长庆油田分公司通信处 宁夏银川 750006
摘要：近几年，伴随着IDC、云计算、大数据、移动互联网等IT产业的发展，长庆油田将对大型数据中心的需求持续增加。大型数据中心运行成百上千台服务器，机房耗电量将达到上千KW，如何为这类机房设备提供安全可靠的供电成为机房扩容改造和进一步发展的重点难点。本文我们将探索通过高压直流技术为重点机房提供可靠供电的新选择。
关键词：高压直流，可靠供电，
1 引言
当前，常见的通信站点设备要求220V，50Hz的单相交流电源输入。而为机房内的服务器、路由器、磁盘阵列等网络设备供电的电源系统我们称之为交流UPS系统。交流UPS系统由整流器、逆变器、蓄电池和静态开关等组成。在市电正常时，市电交流电源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50Hz交流电供给负载。在停电时，蓄电池放出电能，通过逆变器变换为交流电，供给负载。为了提高设备供电的可靠性，通常采取了多台UPS冗余并机的方式，如1＋1系统。根据客户的重要性，一般分为两种供电方式，一种是单套（N+1）UPS系统，这种供电方式比较普遍，广泛用于各种数据中心机房，但供电回路中存在单点故障点，安全可靠性无法提高。另一种是两套（N＋1）UPS系统并联冗余供电系统，这种供电方式安全可靠性非常高，适用于一些高端客户，但前提是服务器必须具有两个电源，可以两路输入。
2目前供电方式存在问题与缺点
2.1传统UPS供电系统存在的问题
（1）可靠性存在不足
UPS备用电源在系统中的可靠性比电池本来具备的可靠性低，电池的可靠性Rb=0.99，而UPS备用电源供电可靠性仅为0.88。
并联UPS之间的环流问题，增加了UPS的无功损耗，降低了系统的可靠性。
UPS应急保障和可维护性差。若UPS逆变器发生故障，系统将转向旁路供电，但对于某些通信负载，低质量的市电可能对设备的安全运行带来严重故障隐患，而且后备蓄电池组被隔离开，起不到保护作用。
（2）利用率低
UPS系统整体利用率低。UPS冗余系统的每一路输入配电都有可能是主用，其中任何一台UPS都必须能够带起全部负荷，双机冗余UPS系统负荷率小于35%，UPS输出三相不平衡，直接导致UPS降容使用，导致单机利用率较低。
UPS输入配电除主路外，其它输入配电处于空载待用，使用效率低。
UPS带来供电系统谐波分量增加，导致变压器利用率下降、柴油发电机支撑能力削弱，影响到整个供电系统的安全性和利用率。
（3）维护复杂
UPS在线维修复杂、在线扩容困难、割接难度大，不同设备型号、不同系统间无法实现互为冗余，逆变、滤波电容等关键器件更换困难。
（4）UPS供电容量受限
随着机房耗电量越来越大，目前单机架功耗增加很快，某通信机房实测单机架功耗达9~12kW/架，有些单机架高达31kW左右，-48VDC系统无法满足大功耗通信机房要求。
2.2 UPS供电系统的缺点
因为交流电的电压方向、幅值每时每刻都在发生变化，当采用多台UPS并机输出时，就必须保证并机的每台机输出的相位、频率、幅值相同。在需要切旁路时，为了保障不间断供电，就必须保持对市电的相位、频率、幅值的跟踪和同步，当市电发生大范围变化时，其各种参数总会在一定范围内波动，因此UPS系统也在不断的调整输出参数。这种设计在理论上没有问题，但在实际中，随着市电的不断变化，以及电子元器件的老化，尤其是采集模块的零点漂移，往往就会在切换时造成中断，给设备运行带来了巨大的影响。
（1）交流UPS电源资源的浪费
由于并机的复杂性，尽管众多厂家声称可多台并机，有的甚至可以达到8台。但在实际投产中，UPS并机系统并机的台数都不会太多，一般1＋1或者2＋1，也就是2～3台。而为了保持系统的冗余，在一台机器出现故障时系统依然能够供电，这就要使得每台UPS在平时的负荷率保持很低的水平，如对于一套UPS（1＋1）系统为50％，2＋1系统为66％，如果再考虑到负荷的可能突变，同时减少设备的故障率，这时系统就必须要保持一定的裕度，按系统80％的容量计算，实际上每台UPS的负荷率只有40％～55%左右。而为了提高供电可靠性采用的两套（N＋1）UPS系统，每台UPS的负荷率就更低了，以两套1＋1系统为例，为了保证冗余，实际每台的平时最大负荷率只有20％～25％。
（2）安全供电存在单点故障瓶颈
因为UPS输出的是交流电，而作为备用蓄能的蓄电池，输出的是直流电，因此，UPS系统的蓄电池电能不能直接供给负载，必须通过逆变模块输出。这样，供电的持续性就取决于UPS系统的稳定性，如果逆变模块损坏，即使蓄电池有充足的电量，也不能供电给负载。
3 HVDC高压直流供电系统
3.1 概述
高压直流电源，是一种新型的直流不间断供电系统，这里说的高压是相对传统的-48V直流通信电源而言。高压直流电源系统一般由交流配电单元、整流单元、直流配电单元、电池单元和监控单元组成，还有电池巡检和绝缘巡检作为选配部分，整机采用分布式监控系统。
适用于通信机房中向交流输入电压范围为110V-240V的通信设备供电；标准电压为240V的直流供电系统。
高压直流供电系统（HVDC）是一种新型的供电方式，作为通信电源系统，其安全可靠性以及节能特性得到市场高度认可。
3.2 工作原理
主要由交流配电单元、整流模块、蓄电池、直流配电单元、电池管理单元、绝缘监测单元及监控模块组成。正常工作情况下，整流模块将交流配电源输出的380V交流转换成240V高压直流，高压直流经直流配电单元给通讯设备供电，同时也给蓄电池充电。当交流输入发生故障时，直流由蓄电池给通讯设备供电。
3.3 使用高压直流供电的系统要求
（1）对配电开关灭弧性能要求高
对于交流电，电流在周期内会有过零点，当短路时过零点的存在使开关断开时产生的电弧容易灭弧。而如果是直流电，就不存在过零点，灭弧相对困难。因此配电所需的开关性能要求更高，会相应增加配电部分的建设成本。
（2）电缆线径的增加
按目前的配电结构，从UPS输出到楼层配电柜，是采用三相四线供电，如果采用高压直流供电，则是一相两线供电，在相同电压下输送同等功率，电缆的消耗量将会有所增加。
（3）其他问题
从理论上服务器电源使用直流电压输入是没有问题，但还不能保证实际使用中会发生一些意外，比如可能存在某些服务器电源的特别设计而不能使用直流电，或者长时间使用会不会增加服务器的故障率等，这都要经过实际使用的检验。
再就是如果使用直流电源，当服务器设备损坏时，服务器厂家对该故障的认可，有可能会因我们使用直流电源供电不符合其设计要求而推卸责任。
3.4 HVDC的优点
（1）HVDC更可靠、更节能
采用直流供电的最大优点在于提高了供电的可靠性。这可以从三个方面体现：一是采用直流供电，蓄电池可以作为电源直接并联在负载端，当停电时，蓄电池的电能可以直接供给负载，确保供电的不间断。二是直流供电只有电压幅值一个参数，各个直流模块之间不存在相位、相序、频率需同步的问题，系统结构简单很多，可靠性将大大提高。三是虽然交流UPS系统可以提高冗余度来提高安全系数，但是由于涉及到同步的问题，每个模块之间必须相互通信来保持同步，所以还是存在并机板的单点故障问题。而直流模块没有这些问题，即使脱离控制模块，只要保持输出电压稳定，也能并联输出电能。
a.高压直流系统结构简单、技术成熟，从根本上克服了UPS存在的单点故障。
b.高压直流供电系统安全性可靠性远高于UPS，蓄电池组与直流电源冗余，直接保障负载。
c.高压直流维护方便，模块化设置并机容易系统割接方便。
d.高压直流高效节能，与UPS相比节电效果在20%以上，可大大节省电能，降低运营成本。
e.高压直流与UPS相比投资低，性价比更高。
（2）工作效率提高
和交流UPS系统相比，直流供电省掉了逆变环节，一般逆变的损耗在5%左右，因此电源的效率提高了。其次，由于服务器输入的是直流电，也就不存在功率因数及谐波的问题，降低了线损。再次，由于并机技术简单了，可以采用大量的模块并联，使每个模块的使用率可达到70%~80%，比交流UPS系统提高了很多。
（3）系统可维护性增强
现在的交流UPS系统，涉及复杂的同步并机技术，整机的维护也只能依靠厂家。即使出现紧急情况时，我们的维护人员也只能等待厂家技术人员来解决，这些先天不足对安全供电存在较大的隐患。而采用直流供电，就如现在一直使用的−48V直流系统一样，系统由模块组成，虽然电压增高了，但只要做好安全防护措施，维护人员还是可以自己进行维护的，比如更换模块等。
（4）扩容便捷
由于采用模块化结构，现在一个模块的容量一般在10kW左右，只要预留好机架位置，扩容是非常方便的。同时在建设的时候，可以根据服务器的数量逐渐增加模块数，使每个模块的负载率能尽量提高。这对于节能也是非常有好处的。
（5）不存在"零地"电压等不明问题的干扰
因为是直流输入不存在零线，因此，也就不存在"零地"电压，避免了一些不明故障，维护部门也无需再费时费力去解决"零地"电压的问题。
4 高压直流技术应用的可行性
对于传统通信设备，我们一直采用直流48V开关电源供电，多年来的运行经验表明，直流开关电源供电的可靠性确实比交流UPS供电高很多，因此采用直流电源为服务器供电也是大家放心的选择。可是直接采用传统48V直流电源为大型IDC机房供电，存在功率、电流受到限制的不足，仍然无法解决IDC机房安全供电问题，因此人们开始考虑采用220V以上的高压直流电源为大型IDC机房供电的可行。
虽然服务器设备输入是交流电源，但核心部分还是DC/DC变换电路，我们只要输入一个范围合适的直流电压给DC/DC变换电路，就同样能安全满足服务器设备工作。如果我们输入的直流合理地配上蓄电池，辅以远程监控，构成一个可靠的直流供电系统，就可取代交流UPS供电系统给服务器设备供电。
电压等级的选择成为高压直流供电系统组成的关键问题。根据服务器的特点，目前高压直流供电系统电压等级的选择主要有两个标准。
（1）240V电压等级
在DC/DC的输入端电压范围为100VDC~373VDC，通过对服务器电源输入电压的分析，以及在实际中对服务器进行测试的数据，以240V为一种标称电压的观点已经得到认同。
在标称电压为240V的直流电压供电模式下，电池组配备120只2V电池（也可采用40只6V电池或者20只12V电池）。平时电池处在浮充状态，供电电压为270V。在电池供电时，最低电压为216V。在目前进行的测试中，服务器在这个电压下均能正常工作。
（2）380V电压等级
这类服务器电源在DC/DC的输入端电压范围为380VDC~400VDC，对应此类服务器电源则需要选择380V或以上的高压直流供电系统。但是这种供电模式不适用国内现有的服务器设备，是对未来机房建设以及服务器设计的前瞻准备，因此要采用这种供电模式，需要服务器厂商的配合，也就是服务器电源要支持380V的高压直流供电模式。
相较于240V电压等级供电模式，380V电压模式供电情况下，会减少电缆耗铜量，线路损耗也会降低。
长庆油田站点繁多，各站点的指挥调度中心、计算机通信机房、以及正在逐步建设完成的数据中心机房等系统规模逐步扩大。提供长期稳定的供电系统成为发展信息化的基本要求。
当前长庆油田的通信机房普遍使用-48V的低压直流供电系统以及服务器使用的UPS系统，然而这些都可以使用高压直流代替。较之低压直流供电系统，高压在传输中电流小，在远距离传输时损耗较少，使用过程中性能稳定。较之UPS高压直流供电在可靠性、可维护性都远远好于UPS。占地面积和投资成本也小于UPS，非常适合长庆油田当前机房数量多业务重的情况。