IDC机房UPS供电模式及供电需求分析

 IDC机房建设中，动力系统的建设无疑是其重中之重，各项业务的开展，各种服务器的稳定工作，都离不开稳定、可靠、不间断的电力供给。本文简单探讨IDC机房几种电源系统结构的基本原理、优缺点、实现的可行性等。

    一、IDC机房对供电的需求有如下几个特点

    1、对供电要求高靠性

    IDC面对的客户一般都是企业级客户，有的甚至为门户网站，若负载中断，IDC业务提供者，将会面临巨大损失，因此对供电的可靠性要求很高。

    2、负载容量大

    IDC机房建设投入巨大，并且会考虑到未来几年的业务增长，因此其要能承接足够大的业务量。一般一个机房约放置50-100个机架，每个机架的负载量约为几千瓦，因此一个机房的负载量约为几百到上千千瓦，一个IDC中心可能建设多个机房。

    3、相对集中的供电方式

    为了分担风险，同时又考虑到集中供电的方便管理性，一般按一个机房的负载容量来考虑，负载量约在几百到上千千瓦。

    4、对设备的谐波污染要求高

    随着国家对节能、环保的要求越来越高，电信运营商积极响应，同时，IDC机房也是用电大户，是供电单位的重点关注对象，对谐波关注的程度高，这已经是趋势。

    二、传统的UPS供电解决方案

    传统的数据通信设备要求交流输入电源，一般是与市电电源的电压和频率相同的电源，即220V，50Hz的单相交流电源。传统的数据通信设备的电源系统是UPS系统， UPS系统一般由整流器、逆变器、蓄电池和静态开关等组成，市电正常时，市电经整流器变换为直流电供给逆变器，同时给蓄电池充电，逆变器将直流电变换为交流电供给负载。UPS本身故障时负载可经静态开关转换为旁路市电供电，市电长时间停电时，由备用发电机组供电。

    虽然IDC机房内的设备是单相供电，但功率越来越大，单相UPS功率不能做的很大，受到限制，解决的方法是用三相UPS供电，功率一般平均分到三相上，同时进行UPS并机，解决其供电的可靠性。由于UPS最终通过逆变换流供电给数据设备，如果逆变与切换部分出现故障，电池不是直接给数据设备供电，会导致数据设备中断。

    几种常见的UPS供电模式

    1、串联热备份

    此种UPS供电方式消除了单点故障，实现简单，但是其同一时间只有一台UPS带载，因此存在超载能力差、主备机老化不均等问题，目前已经较少采用，系统图见图1：

    2、并联冗余

    此种UPS供电方式，最大的好处是可以负载均分，其中任意一台UPS故障，其被切离，UPS系统不用做任何切换，仍可工作在在线模式。可以根据负载量，通过增加UPS的方式实现系统容量扩充。系统图见图2。

    3、双总线供电方式

    此种UPS供电方式，其最大的特点是同时提供2路互不影响的供电母线，分别提供给双电源负载，或者通过STS再提供给单电源负载。此方式也很好的消除了单点故障，但限于供电方案中又增加了LBS（同步控制）和STS（双路切换），因此也增加了故障点。系统图见图3。

    UPS供电方案的优点：

    技术方案成熟，目前在大量应用。

    交流输出，不易拉弧。

    UPS供电方案的缺点：

    并机难度大，需电压、频率、相位同步。

    系统设计复杂，单点故障多

    变换级数多，效率相对低

    输入谐波大，功率因数低

    三、共用48V母线的混合系统解决方案

    这种电源系统结构特点是直流负载和交流负载的电源系统都采用-48V母线作为输入电源。在市电或整流器故障时，由于蓄电池与输出母排是并联的，所以-48V母线电源是不间断的。直流负载由-48V母线直接供电，交流负载经逆变器供电，即用-48V直流电源供电的逆变器代替了UPS。系统图见图4。

    混合系统解决方案优点：

    技术成熟，48V电源是真正的不间断电源，其输出纯净，所以系统整体稳定性有提高。不易拉弧，安全性高。

    混合系统解决方案缺点：

    在交流负载的电源链中增加了电源变换的次数，且电压低，电流大，增加了损耗，降低了系统效率。这种电源系统结构仅适用于交流负载为中小功率的情况。

    四、整流型rAC高压供电解决方案

    以INTELEC 2001年发表的《新电信网络和服务的最佳新型供电》和2000年发表的《电信和数据通信融合的rAC供电技术的新研究》为代表，法国电信公司试用。rAC供电系统，类似传统的48V直流电源系统中的直流母线由经过整流的母线替代，实际上是脉动的直流。系统由整流桥、高电压蓄电池组、蓄电池开关、充电机等组成。这种rAC供电系统的输入谐波电流抑制和功率因数需要补偿，须在rAC母线上并联连接谐波抑制器。系统图见图5。 [p]

    rAC高压供电解决方案的优点：

    在整个供电电路中只有一个变换级，损耗小，效率高；蓄电池充电机只用于给蓄电池离线充电，因此容量较小，成本低。rAC高压供电解决方案的缺点：

    采用用电压较高， 安全标准要求高；采用单体蓄电池数量较多，要求进行更严格蓄电池管理。

    五、高压直流供电的可行性探讨

    数据设备内部电源状况是计算机主机、显示器、打印机等电气设备的内部电源都是开关电源，将输入的交流220V先整流、滤波成直流300V后，再通过电源开关管和开关变压器降压、稳压成低压，为各部分提供电源。一般交流电压在110-250V之间，通过整流、滤波后直流电压为150V-340V之间。因此，给这些设备输入一个150V-340V直流电压，设备是可以正常工作的。综合考虑， 额定电压在228V～280V（后备12V电池19只或20只）范围内直流电通过桥式整流电路、滤波后，仍是直流228V～280V，在150V-340V之间，因此开关电源仍能正常工作，目前的实验证明数据设备输入DC270V左右时效果好。系统图见图6。

    六、高电压直流供电系统解决方案一

    高电压直流供方案一的交流输入、整流电路和蓄电池、充电机与rAC供电系统是相同的。不同的是rAC供电系统将rAC直接供到集中的大功率DC/DC变换器，再其变换为稳定的高压DC270V。日本NTT公司试验了此系统。如果交流输入电源故障，由蓄电池经直流开关和大功率DC/DC变换器供给负载设备270V直流电，系统图见图7。

    此种电源系统的优点：

    可靠性高、效率高，在负载设备的功率较大时更为突出；成本低；

    此种电源系统的缺点：

    采用单体大功率DC/DC，电压高，电流大，要求较高的安全标准；采用蓄电池数量多，要求进行更严格蓄电池管理。

    七、高压直流供电系统解决方案二

    此方案是目前国内电信运营商在IDC机房改善供电的试用电源系统，最早盐城电信为代表，现在一些电信分公司与移动分公司均有试用。与传统48V供电系统类似，是由多个并联冗余整流器和蓄电池组成的。在正常情况下，整流器将市电变换为270V直流电，供给电信设备，同时给蓄电池充电。市电停电时，由蓄电池放电为电信设备供电。长时间市电停电时，由备用发电机组供电。与传统的-48V直流电源系统的一样，蓄电池备用时间为1～24h，典型的蓄电池备用时间为1～3h。此高压直流电源系统，在试用中优势得到较充分的体现，系统图见图8。

    此种供电系统的优点：

    可靠性：电源模块化输出和电池直接并联给负载供电，电池直接并联到输出母线上，母线电源是不间断的。采用分级分布式控制，整流模块和CSU故障时各自独立控制，避免故障扩散。

    易维护：并机容易，电源模块化设计，支持带电热插拔，更换方便，采用分级分布式控制，整流模块和CSU可各自独立控制，便于维护。

    智能化管理：此系统与传统48V直流电源系统一样，系统管理采用全面的智能化管理模式；对电池部分管理完善，有效延长了电池的使用寿命。

    无谐波干扰、易扩容：对于计算机和服务器来说，采用直流输入，不再存在相位和频率的问题，多机并联变得简单易行，无谐波干扰。

    安全性：采用标准电气柜，对分路输出和母线的绝缘状况可进行实时监控，安全性高。

    性价比：同样容量的系统，高压直流电源系统由于采用N+1模式，投资低，性价比高。

    此种供电系统的缺点：

    此供电系统要求直流专用元器件；对器件灭弧要求高；由于电压高，无过零点，对安全性要求高。

    八、高压直流供电系统解决方案三

    高电压直流供电系统方案三与方案二供电系统是类似的，所不同的是，方案三供电系统增加升压电路，将直流输出电压提高到400V（此种类似的供电系统在移动公司有实验点，直流电压350V）。是针对专门的高压服务器电源，目前此服务器尚在研制之中，由于系统输出电压高，对目前大量在使用的服务器有些是不可用的，但由于某些优点突出，可能成为未来的一种发展的趋势。系统图见图9。

    此方案供电系统的优点：

    模块化供电，电池直接连接负载，母线电源不间断；电源效率最高，最节能；输出为直流无率因数与谐波问题，具备最大负载能力；供电电缆最细，节省成本与空间。

    此方案供电系统的缺点：

    故障的安装拆除易造成拉弧；对安全的要求高，器件的要求也高。

    结论

    电信技术的迅速发展推动了电源设备技术的进步，高电压直流供电系统方案二与方案三因为其可靠性高，效率高，特别适用于设备功率较大的场合的IDC机房供电。方案二适合于目前的服务器，也是目前IDC机房供电的改造相对最适合的方案，方案三可能是一种IDC机房设备供电的发展趋势。IDC机房最佳供电系统到底是什么，还值得深入探讨与研究，最终总会找到一种适合的方案。