240 V高壓直流供電在IDC機房設(shè)計中的應用

李世峰

（吉林吉大通信設(shè)計院股份有限公司，吉林 長春 130012）

0 引 言

我國的IDC以新建為主，呈粗獷式發(fā)展，增速高于其他國家，具有很大的發(fā)展空間。IDC作為數(shù)據(jù)流量處理中心，在流量爆發(fā)式增長、云計算需求巨大及人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的加持下，擁有廣闊的市場空間。配套電源是IDC最重要的組成部分，利用240 V高壓直流供電技術(shù)建設(shè)穩(wěn)定、高效且低成本的配套電源，將會推動IDC快速發(fā)展。

1 IDC機房配套電源

1.1 UPS電源

UPS主要由主機、輸入輸出配電柜及電池組成，分為在線式和后備式兩種。數(shù)據(jù)機房采用在線式UPS，先將輸入的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，再將直流電通過高品質(zhì)的逆變器轉(zhuǎn)換為交流電供給用電設(shè)備，需要經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換效率是UPS的重要指標，轉(zhuǎn)換效率越高，用戶節(jié)約的電費開支就越多。同時，為了提高UPS系統(tǒng)的可靠性一般采用1+1并機冗余的方式，即通過兩臺具有相同功率且輸出同幅度、同相位及同頻率的UPS并聯(lián)使用。正常工作時，兩臺UPS各承擔1/2的負荷，當其中1臺發(fā)生故障時，則由剩下的1臺來承擔全部負荷，這種1+1并機系統(tǒng)的平均故障時間是單機系統(tǒng)的7～8倍，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1+1并機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 UPS 1+1并機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 240 V高壓直流電源系統(tǒng)

240 V高壓直流電源系統(tǒng)主要由交流柜、整流柜、直流柜、蓄電池、直流分配柜以及列頭柜組成。相對于UPS系統(tǒng)，高壓直流供電系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少、效率高、可靠性高及使用壽命長等優(yōu)點。此外，UPS系統(tǒng)主機不需要1+1配置，易于維護，投資成本低，相對能耗低且節(jié)省空間，其工作原理如圖2所示。

圖2 240 V高壓直流電源系統(tǒng)工作原理

2 240 V高壓直流供電設(shè)計

2.1 系統(tǒng)配電結(jié)構(gòu)

根據(jù)IDC機房的等級與負載的重要度，確定采用雙路供電方式，雙路供電又分為單系統(tǒng)雙路供電和雙系統(tǒng)雙路供電，供配電結(jié)構(gòu)如圖3（a）和圖3（b）所示[1]。

圖3 240 V高壓直流供配電結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)容量、壓降及線徑

系統(tǒng)容量應根據(jù)IDC的近期和終期規(guī)模來合理確定，不易過小，當初期業(yè)務(wù)負荷較小時整流模塊按實際需要進行配置，方便后期擴容。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，直流供電系統(tǒng)全程壓降不超過12 V[1]，IDC機房情況各不相同，本文給出的壓降方案參考值如下。電池組至直流屏壓降為2 V，直流屏至電源分配柜壓降為5 V，電源分配柜至列頭柜壓降為2 V，列頭柜至用電設(shè)備壓降為1 V，同時設(shè)備自身壓降按直流屏0.5 V，電源分配柜1 V，列頭柜0.5 V考慮。

線徑的選擇應考慮最大承載電流、壓降、纜線長度以及線纜導電率等，計算公式為：

式中，S和I為最大承載電流，L為導線全程長度，K為導線導電率（銅質(zhì)導線導電率為57），ΔV為導線允許壓降。

2.3 電池組選擇及容量計算

電池組的容量應根據(jù)備電時長和負載電流來計算，備電時長需結(jié)合市電類別和油機等綜合考慮，選擇常用電壓標準的電池，方便采購和替換。中小型IDC機房可選擇單體12 V的電池，每組配置20塊。大型IDC機房可選擇單體2 V的電池，每組配置120塊，同時盡量采用分散方式進行供電，單系統(tǒng)容量盡量不超600 A[1]。建議采用鉛酸電池，容量計算公式為：

式中：Q為蓄電池容量；K為安全系數(shù)，取1.25；I為負荷電流；T為放電小時數(shù)；η為放電容量系數(shù)；t為電池安裝地的最低環(huán)境溫度，有采暖設(shè)備按15 ℃考慮，無采暖設(shè)備按5 ℃考慮；A為溫度系數(shù)[2]。放電小時數(shù)、溫度系數(shù)及放電容量系數(shù)在行標《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計規(guī)范》中可查詢。

3 案 例

鄂爾多斯某運營商新建IDC機房位于中心局二層，面積246 m2，規(guī)劃總機柜97架，分核心區(qū)、低速率業(yè)務(wù)區(qū)、高速率業(yè)務(wù)區(qū)及支撐服務(wù)區(qū)。配套電源采用240 V高壓直流供電，新增600 A電源系統(tǒng)兩套，采用雙系統(tǒng)雙路供電。

電源部分新增兩套240 V組合開關(guān)電源，每套600 A（初期配置300 A模塊）。電池部分新增6組200 AH蓄電池組（每組20塊），機房配電部分新增240 V直流總分配柜1架（雙路），240 V直流電源列頭柜（雙路）8架，220 V交流列頭柜（雙路）1架，從動力機房原有UPS輸出柜引入，供交流供電設(shè)備使用。直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 240 V直流供電系統(tǒng)實例

4 240 V高壓直流供電特殊要求

240 V高壓直流供電系統(tǒng)有如下7個特殊要求。一是電源系統(tǒng)正極和負極均不允許接地，二是電源系統(tǒng)應明確標識系統(tǒng)輸出不允許接地，三是輸出全程各級的正極和負極都應配置過流保護器，四是直流輸出各級（末級除外）配電保護應采用直流斷路器或者熔斷器，五是直流輸出末級（設(shè)備輸入開關(guān)）開關(guān)保護應采用斷路器，六是直流輸出正極電纜顏色為棕色，直流輸出負極電纜顏色為藍色，七是直流輸出正極與負載設(shè)備輸入電源線的N端對應，直流輸出負極與負載設(shè)備輸入電源線的L端對應，負載設(shè)備輸入電源線的地端應與保護地緊密連接[5]。

5 結(jié) 論

本文探討了IDC的現(xiàn)狀和配套電源的發(fā)展趨勢，并根據(jù)240 V直流供電系統(tǒng)的相應標準和技術(shù)規(guī)范，歸納總結(jié)供電設(shè)備及電池的配置方法、壓降參考值以及線纜線徑和電池容量的計算方法，以期為后續(xù)IDC配套240 V高壓直流電源的設(shè)計和實施提供參考。