高壓直流供電技術(HVDC)是近幾年正在研究的一種集中了UPS交流供電技術和-48V直流供電技術優(yōu)點為一體的新型供電技術。高壓直流供電技術克服了傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)效率低、可擴展性差、可靠性低、成本高等弊病,具有電路簡單、變換少、可靠性高、效率高、體積小、成本低等優(yōu)點。
在工程建設及維護方面,336V直流供電技術具有交流UPS系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢,無論在系統(tǒng)可靠性、可維護性、初期投入、長期運行投入以及節(jié)能等各方面均具有優(yōu)勢,因此,對于建設高可靠性、高維護性、高效節(jié)能的綠色數(shù)據(jù)中心,選擇336V直流供電技術具有重要意義。
1 高壓直流供電技術應用研究情況
(1)國外高壓直流供電技術應用研究情況
目前國外高壓直流技術應用研究還處于試驗階段,有少數(shù)商用解決方案,美國、日本等國家都有一些試驗性應用研究。
Intel EC最早就對數(shù)據(jù)中心新型供電技術進行了研究與應用,法國電信和阿爾卡持公司1999年起相繼提出《供電給新的電信網(wǎng)絡和服務用的供電系統(tǒng)》,《電信和數(shù)據(jù)通信融合的整流型AC供電技術的新研究》,《新電信網(wǎng)絡和服務的最佳新型供電》。歐美絕大部分通信運營商采用300～400V直流電壓方案;法國電信公司、日本NTT電信公司試用380V高壓直流供電系統(tǒng);美國Intel、Microsoft、Facebook等公司試用400V直流供電系統(tǒng);瑞士在建第一個完全采用336V直流供電的MW級數(shù)據(jù)中心,為商用數(shù)據(jù)中心。
(2) 國內(nèi)高壓直流供電技術應用研究情況
國內(nèi)高壓直流技術應用已進入規(guī)模應用階段,中國電信主導的240V直流供電技術、中國移動主導的336V直流供電技術正逐步擴大使用規(guī)模。
240V直流供電技術是中國電信于2008年面向現(xiàn)網(wǎng)交流服務器提出的高壓直流供電技術,在現(xiàn)網(wǎng)已應用了上百套,取得了一定成果。
336V直流供電技術是中國移動于2009年面向未來提出的全新的供電技術,這與國際上發(fā)布的《ETSIEN300132-3-1(2012.4)》和《ITU-TL.1200(2012.5)》等標準定義的380V運行電壓是一致的,具有國際先進水平。
336V直流供電技術于2009年在廣東移動進行試點應用及測試,2012年在中國移動新型數(shù)據(jù)中心哈爾濱試點工程中進行首次落地應用,2013年廣東移動在三水數(shù)據(jù)中心進行規(guī)模應用,2014年開始在中國移動呼、哈等數(shù)據(jù)中心規(guī)模推廣應用。
(3) 336V直流供電技術標準制定情況
�、� 國際標準
•《400VDC供電系統(tǒng)接口規(guī)范》(ITU-TL.1200);
•《高達400VDC供電系統(tǒng)的架構》(ITU-TL.1201);
•《400VDC供電系統(tǒng)性能及其環(huán)境影響評測方法》(ITU-TL.1202);
•《ICT系統(tǒng)高達400VDC配電的顏色和標記標識》(ITU-TL.1203)。
�、谥袊鴩覙藴�
《通信高壓直流電源系統(tǒng)工程設計規(guī)范》(報批稿)。
�、� 中國通信行業(yè)標準
•《通信用336V整流器》(YD/T3088-2016);
•《通信用336V直流供電系統(tǒng)》(YD/T3089-2016);
•《通信用240V/336V直流供電系統(tǒng)運行后評估要求與方法》(YD/T3091-2016);
•《基于240V/336V直流供電的通信設備電源輸入接口技術要求與試驗方法》(YD/T2656-2013);
•《通信用240V/336V輸入直流-直流電源模塊》(報批稿)。
�、� 中國移動企業(yè)標準
•《336V開關型整流器》(QB-H-007-2012);
•《336V直流電源系統(tǒng)》(QB-H-008-2012);
•《336V供電服務器電源模塊技術規(guī)范》(QB-H-010-2012);
•《通信用336V直流供電系統(tǒng)工程設計規(guī)范》(QB-J-015-2012)。
2 電壓等級的確定
336V直流供電電壓等級主要從系統(tǒng)效率、元器件耐壓、配電設備電壓等級、配電線路的金屬消耗和與蓄電池匹配等幾方面考慮確定的。
(1) 系統(tǒng)效率
直流母線的供電電壓越高,系統(tǒng)效率越高,節(jié)能效果越明顯。
目前,ICT設備的電源模塊(PSU)普遍配置PFC,如圖1所示。PFC一般需要將電壓提升到400V左右,如ICT設備采用接近400VDC的電壓輸入,PFC可以不需要升壓電路或者升壓電路不需要長時間工作,可以提升系統(tǒng)的可靠性和效率。
(2) 元器件的耐壓
大部份電子元器件(Caps,MOSFET等)耐壓為450～500VDC,此耐壓范圍的元器件產(chǎn)品成熟且價格低廉�？紤]故障排除和啟動時的電壓脈沖峰值,高壓直流供電系統(tǒng)工作電壓不宜超過400V。
(3) 配電設備的電壓等級
① 現(xiàn)有斷路器產(chǎn)品在直流回路中的額定工作電壓一般為500V。
�、� 電力電纜的絕緣電壓為690V/1000V,電纜對地絕緣電壓為690V,電纜之間絕緣電壓1000V。
從斷路器和電力電纜耐壓情況看,高壓直流供電系統(tǒng)工作電壓不超過500V時,配電設備均可以支持。
(4) 配電線路的金屬消耗
提高工作電壓可以降低系統(tǒng)的工作電流,減少線路的損耗,減少配電線路的金屬損耗。
高壓直流供電系統(tǒng)工作電壓400V與240V相比,電流降低66%,可以減少有色金屬消耗約60%,同時可以降低配電開關容量和配電設備容量。從配電線路的金屬消耗來考慮,直流供電系統(tǒng)工作電壓越高越好。
(5) 與蓄電池的匹配
目前,普遍應用的蓄電池為鉛酸蓄電池,單只電壓為2V、6V或12V。蓄電池作為后備電源,在高壓直流供電系統(tǒng)故障、維護或停電時,為系統(tǒng)提供不間斷電源。因而,高壓直流供電系統(tǒng)的電壓應與蓄電池組電壓相匹配,高壓直流供電系統(tǒng)的標稱電壓應為2V、6V或12V的整數(shù)倍。
通過上述幾方面的分析,高壓直流供電系統(tǒng)的電壓設置越高越有利,但是工作電壓不宜超過400V。因此中國移動于2009年選擇336V電壓等級的直流供電技術進行試點應用,336V直流供電系統(tǒng)的電壓設置應為:
標稱電壓:336V;
浮充電壓:374.64～381.36V(2.23～2.27V/cell);
最高均充電壓：386.40～394.80V(2.30～2.35V/cell);
蓄電池只數(shù):2V電池168只串聯(lián)或12V電池28只串聯(lián)。
2012年國際電信聯(lián)盟發(fā)布的《400V直流供電系統(tǒng)接口規(guī)范》(ITU-TL.1200)中明確了ICT設備高壓直流供電電壓范圍為260～400V,與中國移動選擇的336V直流供電系統(tǒng)的運行電壓完全匹配。
3 336V直流供電技術的特點
336V直流供電系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)UPS交流供電系統(tǒng)的效率低、可擴展性差、可靠性低、成本高等弊病,具有電路結構簡單、變換少、可靠性高、效率高、體積小、成本低等優(yōu)點,其與傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)結構對比如圖2所示。
336V直流供電技術的特點:
�、匐娐方Y構簡單:336V直流系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)UPS系統(tǒng),減少了DC/AC變換環(huán)節(jié),同時由于直接輸出直流電,服務器PSU減少了AC/DC環(huán)節(jié),取消兩級變換簡化了電路結構。
�、诳煽啃愿�:簡單的電路結構提高了系統(tǒng)可靠性,系統(tǒng)可用度高達10個9,與2N雙總線UPS交流供電系統(tǒng)相比,系統(tǒng)可用度提高了3個9,而且由于電池直接連接在輸出母線上,提高了電池供電時的可靠性。
�、圻\行效率高:與48V直流電源相比,基礎電壓提高了7倍,減少了線路損耗;與240V直流電源相比,系統(tǒng)效率提高約6%(包含ICT設備內(nèi)部PSU效率);與傳統(tǒng)UPS交流電源相比,系統(tǒng)效率提高約10%～15%。
�、軘U容便捷:由于采用了模塊化熱插拔結構,擴容簡單方便,降低后期維護成本。
4 ICT設備支持336V直流供電
(1) ICT設備336V直流供電原理
目前ICT設備主要以交流供電為主,交流電源模塊(PSU)主要有兩種,即ATX標準電源和SSI標準電源,其簡化的電路拓撲結構見圖3。
交流220V輸入先經(jīng)過EMI、整流、PFC電路,變換成380V左右的直流,然后再將380V直流經(jīng)過DC/DC電路變換成12V直流,12V直流通過分壓電路獲得0.8V、3.3V、5.0V等直流電壓提供給ICT設備負載使用。
對于采用220V交流電源模塊供電的ICT設備,可以將其交流電源模塊替換為336V直流電源模塊,完成直流供電升級,336V直流電源模塊的電路拓撲結構見圖4。
相比交流PSU,直流PSU省去了AC/DC整流電路,直接將336V直流經(jīng)過穩(wěn)壓、DC/DC電路變換成12V直流,12V直流通過分壓電路獲得0.8V、3.3V、5.0V等直流電壓提供給ICT設備負載使用。因變換環(huán)節(jié)減少和電路簡化,336V直流PSU比交流PSU的可靠性、效率更高、成本更低。
對ICT設備負載來說,220V交流PSU和336V直流PSU輸出12V直流電源要求相同,在不改變ICT設備結構的情況下,將220V交流PSU更換為336V直流PSU后,ICT設備完全支持336V直流供電。
(2)現(xiàn)有ICT設備336V直流供電支持情況數(shù)據(jù)中心ICT設備主要有路由器、交換機(盒式交換機、框式交換機)、服務器(機架式服務器、刀片式服務器)、存儲磁陣、防火墻設備等。大多數(shù)ICT設備是采用交流PSU供電,而PSU模塊部分是可插拔的獨立模塊,部分是固定安裝在設備內(nèi)部的獨立模塊。大多數(shù)ICT設備都可以通過將交流PSU更換為直流PSU的方式支持336V直流供電應用,如圖5所示。
但目前的路由器、交換機等網(wǎng)絡設備一般沒有內(nèi)置交流電源模塊,主板一般直接采用48V直流供電,不能通過更換電源模塊的方式支持336V直流。設備內(nèi)部的業(yè)務單板、控制單板等部件,也不能支持336V直流直接供電。因此,路由器、交換機等網(wǎng)絡設備需要通過外置336V/48V直流電源框的方式來實現(xiàn)336V直流供電,如圖6所示。
未來,隨著路由器、交換機等網(wǎng)絡設備供電架構的演進,也會出現(xiàn)內(nèi)置336V直流電源模塊的供電架構,直接支持336V直流供電。
5 ICT設備336V直流供電方案
根據(jù)服務器輸入電壓類型的不同,ICT設備采用336V直流供電方案主要有以下兩種:
方案一:選用輸入電壓為12V的直流ICT設備,通過在ICT設備機架內(nèi)配置336V/12V嵌入式電源,集中為12V直流ICT設備供電。其供電結構圖如圖7所示。
12V直流服務器應用已非常成熟,目前中國移動、阿里巴巴、谷歌、FACEBOOK等數(shù)據(jù)中心均有12V直流服務器的應用案例。
方案二:選用輸入電壓為336V的直流服務器,直接采用336V直流電源供電,其供電結構圖如圖8所示。
采用方案二時,部分網(wǎng)絡設備(如路由器、防火墻等)需選擇48V直流供電設備,通過在機架內(nèi)配置336V/48V直流電源的方式來實現(xiàn)336V直流供電。目前中國移動呼、哈數(shù)據(jù)基地和廣東移動三水數(shù)據(jù)中心ICT設備供電選擇了此方案。
6 ICT設備電源輸入接口裝置的選擇
336V直流供電與普通交流供電接口裝置的耐壓等級、滅弧等技術要求不同,因此不能直接將交流供電接口裝置用于336V直流供電系統(tǒng)中。
336V直流供電的ICT設備電源輸入接口裝置可采用接線端子或400V直流專用插頭/插座兩種方式,如圖9所示。
采用接線端子方式時,端子上應當有標記標明極性,標記不得標在螺釘上或在接線時可能要拆除的其他零部件上。
采用400V直流專用插頭/插座方式時,插頭/插座應具備以下功能:
�、俨孱^上應當有標記標明極性,插頭/插座的設計應能防止反極性插入;
②插頭/插座應具有滅弧功能,避免熱插拔時電弧外泄產(chǎn)生危害;
�、鄄孱^/插座之間應具有鎖定裝置,防止松動脫落和帶電插拔。
ICT設備電源輸入接口裝置具體技術參數(shù)應滿足《基于240V/336V直流供電的通信設備電源輸入接口技術要求與試驗方法》(YD/T2656-2013)相關要求。
ICT設備機架內(nèi)配電單元(PDU)選擇斷路器類型,在機架后面兩側分別安裝1條PDU,每臺ICT設備輸入(A、B路)分別對應1路斷路器開關,輸入電纜與斷路器直接固定連接。圖10為ICT設備機架內(nèi)PDU示意圖
7 336V直流電源與市電如何實現(xiàn)混供?
為了進一步提高數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)效率,降低數(shù)據(jù)中心PUE值,中國移動設計院2013年在《中國移動通信電源發(fā)展規(guī)劃研究》中首次提出了數(shù)據(jù)中心基于336V直流供電的交直流混合供電技術方案;2014年與相關電源廠家共同完成了技術論證、產(chǎn)品研發(fā)測試。混合供電系統(tǒng)可以通過設置交、直流模塊輸出功率比例來提升系統(tǒng)效率,系統(tǒng)效率比全直流供電提高2%～4%。
根據(jù)現(xiàn)有電源技術發(fā)展,結合技術研究情況,市電直供技術可以分為兩種方案實施:336V直流ICT設備交直流混供方案和12V直流ICT設備交直流混供方案。
(1) 336V直流ICT設備交直流混供方案ICT設備內(nèi)置電源模塊(PSU)按“1+1”配置,其中1個配置220VAC/12VDC模塊,采用220V交流市電電源供電。另外1個配置336V DC/12VDC模塊,采用336V直流電源供電。兩個模塊互為主備,在12V直流輸出端并聯(lián)給ICT設備供電,供電架構示意圖如圖11所示:
ICT設備通過對兩個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,市電側供電效率達98%,直流側供電效率達到94%。
(2)12V直流ICT設備交直流混供技術方案
在ICT設備機架內(nèi)配置1套12V直流輸出嵌入式電源,通過機柜后側12V配電母排為直流12V直流ICT設備供電。
嵌入式電源主要由轉換模塊、監(jiān)控模塊和輸入、輸出接口組成,轉換模塊按“N+N”配置,其中N個轉換模塊為220VAC/12VDC模塊,采用220V交流市電電源供電,另外N個轉換模塊為336VDC/12VDC模塊,采用336V直流電源供電。供電架構示意圖如圖12所示。
監(jiān)控模塊可以調(diào)整220VAC/12VDC模塊和336VDC/12VDC模塊的輸出功率比例,使系統(tǒng)運行效率達到最佳。
8 336V直流供電系統(tǒng)如何配置?
(1) 336V直流供電系統(tǒng)組成與配置336V直流供電系統(tǒng)主要由交流配電柜(單元)、整流柜(單元)、直流配電柜(單元)以及蓄電池組組成,系統(tǒng)結構圖如圖13所示。
336V直流供電系統(tǒng)主要配置要求如下:
① 交流輸入兩路市電,配置手動(或自動)切換裝置;
�、谡髂K容量選擇10kW及以上,整流模塊數(shù)量按N+1冗余配置,單系統(tǒng)容量不超過400kW;
�、垭姵亻_關選擇雙極直流熔斷器組合開關或者雙極直流塑殼斷路器,輸出開關選擇雙極直流塑殼斷路器,系統(tǒng)中的總母排和輸出分路應配置絕緣監(jiān)察功能;
�、芰蓄^柜中的輸入開關選擇雙極直流塑殼斷路器,輸出開關選擇雙極直流微型斷路器,絕緣監(jiān)察功能根據(jù)實際情況選配。
(2) 336V直流供電系統(tǒng)結構的選擇
結合通信行業(yè)48V直流系統(tǒng)應用的現(xiàn)狀以及ICT設備對供電可靠性的要求,336V直流供電系統(tǒng)選擇單系統(tǒng)雙回路供電結構。
單系統(tǒng)雙回路供電結構是指由1套336V直流電源系統(tǒng)輸出2個回路為ICT設備A、B路供電,供電結構如圖14所示。
336V直流供電單系統(tǒng)雙回路供電結構與48V直流供電系統(tǒng)相同,結構簡單,可用性高達10個9,比傳統(tǒng)2N雙總線UPS交流供電系統(tǒng)可用性高出3個9(2N雙總線UPS交流供電系統(tǒng)一般為7個9)。
(3) 336V直流供電方式的選擇
根據(jù)電源設備安裝位置和設備選型,336V直流供電方式可分為兩種:集中供電方式和全分散供電方式。
集中供電方式是指通信機樓的每一層均設置電力電池室,集中安裝若干套中、大容量電源和蓄電池組,通過電纜將電能輸送到ICT設備機房內(nèi)的列頭柜為ICT設備供電,設備布置示意如圖15所示。
全分散供電方式是指將336V直流供電系統(tǒng)(包括電池)分散安裝在ICT設備機房內(nèi)用電設備的列頭,就近為ICT設備供電,設備布置示意如圖16所示。
集中供電方式和全分散供電方式技術特點對比情況如表1所示:
通過表1可以看出,兩種供電方式各有優(yōu)缺點,在現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心中均有應用,具體選擇時應根據(jù)ICT設備近遠期裝機情況確定。
當近期ICT設備裝機率大于60%時,選擇集中供電方式;當近期ICT設備裝機率小于60%或近遠期無法確定ICT設備裝機時,選擇全分散供電方式,實現(xiàn)邊成長邊投資的建設模式、提高電源系統(tǒng)運行效率。
9 336V直流供電技術應用案例
近幾年來,中國移動一直在積極研究、推廣336V直流供電技術的應用和技術產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,成為了國際上第一個規(guī)模應用336V直流供電技術的運營商,為建設高可靠性、高維護性、高效節(jié)能的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)做出了貢獻。
(1) 研究、測試情況
①2008年,中國移動設計院提出336V直流供電系統(tǒng)替代傳統(tǒng)UPS的技術方向;
�、�2009年3月,中國移動集團公司336V直流供電技術試點研究項目立項;
③2009年9月～2011年12月,在深圳進行336V直流供電技術應用試點測試;
�、�2012年10月,中國移動發(fā)布336V直流供電技術相關企業(yè)標準。
�、�2013年,中國移動設計院提出數(shù)據(jù)中心基于336V直流供電的交直流混合供電技術方案,并與相關電源廠家完成了產(chǎn)品研發(fā)與測試驗證等工作。
(2) 應用情況
①2012年,新型數(shù)據(jù)中心哈爾濱試點工程中進行了首次落地應用(100kW×4套);
�、�2013年,廣東移動在三水數(shù)據(jù)中心進行了規(guī)模應用(300kW×12套);
�、�2014年,中國移動呼、哈數(shù)據(jù)中心全面推廣應用(360kW×174套);
�、�2014年11月,中國移動發(fā)布的《中國移動數(shù)據(jù)中心機電配套工程建設指導意見》中明確:自用機房應積極推廣應用336V直流供電技術,目前全國各省在建的30多個數(shù)據(jù)中心中均規(guī)劃應用了336V直流供電技術。
10 336V直流供電技術的應用前景
336V直流供電系統(tǒng)的效率和可靠性均要大大高于傳統(tǒng)UPS交流供電系統(tǒng),這一點已經(jīng)得到了業(yè)內(nèi)人士的公認,336V直流供電技術具有廣闊的發(fā)展前景。
根據(jù)2015年11月中國數(shù)據(jù)中心工作組和中國電源工業(yè)協(xié)會主辦的模塊化UPS技術研討會上關于“未來10年,數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢”的現(xiàn)場調(diào)查情況,有62%的專家(300多位行業(yè)用戶、專家和學者)認為高壓直流供電是未來數(shù)據(jù)中心主要的供電技術,見圖17。
這幾年來,336V直流供電技術在數(shù)據(jù)中心的推廣應用相對緩慢,其主要原因是ICT設備廠家的開發(fā)、生產(chǎn)力度不夠(雖然從技術角度來看,ICT設備采用336V直流供電沒有任何問題,但ICT設備廠家沒看到客戶的明確需求)。為了解決這個問題,中國移動2016年定制化服務器集采中明確要求服務器設備支持336V直流供電(目前已在中國移動呼、哈數(shù)據(jù)中心私有云資源池項目中部署約6000臺336V直流供電服務器),全面推廣336V直流供電技術在數(shù)據(jù)中心中的應用。
另外,中國移動設計院在2016年開展了市電/336V直流混合供電技術應用試點,積極推動市電/336V直流混合供電技術在數(shù)據(jù)中心的應用,全面提高數(shù)據(jù)中心供電效率。
在傳輸網(wǎng)絡建設方面,已廣泛應用100G的PTN、OTN等傳輸設備,將來還會出現(xiàn)200G、400G的傳輸設備。與傳統(tǒng)傳輸設備相比,設備功耗由原來的2～3kW/機柜增加為15～20kW/機柜,現(xiàn)有的-48V直流供電面臨容量受限、電纜損耗大等問題。我們正積極研究傳輸設備采用336V直流供電,引導傳輸設備廠家研發(fā)400V直流供電的傳輸設備,直接采用336V直流系統(tǒng)供電。
隨著ICT設備廠家的支持力度加大,以及數(shù)據(jù)中心機房規(guī)劃、設計、建設和維護人員觀念的革新,我們相信數(shù)據(jù)中心ICT設備供電電壓等級將逐步規(guī)范化、合理化,將來數(shù)據(jù)中心ICT設備主要以220V交流市電和336V直流供電為主。
作者簡介
李玉昇2005年畢業(yè)于南京郵電大學,本科,中國移動通信集團設計院有限公司高級咨詢設計師,主要從事通信電源專業(yè)設計咨詢工作,負責通信電源新技術、新產(chǎn)品研究與應用,通信局站和數(shù)據(jù)中心動力方面的規(guī)范編制、科研規(guī)劃及課題研究等工作。 |
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