的难度变大了。

（4）模式四：高压直流+低压市电双路供电

同时使用一路低压市电电源，一路高压直流电源构成了高压直流+低压市电双路供电的两路供电形式。模式四与模式三对比，它们两者的优缺点相似，模式四由于不需采购UPS系统设备，降低了系统的整体投资，同时市电供电回路直接送电给负载，没有发生电能的转换，系统的供电效率大大提升了。该模式中直接输入市电交流，而市电存在计划内断电、计划外断电及电能质量不高等问题，所以这种供电模式的可靠性与

模式二、模式三相比较稍微低一点。

图6市电+HVDC双路供电结构图

IDC机房以上四种供电模式各有优缺点，思考高压直流供

电系统的构造特点，并考虑到通讯行业的大量使用48V直流系统状态，对可靠性要求不是太高的IDC机房优先提议选用模式一；对于重要性很高的A级IDC机房，可选用模式二高压直流系统双电源双路供电。

3高压直流供电系统效益分析与性能评估

高压直流供电系统在IDC机房的使用，中国电信主推直

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流240V供电系统技术创新应用，中国移动主推336V直流系统应用，都是用在数据机房用来替换传统交流UPS系统，为数据中心使用220V交流电的IT网络设备、通信设备提供高可靠性的不中断供电。下面通过高压直流供电系统在通信企业中的使用案例，从系统投资和运行成本方面对比分析交流UPS供电系统与高压直流供电系统。

案例一：某数据中心A电脑60台，网络交换机7台，由UPS供电系统，双机并联冗余方式供电，供电系统UPS电源改造前，平均输入电流为3×12.5A[3]，耗电为耗电178度/天；改成270V直流供电后，高频开关电源三相输入电流平均是3×4.1A，每天耗电79.7度。供电效率提高56%，节能55%。

案例二：某数据中心B新建设IT设备34架，如果采用UPS不间断电源系统(1+1)冗余供电需容量150KVA,相当于96KW。UPS设备投资需要55万元，配套4组蓄电池需16万元，机房配套空调投资4万元；该项目配套新建了一套100KW的设备高压直流供电系统，系统容量500A，可以满足34架IT设备机架供电需要。新建500A高压直流供电系统需要主设备投资20万元，2组配套电池需要投资30万元，机房配套空调投资3.5万元。

供电系统的运行电费成本如下：

计算两种供电系统分别为34个机柜供电时,运行时长为一年时的耗电量所产生的电费来比较。根据目前发生的电价0.8元/千瓦时计算。

UPS不间断电源系统（1+1）冗余供电需容量150KVA(相当于96KW输出)电费为：

0.8×96/0.87×24×365=773296.54元（9）

其中0.87为UPS系统转换效率。

500A高压直流240V系统（100KW）电费为：0.8×100/0.93×24×365=743225.80元（10）其中0.93为高压直流系统转换效率。

根据案例二投资成本和供电系统运行电费成本比较见表2。表2电源配套工程投资成本和运行电费成本比较表

因为UPS电源系统功率因素比较低，导致UPS交流输入总电流较高压直流系统输入交流总电流大很多，当供电负载容量较小时，UPS系统功率因素会低至0.6，会对供电系统造成输入谐波电流大等不利因素[3]

。而选用高压直流供电时，整流模块功率因素一般可以达到0.9以上，由于高压直流开关电

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周三：高压直流供电系统在IDC机房的应用与探讨

源是模块化结构，可以随着负载电流大小灵活调整模块数目[4]，对低压交流电源系统不产生负面效应。

供电系统安全性能方面，由于高压直流供电系统采样并联浮充供电方式，供电可靠高。而UPS系统是将蓄电池直流逆变成交流电再向负载供电，涉及的控制环节多，大功率器件多，单点故障较多，系统故障、尤其是个别负载出现短路故障将会使UPS系统过载保护，造成阻断的概率要比直流供电系统大10倍[3]。

当前我们国内多个省份的一些电信公司进行了通信用高压直流供电系统建设使用，工程实施结果显示，高压直流系统供电与UPS交流供电比较，克服了UPS逆变器故障、以及冗余系统并机控制设备故障等安全隐患，而高压直流系统具有可靠简单[3]，操作维护方便、扩容改造灵活的优点。直流电源系统供电效率比UPS高，带载率方面高压直流供电系统比UPS系统高[4]，所以高压直流供电系统能耗低，综合整个IDC机房的节电情况，应用高压直流供电系统比UPS供电系统节电25%以上。在建设和维护上高压直流供电系统优势明显更大，建设成本可降低35%以上。

4结语

高压直流供电系统应用在IDC机房中为服务器设备供电，以投资低、可靠性高、电能转换效率高、运营成本低、可维护性好等优点替代传统的UPS。IDC机房随着运行成本的提高和节能减排的要求，高压直流供电系统将取代传统的电力供应系统，成为未来数据中心机房供电的主流。当前，服务器等用电设备没有针对高压直流供电实现标准化，并且交流为服务器供电用电标准形成规模后，推广使用高压直流系统供电，在一些服务器用户侧和服务器厂家侧遇到了一些阻力。后期应积极依靠全社会的力量，提高对高压直流的使用优势的认识，进而改变相关技术标准，带动高压直流供电系统的大规模使用。参考文献：[1]

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王丽,朱关峰.高压直流系统的原理与应用分析[J].电脑与电信,2010(3):66-68[5]林勇.数据通信机房高压直流供电技术的应用分析[J].电

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马也聘.通信行业数据机房采用高压直流供电模式的探

讨[J]通信电源技术2013（1）:61-

作者简介：周三（1983-），男，硕士，讲师，工程师，主要研究方向为通信电源和移动通信技术。