中讯邮电设计院刘希禹：优化供电系统提升IDC能效安全

为了提升数据中心行业对安全管控系统更加全面的认识及技术的发展，加速推广电能质量管理系统的应用标准。中国数据中心产业发展联盟特于6月24日在京具举办“2011中国数据中心动力安全能效管理趋势研讨会”，邀请国内众多资深专家就数据中心安全运维和电能质量管理等议题进行深入交流和探讨。

中国IDC产业联盟网作为中国数据中心产业发展联盟的官方指定媒体，对此次大会进行全程深入报道。

中讯邮电设计院教授级高工刘希禹教授表示，供电系统和能效的管理是有直接关系的，如果供电系统比较先进，那么搞能效安全管理可能就事半功倍。假如通讯供电系统有问题，或者是落后，或者是花了很多力量去进行安全管理，可能达的能效就事倍功半。

刘希禹指出，通信数据中心供电系统的组成，有两部分组成，一是高压压供电系统，二是通信设备接口的通信电源系统。具体数据中心目前来说就有这两部分组成，这两部分缺一不可，而且每一个部分都不能忽略。现有数据中心的供电系统各个环节可能没达到最佳，或者存在着各种各样的问题，假如有这种情况，应当及时按照设计规范要求进行优化改造，优化改造跟现在的安全节能管理是有关系的。

以下为中讯邮电设计院教授级高工刘希禹教授演讲全文：

刘希禹：各位领导、各位专家，大家好！我来自中讯邮电设计院，也就是过去的邮电设计院，后来新兴产业部邮电设计院，现在归联通的一个子公司，现在已经搬回北京，中讯邮电总部就在济南路，有什么事希望各位同仁多和我们联系。

我今天非常感谢主办单位能给我这个机会参加这样一个盛大的研讨会，让我有机会跟各位专家学习。我看这个题目是“数据中心供电系统设计和供电安全节能”，我院从50年代建院以来，一直承担着通讯和数据，其中就包括电源，我今天主要从供电系统方面来谈一谈如何来进行动力安全能效管理。

从今天大会的主题来看，动力安全能效管理主要是用科学方法来管理现在的电源动力设备。为什么要探讨供电系统呢？因为供电系统它和能效的管理是有直接关系的，如果供电系统比较先进，那么搞能效安全管理可能就事半功倍。假如通讯供电系统有问题，或者是落后，或者是花了很多力量去进行安全的管理，可能达的能效就事倍功半。

主要谈这么几个方面：一是数据中心通信供电系统的重要性；二是交流输入电源系统的设计；三是数据中心传统交流UPS供电应用现状；四是数据中心供电系统的发展趋势；五是结束语，谈一下对当前供电系统的一些认识。

第一、数据中心通信供电系统的重要性

通信数据中心供电系统的组成，有两部分组成，一是高压压供电系统，二是通信设备接口的通信电源系统。具体数据中心目前来说就有这两部分组成，这两部分缺一不可，而且每一个部分都不能忽略。过去往往很重视UPS，跟通信结合的部分，但是忽略了前面的部分，这样的话引起故障也非常非常多的。

原理是UPS从交流输入电源系统取得电源，经过适当的变换和调节，为数据通信设备提供稳定可靠的电源。假如交流输入电源有故障，这个时候首先利用UPS内部的短时间备用电源，也就是蓄电池供电，如果长时间停战，就由这块来提供。

这张图是一个简单的电路图，左边这部分是告配电设备，高压经过变压器到低压，低压跟油机进行转换，转换之后包括一般建筑负荷。右边是通信电流，交流配电屏到UPS，再UPS输出。

要求，要稳定、可靠、安全供电，确保在任何时候都不断电，两部分都不能断。具体来讲，一个是供电安全，对数据设备的安全，另外对人生的安全；二是供电的高可用性，过去习惯用可靠性，那个还不能反应真正的可用度；三是供电的高效。

为了达到这个要求，供电系统的设计是关键。整个供电系统每一个环节都不能忽略，从交通输入电源，就是市电的引入、变电配电、备用发电机组以及到通信设备接口的电源设备，都要精心设计。其中最重要的是要解决好与通信设备接口的电源系统的设计。

现有数据中心的供电系统各个环节可能没达到最佳，或者存在着各种各样的问题，假如有这种情况，应当及时按照设计规范要求进行优化改造。优化改造跟现在的安全节能管理是有关系的。

二、交流输入电源系统的设计

一是市电的引入，《通信电源设计规范》把它分为四类，数据中心引入1类市电，当引入1类有困难的时候，可以引入2类。

二是油机，油机关键是配置自动化的发电机组。引入1类市电的时候，配置一台备用发电机组含义是指配置可以满足全部负荷的无冗余的发电机组总容量。引入2类市电是可以用两台备用发电机机组含义指配置可以满足全部负荷的有溶于的发电机组的总容量。

三是高压的转换，两路市电主备供电运行方式。变配电设备的选择，高压设备一般应立足于国内产品，要求技术先进，质量可靠，运行安全，便于维护，体积小，一般用于固定式。变压器对于电信来说，选择干式变压器。

四是低压交流供电系统，设计原则是应确保设备的供电质量及供电的可靠性，低压配电系统应根据工程总负荷容量。

低压设计也有切换问题，在什么地方进行转换？也可以在油机室内进行转换，也可以在电力机房内转换。低压配电的选择，除了低压配电屏的结构形式，最关键的是低压电器元器件的选择。

五是关注现有交流输入电源系统优化问题。据调查，现在有很多正在运行的通信局站，包括数据中心的高低压供电设备都存在一定的问题，需要改造和优化。

包括哪些？一是市电电源配置不规范的问题：表面上是两路市电，但两路市电上级来自同一个变电所或开闭所。表面上是两路市电，但两路市电的容量不相等。应避免两路市电电缆同沟直埋。

二是油机的容量不足问题：有一个显性不足问题。还有一个隐形的不足，隐形故障更容易被维护人员忽视，原因主要有几个，一是油机房的进风口面积不足，导致进风量只能满足一台机组的需要，直接影响机组的带载能力；二是因为负载谐波电流过大，油机供电时直接导致发电机组的故障。三是储油量不足；四是海拔、环境温度的影响。

三是无功补偿的问题：低压无功补偿电容器应采取串联电抗器，防止谐振发生。由于供电系统中谐波电流的存在，在某些情况下，会引起系统谐振，谐振发生时，产生过电流和过电压，易烧毁接触器、电容器。

四是配电系统保护装置选择性动作的问题。

五是供电线路瓶颈问题：一是后期设计未考虑前期引入电缆截面的大小，出现电缆截面不够用；二是在输出垂直母线分支系统扩容负荷时未进行母线的核算；三是在扩容变压器时易忽略高压柜屏顶母线容量的核算；四是扩容时易忽略对前级开关容量的核对；五是交流电缆穿钢管过墙的问题。

六是其他问题，走线，高低压、交直流、电源线与信号线交叉、共用走线路的情况。

中大科慧里面做的非常好，我说的这些问题他都涉及到了，对于解决优化都做到了。

三、数据中心UPS供电系统应用现状

数据中心UPS供电系统结构。数据中心是重要的关键负载，必须采用双变换UPS，在实际应用中多采用由双变换单机UPS。

这是一个典型的数据中心采用的双母线UPS供电系统结构，这里面包括一部分的低压配电，ATS和油机转，完了以后UPS输出配电，UPS输出配电屏经过PDU输出。

UPS和服务器的电源结构图，输送到UPS，UPS输送到PDU，再经过基站，PSU的输入、输出，再经过DC-DC以后，有5V、12V。

数据中心现有功电系统的主要问题：系统效率低。数据中心的UPS一般采用“N+1”并联冗余系统，或“2N”和2的“N+1”双母线系统，因此UPS单机的负荷率很低。假设N=1，每个单集UPS正常时的最大负荷率为N+1为50%，2N双母线为50%。UPS系统存在单点故障，可靠性和可用性比较低。并联冗余UPS的集中旁路开关，双母线UPS系统中用于单电源负载的静态转换开关都可能引起单点故障，而造成供电中断。维护难度大，供电系统本身有缺陷，艺高人胆大，实际上艺很高单胆子也不大，就是因为供电系统本身存在缺陷。

关注现有UPS系统优化问题：一是UPS供电系统方案不合理，重要机房没有采用双母线。采用N+1供电方案时，N太大了，也就是并联台数太高。现在国外可以承担6-8，可以更多，理论和实际都证明太高并不好，太高故障率越高，高到一定程度曲线就平了，投入了很多，得的很少。一般建议3-4台比较好。另外单机容量过大，一般情况下不超过400KVA。许多UPS系统的输入、输出配电不合理。

UPS系统电池后备时间不足，不能和其他系统的后备时间匹配。不少UPS系统的电池后备时间达不到规范要求。

UPS系统电池并联组数过多，局限于12V电池，或任由UPS厂家配置，造成每台UPS多达5-6组的并联，一个系统有十多组电池。UPS系统导线选择不合理，没采用阻燃电缆。UPS系统没有考虑谐波治理。

四、数据中心供电系统的发展趋势

在上世纪末开始，国际电信能源界对于电信和数据通信供电系统发展趋势进行了广泛的研讨和试验，试验的结果普遍认为，将来比较理想的供电系统是高压直流。本世纪中期开始，中国电信、中国移动、中国联通都开展了HVDC的应用，而且取得了很大的成绩，发展很迅速。

通信高压直流供电系统的概念，是将高压直流电源直接供到通信设备的电源输入端的供电系统。

实现高压直流配电系统的基本条件：必须有专用的HVDC电源系统，服务器电源单位PSU应接受HVDC，实现HVDC最大的挑战是服务器、路由器等必须有HVDC输入断。HVDC供电电压较低时，交流输入的服务器也可直接接入HVDC，但不正规。相关的连接器、断路器、接地等应符合相关标准安全要求。国外一定要搞专用的PSU，但是搞外的电压比较高，一般都是350-400V，这样的话，220V就不一定能做。现在咱们国家搞的240V，直接送进去以后，里面能传输，但是节能效果肯定不如电压高，国外到目前还没有确定到底是哪一个，也没有一个结论。

现在没有标准，只有欧洲一个ETSI的标准，就是《EN300电信设备输入端的电源接口》，它可以电压高达400V的AC电流、DC电流和整流电源的供电，现在各国都不高于400V，美国、欧洲都在400V以下，但并不是220V。所以接口电压的确定是比较关键的。

根据欧洲的标准和我国的电压，我们国家交流电压不一样，这样可以算出来，标准电压是300V，电压范围是270VDC-350VDC。

五、结束语

一，为了保证供电安全和提高能效，供电系统应符合设计规范要求。交流输入电源系统和与数据设备接口的通信电源系统都应处于最佳状态。

二，加强数据中心动力安全能效管理，应对现有供电系统进行优化。

三，HVDC供电系统在供电安全和节能方面具有优势，是未来数据中心供电系统的发展趋势。我国HVDC供电系统发展迅速，取得了很大的成绩，但仍处于研究试验阶段。

四，传统的交流UPS的技术一直在不断发展，近年来取得了很大的进步。无变压器UPS的出现，先进的冗余技术、模块化UPS和先进的蓄电池管理系统的采用，使供电安全得到加强。特别是具有多运行方式的双变换UPS采用，使UPS的效率进一步提高。因此，传统UPS存在的问题在一定程度得到解决。预计传统交流UPS系统将会继续使用相当长的时间。

我就讲这些，不当之处请予以批评。