市電直供在數(shù)據(jù)中心的應用和發(fā)展展望

井輝，彭廣香（中國移動通信集團設計院有限公司， 北京 100080）

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市電直供在數(shù)據(jù)中心的應用和發(fā)展展望

井輝，彭廣香
（中國移動通信集團設計院有限公司， 北京 100080）

摘 要從國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心的發(fā)展來看，市電直供技術已經(jīng)獲得了大量應用，且符合低碳數(shù)據(jù)中心的發(fā)展趨勢。為了適應供電技術的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)的336V直流系統(tǒng)和UPS均應進行相應的技術更新，以便在未來的數(shù)據(jù)中心的建設和運行中得到更好的應用。

關鍵詞數(shù)據(jù)中心；ICT設備電源；通信電源；市電直供；市電質量；旁路供電

近年來，國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心進入了大規(guī)模建設期，其相關技術也在飛速發(fā)展。為應對全球氣候變化，綠色環(huán)保的數(shù)據(jù)中心成為所有建設者和使用者共同追求的一個重大目標。對于數(shù)據(jù)中心的供電技術來說，市電直供技術是有效節(jié)約數(shù)據(jù)中心設備投入和能源消耗的有效手段。本文主要探討ICT設備電源和通信電源是否可以滿足市電直供的要求以及今后的發(fā)展趨勢。

1　ICT設備電源是否可以滿足市電直供的要求

對于ICT設備來說，能否直接采用市電供電取決于市電的質量和ICT設備電源的適應能力。從市電質量來說，主要指標有電壓和頻率的變化范圍、電流和電壓畸變率以及浪涌沖擊。

國內(nèi)市電電壓為交流220V/380V、頻率為50 Hz，電壓變動范圍不會超過±10%、頻率變動范圍不超過±0.5 Hz，對于建設數(shù)據(jù)中心的區(qū)域來說，供電質量較好，一般優(yōu)于該指標。目前各廠家在生產(chǎn)ICT設備電源時為適應全球的電網(wǎng)電壓，輸入電壓范圍一般為交流100～240V，且可以承受10%的電壓偏差；輸入頻率50 Hz和60 Hz自適應，范圍一般為47～63 Hz。

對于輸入電壓和電流畸變，ICT設備電源廠商進行過大量測試，不影響ICT設備電源的使用性能。即使是方波輸入，ICT設備電源也可以正常工作。而且，為適應高壓直流的應用，ICT設備電源可以同時兼容交流220V、直流240V和直流336V電源輸入。

ICT設備電源都需要滿足EMC的相關測試，其中一項即為浪涌（沖擊）抗擾度試驗。按GB/T 17626.5-2008/IEC 61000-4-5：2005的測試要求，ICT設備根據(jù)安裝類別、交流/直流，以及是否直接連接至電網(wǎng)的區(qū)別對用電設備的線—線和線—地的防浪涌沖擊能力有明確的規(guī)定和要求。直接連接至電網(wǎng)的ICT設備電源線—線可以滿足1 kV、2 kV的浪涌沖擊，線—地可以滿足2 kV、4 kV的浪涌沖擊。

從安全上來分析，ICT設備電源在輸入和輸出兩側是有電氣隔離的，即使ICT設備電源因輸入電壓過壓損壞，也會形成斷路從而不會損壞后端設備。

綜上分析可以看出，ICT設備電源完全可以適應市電直接供電的要求。實際上，大量使用的個人電腦也是ICT設備，使用市電并沒有產(chǎn)生不良影響。

2　ICT設備不同供電方式的市電直供方案

ICT設備供電電源主要有3種，整機柜式ICT設備一般采用直流+12V供電，傳統(tǒng)ICT設備一般采用高壓直流供電或者交流220V電源供電，詳見表1。

單回路供電的ICT設備也可以實現(xiàn)市電直供，但此類設備比例較低，本文不對此方案進行詳細描述。

3　直流+12V供電ICT設備市電直供技術方案

ICT設備采用12VDC供電，可以按圖1技術方案實現(xiàn)市電直供。

每個ICT設備機架配置一套嵌入式電源，每套嵌入式電源配置N 個336VDC/12VDC直流變換模塊和N個220VAC/12VDC整流模塊（交流模塊），直流模塊和交流模塊互補備用；直流模塊和交流模塊不配置冗余模塊。

直流模塊和交流模塊在12V直流輸出側并聯(lián)。ICT設備采用12VDC電源供電，每個機架設置12VDC配電母排。市電側可以提高供電效率至98%以上，直流回路供電效率可以達到94%。監(jiān)控模塊可以設置直流模塊和交流模塊的輸出功率比例，最高可設置直流模塊或交流模塊100%功率輸出。

表1　ICT設備的供電電源

4　直流336V供電ICT設備市電直供技術方案

ICT設備采用336VDC供電，可以按圖2技術方案實現(xiàn)市電直供，ICT設備一路采用336VDC供電，另一路采用交流220V供電。

對于雙PSU供電的ICT設備，一路PSU市電直供；另一路PSU采用336V直流電源供電（接后備電池），兩路PSU在+12V直流輸出側并聯(lián)。市電側可以提高供電效率至98%，直流回路供電效率可以達到94%。通過對兩個PSU的管理，可以實現(xiàn)市電直供回路100%供電，336V直流供電回路備份使用。

圖1　采用直流+12V供電ICT設備的市電直供架構

圖2　采用直流336V供電的ICT設備的市電直供架構

5　現(xiàn)網(wǎng)UPS市電供電模式

5.1UPS供電架構

目前，現(xiàn)網(wǎng)在用的UPS總量非常大，研究基于UPS的市電直供對現(xiàn)網(wǎng)能效的提升和今后發(fā)展都有重要意義?，F(xiàn)網(wǎng)重要的設備大多采用2N UPS系統(tǒng)供電，其架構如圖3所示。

5.2UPS經(jīng)濟運行模式

通信電源采用的UPS一般為雙變換在線式，傳統(tǒng)運行模式為雙變換在線運行模式。因UPS主回路和旁路之間可以跨速切換，因而開發(fā)出了ECO（Economy Control Operation，經(jīng)濟運行模式），即平時采用旁路運行，市電不滿足要求或中斷時切換到主回路供電。按中國移動的企業(yè)標準，UPS主回路供電切換到電池供電的時間為0 ms，主回路供電和旁路供電之間的切換時間不超過2 ms。采用經(jīng)濟運行模式時，主回路和旁路的切換不會造成主設備中斷。

現(xiàn)網(wǎng)的UPS供電系統(tǒng)如采用ECO運行模式，可將UPS系統(tǒng)的供電效率提升到98%以上。UPS采用ECO運行模式時，ICT設備由市電供電。

6　336V直流/市電混合供電及發(fā)展

以上直流+12V供電ICT設備和直流336V供電ICT設備市電直供技術方案中均應用了336V直流電源系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)的供電設備基本相同，只是直流+12V供電ICT設備的變換電源進行了集中設置。

6.1系統(tǒng)總體效率影響因子分析

基于336V直流供電系統(tǒng)的市電直供系統(tǒng)架構中，影響總體運行效率的因子比較多，詳見表2總結。

圖3　2N UPS供電架構圖

表2　336V直流/市電混合供電效率因子匯總表

336V直流/市電混合供電最高能效運行方式受多種因素和條件影響，但只要針對具體的設備和系統(tǒng)，給出一定的條件即可以推導出最優(yōu)的運行點。實際運行中，并不一定是市電承擔100%負載率時綜合能效最高。要達到最佳運行點，系統(tǒng)應可以調(diào)整市電和直流供電的負載比例。

6.2336V直流/市電混合供電對ICT設備電源的要求

采用336V直流/市電混合供電時，ICT設備電源應可以識別直流輸入和交流輸入，實際運行時設置為交流輸入優(yōu)先。

6.3336V直流/市電混合供電對直流電源的要求

采用336V直流/市電混合供電時，直流系統(tǒng)的監(jiān)控模塊宜嵌入一個匹配系統(tǒng)最佳運行效率的計算和分析軟件。在系統(tǒng)投入運行時，將供電效率因子輸入監(jiān)控模塊，系統(tǒng)自動匹配最佳運行效率點運行。直流系統(tǒng)還應管理整流模塊的智能休眠。

7　UPS的市電直供及發(fā)展

7.1UPS功能優(yōu)化和未來發(fā)展

現(xiàn)網(wǎng)UPS極少采用經(jīng)濟運行模式，主要原因之一是用戶對UPS旁路運行模式安全性的擔心。傳統(tǒng)UPS對供電電源不進行判別，對供電質量沒有分窗口進行區(qū)分，因而當市電質量不滿足ICT設備供電質量時，存在不能及時切換保護的風險。對于采用經(jīng)濟運行模式的UPS，建議增加以下幾項功能，以保證旁路運行模式的安全。

7.1.1增加供電電源類型判別

當機房采用發(fā)電機組供電時，如UPS采用旁路運行，發(fā)電機組存在因諧波或功率因數(shù)超前而振蕩或帶載容量下降的問題。可以在UPS引入一個發(fā)電機組供電的接點信號，當機房采用發(fā)電機組供電時，UPS主動切換為主回路供電。

7.1.2增加供電電源質量判別

UPS運行時，可分為旁路運行帶載、雙變換主回路帶載和電池放電經(jīng)逆變器帶載3種方式。這3種方式供電電源的質量要求是不一樣的，為了安全，可以把旁路運行的電源質量窗口范圍設置的窄一些。當市電電源質量符合旁路運行的范圍時，UPS采用旁路運行；市電電源超過了旁路運行的電源質量窗口范圍但未超過UPS主回路整流器輸入電源質量范圍時，UPS采用主回路供電；市電電源超過了UPS主回路整流器輸入電源質量范圍時，UPS電池放電，逆變器供電。

7.1.3UPS逆變器作為供電的補償裝置

UPS旁路運行時，ICT設備電源存在一定的諧波畸變；因PFC的原因，雙電源供電的ICT設備呈容性。UPS的逆變器并聯(lián)在ICT設備的供電回路中，可以作為諧波和電容補償裝置，保證負載側的電源畸變不會反饋到供電側。

7.2UPS供電模式的未來發(fā)展

隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，ICT設備采用一路市電和一路UPS經(jīng)濟運行模式供電的方案可能也會獲得大量的應用，如圖4所示。該運行模式的優(yōu)勢是對現(xiàn)網(wǎng)ICT設備不需要進行任何升級改造，即可以滿足ICT設備的供電要求，運行效率高，可以達到99%左右。只需要在低壓配電側進行適當?shù)墓β室驍?shù)補償和諧波治理就可以完全滿足供電系統(tǒng)的電源質量要求。此方案主要的問題是供電系統(tǒng)的整體可靠性略低，對于特別重要的ICT設備，不適宜采用此方案供電。

表3　不同供電系統(tǒng)及不同運行模式的經(jīng)濟性對比表

圖4　一路市電和一路UPS經(jīng)濟運行模式供電架構圖

8　經(jīng)濟性比較

隨著全球4G通信網(wǎng)絡和智能通信終端的快速發(fā)展，最近幾年數(shù)據(jù)流量呈井噴式增長，數(shù)據(jù)中心開始大規(guī)模建設。預計數(shù)據(jù)中心將會保持較長時期的快速增長。市電直供技術可以有效節(jié)約數(shù)據(jù)中心的初期投資和運行成本。

以一萬臺x86服務器（功耗按300 W/臺）為例，以下不同供電系統(tǒng)及不同運行模式的經(jīng)濟性對比如表3所示。

從表3可以看出，市電直供電源系統(tǒng)不僅可以節(jié)約供電系統(tǒng)的初期投資，還可以大幅度降低長期運行費用。2N UPS系統(tǒng)如采用市電直供技術，與未采用市電直供的電源系統(tǒng)相比，10年總投資可降低47%，每千瓦負載降低投入1.7萬元。336V直流系統(tǒng)采用市電直供技術后，10年總投資可降低30%，每千瓦負載降低投入0.64萬元。

9　總結

從國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心的發(fā)展來看，雖然不同的用戶采用的市電直供技術差異巨大，但該技術已經(jīng)獲得了大量應用，且符合未來的發(fā)展趨勢。為了適應供電技術的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)的336V直流系統(tǒng)和UPS均應進行相應的技術更新，以便在未來的數(shù)據(jù)中心的建設和運行中得到更好的應用。同時，建議及時修訂相關的企業(yè)標準和行業(yè)標準，把市電直供技術納入技術標準體系，規(guī)范其產(chǎn)品和及技術方案；通信運營商應將通信電源相關新技術納入集中采購，以更好的推動市電直供技術的應用推廣和通信電源產(chǎn)品進步。

Application and development prospect of commercial power mains supplying in data centers

JING Hui， PENG Guang-xiang
（China Mobile Group Design Institute Co.， Ltd.， Beijing 100080， China）

AbstractFrom the development of domestic and international data center， the commercial power mains supplying technology has received a lot of applications， and in line with future trends of low carbon data center. In order to adapt to the development trend of power supply technology， the traditional 336V DC system and UPS should be updated， so that the construction and operation of the data center in the future will be better.

Keywordsdata center； ICT power supply unit； commercial power mains supplying； commercial power mains supplying；Power quality； bypass power supply

中圖分類號TN915

文獻標識碼A

文章編號1008-5599（2016）05-0076-05

收稿日期：2015-11-04