中訊郵電設(shè)計(jì)院劉希禹：優(yōu)化供電系統(tǒng)提升IDC能效安全

中國(guó)IDC產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟訊 為了提升數(shù)據(jù)中心行業(yè)對(duì)安全管控系統(tǒng)更加全面的認(rèn)識(shí)及技術(shù)的發(fā)展，加速推廣電能質(zhì)量管理系統(tǒng)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟特于6月24日在京具舉辦“22011中國(guó)數(shù)據(jù)中心動(dòng)力安全能效管理趨勢(shì)研討會(huì)” ，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)眾多資深專家就數(shù)據(jù)中心安全運(yùn)維和電能質(zhì)量管理等議題進(jìn)行深入交流和探討。

中國(guó)IDC產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)作為中國(guó)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟的官方指定媒體，對(duì)此次大會(huì)進(jìn)行全程深入報(bào)道。

中訊郵電設(shè)計(jì)院教授級(jí)高工劉希禹教授表示，供電系統(tǒng)和能效的管理是有直接關(guān)系的，如果供電系統(tǒng)比較先進(jìn)，那么搞能效安全管理可能就事半功倍。假如通訊供電系統(tǒng)有問題，或者是落后，或者是花了很多力量去進(jìn)行安全管理，可能達(dá)的能效就事倍功半。

劉希禹指出，通信數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的組成，有兩部分組成，一是高壓壓供電系統(tǒng)，二是通信設(shè)備接口的通信電源系統(tǒng)。具體數(shù)據(jù)中心目前來(lái)說(shuō)就有這兩部分組成，這兩部分缺一不可，而且每一個(gè)部分都不能忽略。現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)可能沒達(dá)到最佳，或者存在著各種各樣的問題，假如有這種情況，應(yīng)當(dāng)及時(shí)按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行優(yōu)化改造，優(yōu)化改造跟現(xiàn)在的安全節(jié)能管理是有關(guān)系的。

以下為中訊郵電設(shè)計(jì)院教授級(jí)高工劉希禹教授演講全文：

劉希禹：各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家，大家好！我來(lái)自中訊郵電設(shè)計(jì)院，也就是過(guò)去的郵電設(shè)計(jì)院，后來(lái)新興產(chǎn)業(yè)部郵電設(shè)計(jì)院，現(xiàn)在歸聯(lián)通的一個(gè)子公司，現(xiàn)在已經(jīng)搬回北京，中訊郵電總部就在濟(jì)南路，有什么事希望各位同仁多和我們聯(lián)系。

我今天非常感謝主辦單位能給我這個(gè)機(jī)會(huì)參加這樣一個(gè)盛大的研討會(huì)，讓我有機(jī)會(huì)跟各位專家學(xué)習(xí)。我看這個(gè)題目是“數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和供電安全節(jié)能”，我院從50年代建院以來(lái)，一直承擔(dān)著通訊和數(shù)據(jù)，其中就包括電源，我今天主要從供電系統(tǒng)方面來(lái)談一談如何來(lái)進(jìn)行動(dòng)力安全能效管理。

從今天大會(huì)的主題來(lái)看，動(dòng)力安全能效管理主要是用科學(xué)方法來(lái)管理現(xiàn)在的電源動(dòng)力設(shè)備。為什么要探討供電系統(tǒng)呢？因?yàn)楣╇娤到y(tǒng)它和能效的管理是有直接關(guān)系的，如果供電系統(tǒng)比較先進(jìn)，那么搞能效安全管理可能就事半功倍。假如通訊供電系統(tǒng)有問題，或者是落后，或者是花了很多力量去進(jìn)行安全的管理，可能達(dá)的能效就事倍功半。

主要談這么幾個(gè)方面：一是數(shù)據(jù)中心通信供電系統(tǒng)的重要性；二是交流輸入電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；三是數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)交流UPS供電應(yīng)用現(xiàn)狀；四是數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)；五是結(jié)束語(yǔ)，談一下對(duì)當(dāng)前供電系統(tǒng)的一些認(rèn)識(shí)。

第一、數(shù)據(jù)中心通信供電系統(tǒng)的重要性

通信數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的組成，有兩部分組成，一是高壓壓供電系統(tǒng)，二是通信設(shè)備接口的通信電源系統(tǒng)。具體數(shù)據(jù)中心目前來(lái)說(shuō)就有這兩部分組成，這兩部分缺一不可，而且每一個(gè)部分都不能忽略。過(guò)去往往很重視UPS，跟通信結(jié)合的部分，但是忽略了前面的部分，這樣的話引起故障也非常非常多的。

原理是UPS從交流輸入電源系統(tǒng)取得電源，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q和調(diào)節(jié)，為數(shù)據(jù)通信設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源。假如交流輸入電源有故障，這個(gè)時(shí)候首先利用UPS內(nèi)部的短時(shí)間備用電源，也就是蓄電池供電，如果長(zhǎng)時(shí)間停戰(zhàn)，就由這塊來(lái)提供。

這張圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的電路圖，左邊這部分是告配電設(shè)備，高壓經(jīng)過(guò)變壓器到低壓，低壓跟油機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換之后包括一般建筑負(fù)荷。右邊是通信電流，交流配電屏到UPS，再UPS輸出。

要求，要穩(wěn)定、可靠、安全供電，確保在任何時(shí)候都不斷電，兩部分都不能斷。具體來(lái)講，一個(gè)是供電安全，對(duì)數(shù)據(jù)設(shè)備的安全，另外對(duì)人生的安全；二是供電的高可用性，過(guò)去習(xí)慣用可靠性，那個(gè)還不能反應(yīng)真正的可用度；三是供電的高效。

為了達(dá)到這個(gè)要求，供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。整個(gè)供電系統(tǒng)每一個(gè)環(huán)節(jié)都不能忽略，從交通輸入電源，就是市電的引入、變電配電、備用發(fā)電機(jī)組以及到通信設(shè)備接口的電源設(shè)備，都要精心設(shè)計(jì)。其中最重要的是要解決好與通信設(shè)備接口的電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)可能沒達(dá)到最佳，或者存在著各種各樣的問題，假如有這種情況，應(yīng)當(dāng)及時(shí)按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行優(yōu)化改造。優(yōu)化改造跟現(xiàn)在的安全節(jié)能管理是有關(guān)系的。

二、交流輸入電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一是市電的引入，《通信電源設(shè)計(jì)規(guī)范》把它分為四類，數(shù)據(jù)中心引入1類市電，當(dāng)引入1類有困難的時(shí)候，可以引入2類。

二是油機(jī)，油機(jī)關(guān)鍵是配置自動(dòng)化的發(fā)電機(jī)組。引入1類市電的時(shí)候，配置一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)組含義是指配置可以滿足全部負(fù)荷的無(wú)冗余的發(fā)電機(jī)組總?cè)萘?。引?類市電是可以用兩臺(tái)備用發(fā)電機(jī)機(jī)組含義指配置可以滿足全部負(fù)荷的有溶于的發(fā)電機(jī)組的總?cè)萘俊?/p>

三是高壓的轉(zhuǎn)換，兩路市電主備供電運(yùn)行方式。變配電設(shè)備的選擇，高壓設(shè)備一般應(yīng)立足于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，要求技術(shù)先進(jìn)，質(zhì)量可靠，運(yùn)行安全，便于維護(hù)，體積小，一般用于固定式。變壓器對(duì)于電信來(lái)說(shuō)，選擇干式變壓器。

四是低壓交流供電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)原則是應(yīng)確保設(shè)備的供電質(zhì)量及供電的可靠性，低壓配電系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)工程總負(fù)荷容量。

低壓設(shè)計(jì)也有切換問題，在什么地方進(jìn)行轉(zhuǎn)換？也可以在油機(jī)室內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，也可以在電力機(jī)房?jī)?nèi)轉(zhuǎn)換。低壓配電的選擇，除了低壓配電屏的結(jié)構(gòu)形式，最關(guān)鍵的是低壓電器元器件的選擇。

五是關(guān)注現(xiàn)有交流輸入電源系統(tǒng)優(yōu)化問題。據(jù)調(diào)查，現(xiàn)在有很多正在運(yùn)行的通信局站，包括數(shù)據(jù)中心的高低壓供電設(shè)備都存在一定的問題，需要改造和優(yōu)化。

包括哪些？一是市電電源配置不規(guī)范的問題：表面上是兩路市電，但兩路市電上級(jí)來(lái)自同一個(gè)變電所或開閉所。表面上是兩路市電，但兩路市電的容量不相等。應(yīng)避免兩路市電電纜同溝直埋。

二是油機(jī)的容量不足問題：有一個(gè)顯性不足問題。還有一個(gè)隱形的不足，隱形故障更容易被維護(hù)人員忽視，原因主要有幾個(gè)，一是油機(jī)房的進(jìn)風(fēng)口面積不足，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)量只能滿足一臺(tái)機(jī)組的需要，直接影響機(jī)組的帶載能力；二是因?yàn)樨?fù)載諧波電流過(guò)大，油機(jī)供電時(shí)直接導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組的故障。三是儲(chǔ)油量不足；四是海拔、環(huán)境溫度的影響。

三是無(wú)功補(bǔ)償?shù)膯栴}：低壓無(wú)功補(bǔ)償電容器應(yīng)采取串聯(lián)電抗器，防止諧振發(fā)生。由于供電系統(tǒng)中諧波電流的存在，在某些情況下，會(huì)引起系統(tǒng)諧振，諧振發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生過(guò)電流和過(guò)電壓，易燒毀接觸器、電容器。[!--empirenews.page--]

四是配電系統(tǒng)保護(hù)裝置選擇性動(dòng)作的問題。

五是供電線路瓶頸問題：一是后期設(shè)計(jì)未考慮前期引入電纜截面的大小，出現(xiàn)電纜截面不夠用；二是在輸出垂直母線分支系統(tǒng)擴(kuò)容負(fù)荷時(shí)未進(jìn)行母線的核算；三是在擴(kuò)容變壓器時(shí)易忽略高壓柜屏頂母線容量的核算；四是擴(kuò)容時(shí)易忽略對(duì)前級(jí)開關(guān)容量的核對(duì)；五是交流電纜穿鋼管過(guò)墻的問題。

六是其他問題，走線，高低壓、交直流、電源線與信號(hào)線交叉、共用走線路的情況。

中大科慧里面做的非常好，我說(shuō)的這些問題他都涉及到了，對(duì)于解決優(yōu)化都做到了。

三、數(shù)據(jù)中心UPS供電系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)中心UPS供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)中心是重要的關(guān)鍵負(fù)載，必須采用雙變換UPS，在實(shí)際應(yīng)用中多采用由雙變換單機(jī)UPS。

這是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)中心采用的雙母線UPS供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這里面包括一部分的低壓配電，ATS和油機(jī)轉(zhuǎn)，完了以后UPS輸出配電，UPS輸出配電屏經(jīng)過(guò)PDU輸出。

UPS和服務(wù)器的電源結(jié)構(gòu)圖，輸送到UPS，UPS輸送到PDU，再經(jīng)過(guò)基站，PSU的輸入、輸出，再經(jīng)過(guò)DC-DC以后，有5V、12V。

數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有功電系統(tǒng)的主要問題：系統(tǒng)效率低。數(shù)據(jù)中心的UPS一般采用“N+1”并聯(lián)冗余系統(tǒng)，或“2N”和2的“N+1”雙母線系統(tǒng)，因此UPS單機(jī)的負(fù)荷率很低。假設(shè)N=1，每個(gè)單集UPS正常時(shí)的最大負(fù)荷率為N+1為50%，2N雙母線為50%。UPS系統(tǒng)存在單點(diǎn)故障，可靠性和可用性比較低。并聯(lián)冗余UPS的集中旁路開關(guān)，雙母線UPS系統(tǒng)中用于單電源負(fù)載的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)都可能引起單點(diǎn)故障，而造成供電中斷。維護(hù)難度大，供電系統(tǒng)本身有缺陷，藝高人膽大，實(shí)際上藝很高單膽子也不大，就是因?yàn)楣╇娤到y(tǒng)本身存在缺陷。

關(guān)注現(xiàn)有UPS系統(tǒng)優(yōu)化問題：一是UPS供電系統(tǒng)方案不合理，重要機(jī)房沒有采用雙母線。采用N+1供電方案時(shí)，N太大了，也就是并聯(lián)臺(tái)數(shù)太高?，F(xiàn)在國(guó)外可以承擔(dān)6-8，可以更多，理論和實(shí)際都證明太高并不好，太高故障率越高，高到一定程度曲線就平了，投入了很多，得的很少。一般建議3-4臺(tái)比較好。另外單機(jī)容量過(guò)大，一般情況下不超過(guò)400KVA。許多UPS系統(tǒng)的輸入、輸出配電不合理。

UPS系統(tǒng)電池后備時(shí)間不足，不能和其他系統(tǒng)的后備時(shí)間匹配。不少UPS系統(tǒng)的電池后備時(shí)間達(dá)不到規(guī)范要求。

UPS系統(tǒng)電池并聯(lián)組數(shù)過(guò)多，局限于12V電池，或任由UPS廠家配置，造成每臺(tái)UPS多達(dá)5-6組的并聯(lián)，一個(gè)系統(tǒng)有十多組電池。UPS系統(tǒng)導(dǎo)線選擇不合理，沒采用阻燃電纜。UPS系統(tǒng)沒有考慮諧波治理。

四、數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

在上世紀(jì)末開始，國(guó)際電信能源界對(duì)于電信和數(shù)據(jù)通信供電系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了廣泛的研討和試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果普遍認(rèn)為，將來(lái)比較理想的供電系統(tǒng)是高壓直流。本世紀(jì)中期開始，中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通都開展了HVDC的應(yīng)用，而且取得了很大的成績(jī)，發(fā)展很迅速。

通信高壓直流供電系統(tǒng)的概念，是將高壓直流電源直接供到通信設(shè)備的電源輸入端的供電系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)高壓直流配電系統(tǒng)的基本條件：必須有專用的HVDC電源系統(tǒng)，服務(wù)器電源單位PSU應(yīng)接受HVDC，實(shí)現(xiàn)HVDC最大的挑戰(zhàn)是服務(wù)器、路由器等必須有HVDC輸入斷。HVDC供電電壓較低時(shí)，交流輸入的服務(wù)器也可直接接入HVDC，但不正規(guī)。相關(guān)的連接器、斷路器、接地等應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)安全要求。國(guó)外一定要搞專用的PSU，但是搞外的電壓比較高，一般都是350-400V，這樣的話，220V就不一定能做?，F(xiàn)在咱們國(guó)家搞的240V，直接送進(jìn)去以后，里面能傳輸，但是節(jié)能效果肯定不如電壓高，國(guó)外到目前還沒有確定到底是哪一個(gè)，也沒有一個(gè)結(jié)論。

現(xiàn)在沒有標(biāo)準(zhǔn)，只有歐洲一個(gè)ETSI的標(biāo)準(zhǔn)，就是《EN300電信設(shè)備輸入端的電源接口》，它可以電壓高達(dá)400V的AC電流、DC電流和整流電源的供電，現(xiàn)在各國(guó)都不高于400V，美國(guó)、歐洲都在400V以下，但并不是220V。所以接口電壓的確定是比較關(guān)鍵的。

根據(jù)歐洲的標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)的電壓，我們國(guó)家交流電壓不一樣，這樣可以算出來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)電壓是300V，電壓范圍是270VDC-350VDC。

五、結(jié)束語(yǔ)

一，為了保證供電安全和提高能效，供電系統(tǒng)應(yīng)符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。交流輸入電源系統(tǒng)和與數(shù)據(jù)設(shè)備接口的通信電源系統(tǒng)都應(yīng)處于最佳狀態(tài)。

二，加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心動(dòng)力安全能效管理，應(yīng)對(duì)現(xiàn)有供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

三，HVDC供電系統(tǒng)在供電安全和節(jié)能方面具有優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)HVDC供電系統(tǒng)發(fā)展迅速，取得了很大的成績(jī)，但仍處于研究試驗(yàn)階段。

四，傳統(tǒng)的交流UPS的技術(shù)一直在不斷發(fā)展，近年來(lái)取得了很大的進(jìn)步。無(wú)變壓器UPS的出現(xiàn)，先進(jìn)的冗余技術(shù)、模塊化UPS和先進(jìn)的蓄電池管理系統(tǒng)的采用，使供電安全得到加強(qiáng)。特別是具有多運(yùn)行方式的雙變換UPS采用，使UPS的效率進(jìn)一步提高。因此，傳統(tǒng)UPS存在的問題在一定程度得到解決。預(yù)計(jì)傳統(tǒng)交流UPS系統(tǒng)將會(huì)繼續(xù)使用相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

我就講這些，不當(dāng)之處請(qǐng)予以批評(píng)。