240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用對(duì)比分析

山西信息規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 張 鈺

廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院電子科學(xué)系 胡靖敏

大部分的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器在供電的時(shí)候夠都是選擇不間斷電源系統(tǒng)。交流UPS主要是有后備蓄電池以及傳統(tǒng)塔式UPS等共同組成的，其有效地保障了數(shù)據(jù)中心的飛速發(fā)展。然而，在節(jié)能減排工作不斷推行、業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有越來越高的供電系統(tǒng)安全性要求的今天，交流UPS出現(xiàn)了越來越多的弊端，比如較低的工作效率、較難的擴(kuò)容和維護(hù)、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(shù)據(jù)中心中開始廣泛地運(yùn)用到了模塊化UPS和240V直流系統(tǒng)。有鑒于這兩種系統(tǒng)的重要作用，本文對(duì)模塊化UPS和240V 直流系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比和分析。

1 模塊化UPS和240V直流系統(tǒng)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(tài)開關(guān)模塊、可插拔功率模塊等共同組成，這些模塊能夠?qū)PS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(shí)候都是采用并聯(lián)的工作方式，其能夠?qū)⑾到y(tǒng)的負(fù)載平均的負(fù)擔(dān)起來，如果其中的一個(gè)模塊出現(xiàn)故障，那么負(fù)載就會(huì)被剩余模塊均分；處于過載時(shí)UPS的共用供電通道就是靜態(tài)開關(guān)模塊；負(fù)責(zé)上聯(lián)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)以及集中數(shù)據(jù)顯示的主要是顯示通信模塊[1]。

其次，240V直流供電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的48V供電系統(tǒng)具有相類似的地方，其包括多個(gè)并聯(lián)冗余的蓄電池組和整流模塊。市電電源在正常的情況下會(huì)被整流模塊轉(zhuǎn)換成為240V直流電源，并且向服務(wù)器供電，同時(shí)還會(huì)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，一旦市電停電，這時(shí)候就采用電池放電的方式進(jìn)行供電。

2 模塊化UPS和240V直流系統(tǒng)的不同

模塊化UPS和240V直流系統(tǒng)屬于兩種不同的交直流供電制式，其在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的時(shí)候，具有比較顯著的差異，這些差異主要包括以下幾個(gè)方面。

首先是用戶接收度和負(fù)載適應(yīng)性的差異：盡管現(xiàn)在交換機(jī)生產(chǎn)廠商和服務(wù)器生產(chǎn)廠商均要求采用交流供電輸入的方式，然而通過對(duì)我國(guó)電信范圍內(nèi)近幾年的應(yīng)用實(shí)踐的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，目前在240V直流供電環(huán)境中大約有9/10的IT負(fù)載都能夠適用。而通過檢測(cè)在240V直流系統(tǒng)中不適用的IT設(shè)備電源模塊，我們可以發(fā)現(xiàn)，之所以導(dǎo)致不適用的情況，大部分是由于有檢測(cè)結(jié)果輸入電源頻率的電路存在于電源模塊內(nèi)部，因此如果引導(dǎo)IT設(shè)備廠商，使其能夠保證頻率檢測(cè)電路不包含在電源模塊中，這樣就能夠使IT設(shè)備的適用率得以大幅度提升。通過對(duì)用戶接受數(shù)據(jù)中心托管服務(wù)器的程度進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)240V直流供電環(huán)境是互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)普遍能夠接受的，而其他的用戶因?yàn)椴]有充分的了解240V直流系統(tǒng)，因此除了會(huì)對(duì)IT設(shè)備的適用性產(chǎn)生顧慮之外，同時(shí)還在一定程度上擔(dān)憂服務(wù)器在直流環(huán)境工作下運(yùn)行的壽命和穩(wěn)定性，因此還是希望由UPS將交流電源環(huán)境提供出來[2]。

其次是供電系統(tǒng)的可用度：通過分析單套電源設(shè)備的工作原理，我們可以發(fā)現(xiàn)，在電源設(shè)備的輸出端并接了240V直流系統(tǒng)的電池，而模塊化UPS中UPS設(shè)備則隔離了其電池和負(fù)載，所以在系統(tǒng)中仍然具有單點(diǎn)故障。相對(duì)于單套模塊化UPS而言，單套240V電源設(shè)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(tǒng)組成，然后向負(fù)載供電，這樣就會(huì)具備更高的可維修性和可靠性，其具有與240V直流系統(tǒng)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(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心重要核心設(shè)備的供電方式則具有較高的可靠性[3]。

最后是供電系統(tǒng)全生命周期總成本：設(shè)備維護(hù)成本、運(yùn)行能耗成本、建設(shè)成本等共同構(gòu)成了供電系統(tǒng)的全生命周期總成本。通過對(duì)工程建設(shè)投資進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，單套模塊化UPS和單套240V直流系統(tǒng)如果具有相近的供電能力，那么包括電纜、服務(wù)器、交直流機(jī)、配電設(shè)備、電源設(shè)備等所有的工程材料在內(nèi)的總投資額相差不大。通過對(duì)運(yùn)行能耗成本進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，模塊化UPS和240V直流系統(tǒng)如果具有相近的工作效率，那么也會(huì)具有相近的制冷設(shè)備能量消耗和電源設(shè)備自身能耗。通過對(duì)設(shè)備的維護(hù)成本進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，故障模塊的整體更換費(fèi)用是其中影響較大的部分，通過比較兩者的工作穩(wěn)定性和產(chǎn)品成熟度，相對(duì)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(duì)較高的維護(hù)成本。在數(shù)據(jù)中心中模塊化UPS和240V直流設(shè)備的成熟產(chǎn)品具有普遍不超過4-5年的應(yīng)用實(shí)踐，而且需要進(jìn)一步觀察設(shè)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(tǒng)的可用度得以提升，選擇雙總線的模塊化UPS，這時(shí)候電源設(shè)備就會(huì)具有增加一倍的維護(hù)成本和建設(shè)投資。如果電源設(shè)備具有10年的有效使用年限，那么在10年之內(nèi)由于故障的原因需要對(duì)50%以上的UPS功率模塊和240V整流模塊進(jìn)行更換，這時(shí)候相對(duì)于240V直流系統(tǒng)而言，雙總線模塊化UPS供電系統(tǒng)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(tǒng)的共同點(diǎn)

與傳統(tǒng)的塔式UPS比較起來，模塊化UPS和240V直流系統(tǒng)都選擇了模塊化結(jié)構(gòu)的供電思路，因此其具有以下幾個(gè)方面的共同優(yōu)勢(shì)：首先，在確定系統(tǒng)終期容量之后，UPS功率模塊和240V整流模塊都能夠在負(fù)載逐步增長(zhǎng)的情況下而一直擴(kuò)展，因此無需在建設(shè)初期以計(jì)劃容量為根據(jù)將整體容量一次投入進(jìn)去[4]。其次，因?yàn)閁PS功率模塊和240V整流模塊要以需要為根據(jù)進(jìn)行配置，因此系統(tǒng)在機(jī)房的不同發(fā)展階段都要在較高負(fù)載率段工作。相關(guān)測(cè)試表明，負(fù)載率為30%時(shí)，大多數(shù)廠商的模塊化UPS和高壓直流設(shè)備都能夠達(dá)到91%以上的工作效率，而且在進(jìn)一步提升負(fù)載率的情況下，其會(huì)具有高達(dá)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(tǒng)的主要維修手段就是對(duì)整個(gè)故障模塊進(jìn)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(shè)備處于停機(jī)的狀態(tài)就可以實(shí)施修復(fù)。

4 結(jié)語

在數(shù)據(jù)中心模塊化UPS和240V直流系統(tǒng)與傳統(tǒng)的塔式UPS比較起來具有較短應(yīng)用時(shí)間，現(xiàn)在很多生產(chǎn)廠商都在對(duì)電源設(shè)備的性能進(jìn)行不斷的完善，IT設(shè)備生產(chǎn)廠商同時(shí)也正在對(duì)IT設(shè)備電源模塊對(duì)供電電源的要求和性能進(jìn)行完善，因此我們認(rèn)為，模塊化配置的電源設(shè)備在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用屬于一個(gè)大趨勢(shì)。因?yàn)槟K化UPS和240V直流系統(tǒng)具有各自不同的特點(diǎn)，因此在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)必將共存。數(shù)據(jù)中心必須要對(duì)這兩種供電系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行不斷的總結(jié)，從而能夠?qū)⒑线m的供電系統(tǒng)選擇出來，并且不斷地提升供電系統(tǒng)的可維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。

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

[2]馬海霞,李傳文.直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)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(tǒng)的運(yùn)行與故障處理[J].無線互聯(lián)科技,2013(10).

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