摘要：文中介紹了240V 直流供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，并分析了其系統(tǒng)勢(shì)，相對(duì)于傳統(tǒng) UPS系統(tǒng)，240V 直流供電系 統(tǒng)在提升系統(tǒng)可靠性及可用性、降低電網(wǎng)污染、提升供電效率、減少建設(shè)和維護(hù)成本、提高管理智能化程度等方面具有明顯的勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，文章分析了240V 直流供電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的適用性，并針對(duì)數(shù)據(jù)中心常見(jiàn)的傳統(tǒng)供電模式給出替代解決方案。

關(guān)鍵詞：240V直流；PFC；單母線；雙母線；一體化供電

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，機(jī)房供電也朝著大容量、高可靠的方向發(fā)展。但是機(jī)房規(guī)模的擴(kuò)大使得機(jī)房的耗電問(wèn)題、擴(kuò)容問(wèn)題和維護(hù)問(wèn)題日益突出。傳統(tǒng)的UPS供電模式在可靠性、安全性及高能耗等方面的問(wèn)題也越來(lái)越多，尤其是傳統(tǒng)大功率UPS（通常指容量在30KVA以上）可靠性低、建設(shè)成本高、維護(hù)及擴(kuò)容難度大、供電效率低、電流諧波大等局限性逐漸 顯。業(yè)界在努力提升傳統(tǒng) 供電質(zhì)量的同時(shí)，也在不斷探索能夠替代傳統(tǒng)大功率UPS供電的新技術(shù)。隨著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《YDT2378－2011通信用240V直流供電系統(tǒng)》于2012年2月1日開(kāi)始實(shí)施240V直流供電技術(shù)作為設(shè)備不間斷供電的重要發(fā)展方向逐漸開(kāi)始市場(chǎng)潮流。

本文從240V直流供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念入手，分析其系統(tǒng)勢(shì)，針對(duì)數(shù)據(jù)中心現(xiàn)行供電系統(tǒng)中的單／雙母線供電模式和一體化供電系統(tǒng)，提出了240V直流供電系統(tǒng)的替代方案，為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的改造和建設(shè)提供一定的借鑒。

1  240V直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念 

240V直流供電系統(tǒng)主要借鑒了通信高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)思路，在通信電源-48V高頻開(kāi)關(guān)電源的基礎(chǔ)上，通過(guò)提高輸出電壓、采用懸浮供電，并引入電力電源監(jiān)控技術(shù)［２］。它是基于原有交流設(shè)備供電的一種新型供電模式，同時(shí)也是對(duì)傳統(tǒng)交流設(shè)備供電系統(tǒng)的一種創(chuàng)新。240V直流電源系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1直流供電系統(tǒng)原理框圖

2  240V直流供電系統(tǒng)的勢(shì)分析

240V直流供電系統(tǒng)很有可能是UPS發(fā)展的下一個(gè)階段，不僅是因?yàn)楦邏褐绷?/span>UPS幾乎能夠合理傳承當(dāng)所有UPS的熱點(diǎn)和沿技術(shù)，也不僅是它能夠兼收傳統(tǒng)UPS和-48VDC 通信電源之間所長(zhǎng)而摒棄其短，重要的是它能夠在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)UPS所有功能的基礎(chǔ)上好地滿(mǎn)足負(fù)載供電的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性

2.1 提升可靠性及可用性

和傳統(tǒng)UPS相比較，240V直流供電系統(tǒng)的可靠性及可用性提升主要體現(xiàn) 在 以 下 幾 點(diǎn)：240V直流供電技術(shù)簡(jiǎn)化了電路的逆變環(huán)節(jié)，取消了逆變器和與之配套的相關(guān)電路，硬件電路的簡(jiǎn)化使故障點(diǎn)大大減少，降低了系統(tǒng)故障率；整流模塊可 N+X 冗余配置，故障模塊可自動(dòng)退出，從而避免了電源間斷的問(wèn)題；傳統(tǒng)的交流 UPS電源采用將所有電源輸出功率集中在單臺(tái)設(shè)備的配置模式，而240V直流供電系統(tǒng)采用智能分布式功率分配模式，即將輸出功率分配到系統(tǒng)配置的各個(gè)電源模塊；蓄電池組并聯(lián)于電源輸出端，可以直接對(duì)設(shè)備供電，同時(shí)還可以作為濾波池濾除電網(wǎng)串過(guò)來(lái)的毛刺以及其他供電支路諧波的影響等等。

2.2 降低電網(wǎng)污染

UPS的逆變器是電污染源，它工作在高壓大功率高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流。諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)及供電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波干擾，造成設(shè)備故障、發(fā)熱、壽命降低等后果。同時(shí)，為治理諧波而增加的濾波設(shè)備，也為UPS系統(tǒng)引入了新的故障點(diǎn)。

240V直流系統(tǒng)取消了逆變環(huán)節(jié)，避免了大部分電網(wǎng)污染，且其高頻開(kāi)關(guān)電源模塊采用了PFC技術(shù)，輸入電流諧波小，抗電磁干擾能力強(qiáng)。

2.3 提升供電效率

UPS采用AC-DC-AC模式，它有兩個(gè)逆變環(huán)節(jié)，一是整流濾波（AC-DC）環(huán)節(jié)，二是逆變（DC-AC）環(huán)節(jié)，兩次變換使得其本身效率較低；UPS采用冗余配置使自身工作在低效率的負(fù)載率區(qū)間；另外，UPS產(chǎn)生的諧波電流還會(huì)在供電回路上造成損耗，引入濾波設(shè)備自身的損耗等也降低了UPS的供電效率。

240V直流系統(tǒng)簡(jiǎn)化供電結(jié)構(gòu)，取消UPS逆變及服務(wù)器電源再整流過(guò)程，變換損耗低；采用高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，整機(jī)效率高；采用模塊休眠等技術(shù)，模塊工作在負(fù)載率區(qū)間，系統(tǒng)效率高；采用PFC功率因數(shù)校正技術(shù)，諧波電流??；直流輸出有效電壓高且無(wú)諧波分量，傳輸損耗小。

2.4 降低建設(shè)和維護(hù)成本

240V直流系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)靈活的直流整流模塊N+X冗余配置模式，由于整流模塊采用模塊 化生產(chǎn)，使系統(tǒng)的擴(kuò)容和維護(hù)方便，可以針對(duì)不同規(guī)模的用戶(hù)靈活組建不同容量的直流后備電源系統(tǒng)，安裝后備電源系統(tǒng)的容量根據(jù)需要可分步投資和建設(shè)；直流電源功率密度高，安裝空間占用少；直流電源較UPS采購(gòu)成本低；同等的直流電系統(tǒng)，要比中大型交流UPS系統(tǒng)成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)。

2.5 提高管理智能化程度

嚴(yán)格按照蓄電池給定參數(shù)使用和定期的維護(hù)，是解決蓄電池組使用壽命的有效方法，合理、科學(xué)地使用和及時(shí)的維護(hù)可有效地延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。240V直流系統(tǒng)具有智能化電池管理功能，可對(duì)蓄電池實(shí)施智能化的充、放電管理；按電池組充電曲線對(duì)電池組進(jìn)行智能化的充電管理和放電維護(hù)，大大提高了蓄電池組的使用壽命，同時(shí)大大減輕了用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)維護(hù)的工作量；還具備單體電池的巡檢功能，可對(duì)電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)落后單體后立即報(bào) 警，提醒用戶(hù)及時(shí)處理，可避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，如整組電池報(bào)廢等。此外，240V直流供電系統(tǒng)具有完備的監(jiān)控功能，提供了通訊接口，實(shí)現(xiàn)了機(jī)房電源系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)控制，大大提高了電源系統(tǒng)的管理自動(dòng)化程度。

3  數(shù)據(jù)中心240V直流供電解決方案 

伴隨著通信行業(yè)的發(fā)展，通信電源系統(tǒng)也發(fā)生了質(zhì)的變化?，F(xiàn)代IDC機(jī)房規(guī)模變得越來(lái)越龐大，消耗的功率也越來(lái)越大，從分散風(fēng)險(xiǎn)和節(jié)能減排的角度考慮，要求動(dòng)力保障系統(tǒng)分散供電，供電方式從過(guò)去的集中式供電轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑹焦╇?。然而，由于交流電存在電壓、頻率、相位三要素的約束，使得UPS并機(jī)存在不確定性。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，減少UPS的并機(jī)數(shù)量，UPS的單機(jī)功率變得越來(lái)越大，供電方式越來(lái)越趨向集中，大量這種UPS系統(tǒng)的在線運(yùn)行，使得數(shù)據(jù)設(shè)備面臨的風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)間的增加而不斷積累。240V直流供電系統(tǒng)具有可擴(kuò)容性、維護(hù)方便性、割接風(fēng)險(xiǎn)小的特點(diǎn)，恰好克服了UPS的這種不確定性，能夠較好地滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和改造

3.1 可行性分析

從數(shù)據(jù)中心機(jī)房用電設(shè)備側(cè)考慮，首先,IT設(shè)備（計(jì)算機(jī)及其外設(shè)）機(jī)內(nèi)普遍采用高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，設(shè)備電源具有高頻開(kāi)關(guān)電源特性，即輸入側(cè)沒(méi)有工頻變壓器，輸入直流不會(huì)產(chǎn)生短路阻抗，因此可采用直流輸入；第二，設(shè)備電源模塊采用直流輸入，整流橋半橋?qū)ǎ虼丝梢圆捎靡欢妷褐档闹绷麟娞峁┠芰?；第三?/span>IT 設(shè)備電源模塊是恒功率模塊，提高輸入電壓，可以降低整流二極管載流量，從而提高直流狀態(tài)下的穩(wěn)定性。所以，只要輸入合適電壓的直流電，就可以使用直流電源接入原來(lái)的交流電入口，直接對(duì)用戶(hù)設(shè)備進(jìn)行供電，而不必對(duì)原設(shè)備進(jìn)行任何改動(dòng)。

從上述可行性分析可知IT設(shè)備中絕大部分都是可以采用同電壓等級(jí)的直流電源替代交流電源供電進(jìn)行工作的。通信用240V直流供電系統(tǒng)，可以在不改變用電設(shè)備交流供電電壓等級(jí)的提下，對(duì)現(xiàn)行通信網(wǎng)絡(luò)上使用交流220V供電的計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、路由器、磁盤(pán)陣列等IT設(shè)備兼容性地提供直流供電，以提高對(duì)上述通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備安全供電的保障能力。另外，從節(jié)能減排的角度考慮，和傳統(tǒng)UPS相比，240V直流供電系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)供電效率、智能休眠節(jié)能功能和成熟的智能電池管理功能，能夠有效地降低能耗，節(jié)省電力資源，符合國(guó)家節(jié)能減排的指導(dǎo)思想，是數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 適用場(chǎng)合

240V直流供 電系統(tǒng)具有運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)組態(tài)靈活、功率密度大、智能化程度高等特點(diǎn)，因此，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商自有設(shè)備為主的業(yè)務(wù)網(wǎng)及數(shù)據(jù)中心、新規(guī)劃建設(shè)及改造供電系統(tǒng)的機(jī)房、蓄電池后備時(shí)間要求較長(zhǎng)（＞2H）的應(yīng)用、設(shè)備負(fù)荷較大（＞200kva）或機(jī)房承重及空間受*，建議先選用240V直流供電系統(tǒng)。如：各類(lèi)大中型IDC機(jī)房、呼叫中心、電力監(jiān)控機(jī)房、銀行數(shù)據(jù)中心、電子商務(wù)企業(yè)數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)站企業(yè)數(shù)據(jù)中心、證劵機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)所具有規(guī)劃比較完整，機(jī)房設(shè)備安裝空間比較充足，電源設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝比較規(guī)范，適合采用240V直流供電系統(tǒng)進(jìn)行供電

3.3 240V直流供電解決方案

數(shù)據(jù)機(jī)房中較為常見(jiàn)的供電模式有單母線供電和雙母線供電兩種。單母線供電模式中，采用240V直流供電系統(tǒng)替代傳統(tǒng)UPS并機(jī)系統(tǒng)具體的解決方案為：采用直流輸出屏替代交流輸出屏，采用直流列頭柜替代交流輸出屏，蓄電池組直接并聯(lián)于系統(tǒng)輸出端。圖2給出了單母線供電模式中，240V直流供電系統(tǒng)替代傳統(tǒng)UPS并機(jī)系統(tǒng)的解決方案。

圖2 單母線供電240V直流供電解決方案

同樣，在雙母線供電模式中，采用240V直流供電系統(tǒng)替代傳統(tǒng) UPS并機(jī)系統(tǒng)的具體方案為：采用直流輸出屏替代交流輸出屏，采用直流列頭柜替代交流輸出屏，如此便得到雙母線供電模式中240V直流供電的替代解決方案，如圖3所示。

圖3 雙母線供電240V直流供電解決方案

為合理利用動(dòng)力設(shè)備，很多數(shù)據(jù)中心都采用一體化供電解決方案。圖4給出了 DC-BUS的供電系統(tǒng)解決方案。

圖4 一體化供電解決方案

4  安科瑞小母線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品介紹

4.1 概述

數(shù)據(jù)中心小母線系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱(chēng)。近年來(lái)，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的快速發(fā)展和高需求，智能小母線系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于機(jī)房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點(diǎn)，即插式插接箱給各個(gè)機(jī)柜內(nèi)的PDU分配電。始端箱和插接箱內(nèi)可設(shè)置監(jiān)測(cè)模塊，將數(shù)據(jù)上傳至動(dòng)環(huán)監(jiān)控中心。

4.2 AMB智能小母線管理系統(tǒng)

1）交流系統(tǒng)功能：

遙測(cè)：三相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功電能、無(wú)功電能、電纜溫度，系統(tǒng)頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電壓/電流諧波含量、電流/功率；

遙信：過(guò)電流2段閥值越限、過(guò)/欠壓、過(guò)功率告警、缺相、過(guò)頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警，開(kāi)關(guān)狀態(tài)、開(kāi)關(guān)跳閘；    

2）直流系統(tǒng)功能：

遙測(cè)：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流/功率；

遙信：過(guò)電流2段閥值越限、過(guò)/欠壓、過(guò)功率告警、缺相、溫/濕度告警，開(kāi)關(guān)狀態(tài)、開(kāi)關(guān)跳閘；                             

4.3 產(chǎn)品介紹

說(shuō)明：■為標(biāo)配功能。

5結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)UPS具有單點(diǎn)故障多、可靠性偏低、建設(shè)成本高、維護(hù)及擴(kuò)容難度大、供電效率低、電流諧波大等諸多局限性，而數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展對(duì)用電設(shè)備的供電質(zhì)量提出了高的要求240V直流供電技術(shù)的出現(xiàn)，是對(duì)傳統(tǒng)交流不間斷供電技術(shù)的一種探索和創(chuàng)新，一定程度上滿(mǎn)足了當(dāng)業(yè)界對(duì)大功率交流不間斷供電的需求，是通信交流設(shè)備不間斷供電的重要發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

【1】淺談機(jī)房的高壓直流供電應(yīng)用［EB/OL］.

【2】趙廣超、潘立福、吳向陽(yáng)、王琰。240V直流供電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用研究。

【3】安科瑞數(shù)據(jù)中心IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版.

【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊(cè).2020.06版.