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IDC机房建设之供电模式与解决方案
  • 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。

    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INTELEC2001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。


      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*、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*。
      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。
      编辑:Andly

     

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