数据中心机房供电及解决及方案

2024年2月8日发(作者：)

数据中心机房供电解决方案

中国挪移正规划建设多个集团级和更多数量的省级数据中心,这些数据中心

将优先采用云计算和虚拟化技术,以及仓储式、模块化机房的建设模式,具有规模

大,用电负荷密度高、总功率大、空间紧凑等特点。同时集团公司对规划建设的

数据中心提出了低成本、 低能耗、 扩展灵便的目标。 因此对机房供电系统的可靠

性、经济性、可扩展性、运行维护成本、节能环保和占地空间等提出了更高的要

求。

本文通过对通信电源新产品、 新技术应用分析,提出了新型全分散供电结构、

336V 高压直流电源和锂电池的应用,来实现建设高可靠性、高维护性、高效节能

和高灵便性的数据中心机房供电系统。

新型全分散供电结构

一、新型全分散供电结构形式

新型全分散供电结构是指将不间断 电源系统(含电池)分散安装在用电设备

的列头或者列间,就地为 ICT 设备供电。 全分散供电系统主要由 电池柜、电源机柜和 配电柜组成,其组成示意图如图 1 所示:

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二、新型全分散供电结构特点

1、可取销电力电池室的建设 ,节约机房前期土建建设成本

由于将电源设备(含电池)分散到ICT 设备机房内部安装,无需再单独设置电力

电池室,这样可减少机房前期土建建设成本,更能提高机房的利用率;

2、柔性规划 ,按需扩容,实现边成长边投资的建设模式

选择模块化电源设备建设, 电源系统容量可以根据机房的实际容量需求配置,

逐步扩容,无需在建设初期一次性按最大容量建设,只要在机房初期规划好配电容

量即可;

3、电源系统结构简单 ,可靠性高

从电源系统组成方面来看,全分散供电电源系统组成相对传统集中供电电源

系统组成简单,系统可靠性非常高。全分散供电系统彻底贴近通信设备供电,省去

了输出配电屏到列头柜间的供电环节,通过系统可靠性计算,全分散供电系统可用

度可达到 99.999999%;

4、电源系统效率高,节能效果明显

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选用高效电源设备, 电源系统效率能够达到 95%以上,与传统“1+1”UPS 冗余系

统相比, 电源系统效率可提高 5% ~ 10%;

5、电源系统配置灵便 ,可满足不同等级通信设备的用电需求

由于电源设备安装在每列设备的列头或者列间,可根据通信设备供电等级要求, 采用单电源或者双电源系统供电。因此, 当机房全部采用全分散供电结构后,可以随 时应对同 ICT 设备的供电需求, 提高了工作效率;

6、电源设备安装紧凑 ,提高了机房通信设备的装机率

由于列头电源设备均采用 19″标准机柜安装,设备安装紧凑, 占地面积小,拆装

方便,所以搬迁容易、快捷、无浪费或者少浪费,随时可满足机房区域调整的需求。

三、新型全分散供电结构对设备的选型要求

为了能够在同一机房内与 ICT 设备机柜同列安装,与 ICT 设备机柜保持风格一

致, 电源设备选型配置要求如下:

1、电源机柜、配电柜和电池柜尺寸要求为标准 19″机柜;

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2、电源设备应采用高可靠性的模块化电源(如组合式高压直流),电源系统容

量可根据需要进行扩容;

3、电池应选用大电流放电特性好 , 占地面积小、分量轻,无酸雾,适合在标准

19"机柜内安装的蓄电池(如锂电池);

4、电源系统应有完善的监控管理功能 ,并能够接入机房动力环境监控系统,

实现统一管理。 随着通信电源技术的发展,模块化电源和新型锂电池在通信行

业的广泛应用,现有的新型电源产品(如高压直流和锂电池等设备)彻底能够满足

全分散供电方式电源设备的配置选型要求,为我们创造了采用全分散供电结构的

条件。

336V 高压直流电源应用

高压直流供电系统(HVDC)是近几年正在研究的一种集中 了 UPS 供电系统和

-48V 直流供电系统的优点为一体的新型供电系统。

336V(标称电压)高压直流电源是中国挪移提出的面 向未来全新的供电方案,

这与国际上提出 380V 的运行电压是一致的,具有国际先进水平。

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四、 336V 高压直流电源技术特点

336V 高压直流供电系统克服了传统 UPS 供电系统效率低、可扩展性差、可

靠性低、成本高等弊病,具有电路简单、变换少、可靠性高、效率高、体积小、

成本低等优点。其与传统 UPS 供电系统内部结构对照如图 2 所示。

336V 高压直流供电系统可以很好地解决交流UPS 存在的诸多问题,各种参数

对照见表 1。

五、 336V 高压直流电源供电方案

根据服务器输入电压的不同,336V 高压直流电源在数据中心中供电方案主要

有以下两种: 方案一:选用输入电压为12V 直流服务器,通过在服务器机架中部配

置 336V/12V 的嵌入式电源, 集中为 12V 直流服务器供电。

12V 直流服务器应用已非常成熟, 目前阿里巴巴、 谷歌、 Facebook 数据中心均

选用的 12V 直流服务器。

方案二:选用输入电压为400V 直流服务器,直接采用 336V 高压直流系统供

电。

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目前国际上 400V 高压直流电源接口标准已于 2022 年 2 月份发布,HP、IBM

等企业将陆续推出 400V 直流服务器。

六、 336V 高压直流电源产品成熟度

目前国内主要通信电源厂家(如华为、艾默生、志成冠军、中达、动力源、

核达中远通等)均研发生产出高效率(95%以上)的336V 直流电源产品和高效率

(94%以上)的336V/12V 嵌入式电源或者 PSU,大部份厂家参预了中国挪移336V 高压 直流电源试点应用工程,从系统各项测试结果来看,产品的各项指标参数彻底合用 通信和数据设备的供电需求。

随着国内外高压直流相关标准的陆续发布和产业链的成熟,通信电源厂家将

推出各种类型的 336V 直流电源及相关配套产品,相信 336V 高压直流电源供电方

案将成为数据中心高效供电解决方案。

七、数据中心 ICT 设备 336V 直流供电支持情况

1、ICT 设备 336V 直流供电原理

目前 ICT 设备主要以交流供电为主,交流电源模块(PSU)主要有两种,ATX 标准

电源和 SSI 标准电源,其简化的电路拓扑结构如图3 所示。交流220V 输入先经过

EMI 滤波、整流、PFC 电路,变换成380V 摆布的直流,然后再将 380V 直流经过DC/DC

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电路变换成 12V 直流,12V 直流通过分压电路获得 0.8 ~ 5.0V 直流电压提供给 ICT

设备电子负载使用。

对于采用交流电源模块供电的 ICT 设备,可以将其交流电源模块替换为 336V

直流电源模块完成直流化升级。 336V 直流电源模块的电路拓扑结构见图 4。相比

交流电源模块,省去了整流、 PFC 这些 AC/DC 电路,直接将 336V 直流经过 DC/DC

电路变换成 12V 直流,12V 直流通过分压电路获得 0.8 ~ 5.0V 直流电压提供给 ICT

设备电子负载使用。因变换环节和电路的简化,336V 直流电源模块比交流电源模

块的可靠性、效率更高,成本更低。

从以上拓扑结构图的对照可以看出,ICT 设备交流电源模块和 336V 直流电源

模块有以下共同点:

.ICT 设备内部基础工作电压均为 12V 直流,通过分压电路获得 0.8~5.0V 直流

电为电子负载供电。无论外部输入交流还是直流最后都需要转换成 12V 以下直流

电压为电子负载供电。

.DC/DC 环节均备电气隔离

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对 ICT 设备的电子负载来说,交流电源模块和 336V 直流电源模块输出电源要

求相同,交流电源模块供电的 ICT 设备在更换电源模块后可以采用 336V 直流电源

供电。

2、现有 ICT 设备 336V 直流供电支持情况

数据中心主流应用的设备有路由器、交换机(盒式交换机、框式交换机)、服

务器(机架式服务器、刀片式服务器)、存储磁阵、防火墙设备等 ,这些设备中的大

多数是采用交流电源模块供电 ,这些交流电源模块部份是可插拔的独立的模块 ,部

分是固定安装在设备内部的独立模块。这些主流设备 ,大多数都可以通过将交流

电源模块更换为直流电源模块的方式 ,支持336V 直流供电应用。但目前的路由器、

交换机等网络设备普通没有内置交流电源模块或者 48V 直流电源模块,不能通过

更换电源模块的方式支持 336V 直流。设备内部的业务单板、控制单板等部件,

也不能支持 336V 直流直接输入供电。因此,路由器、交换机等网络设备需要通过

外置 336V 转 48V 直流电源框的方式来实现支持 336V 直流供电。未来,随着路由

器设备供电架构的演进,也会浮现内置 336V 直流电源模块的供电架构,直接支持

336V 直流供电。

以华为公司生产的 ICT 设备为例,数据中心 ICT 设备支持 336V 直流供电情况

如表 2 所示。

锂 电池应用

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锂电池是一种新型电池, 目前主要应用在电动汽车领域, 自 2022 年起, 中国移

动已经开始在一些挪移通信基站和高压直流供电系统设备的测试系统中试用,探

索中国挪移引入锂电池的安全性、合用性和经济性。

1、锂电池技术特点

锂电池与传统铅酸电池相比,具有环境污染小、合用温度 X 围宽、循环寿命

长、高温性能好、充电效率高、能量比高(占地面积小、分量轻)等优点。磷酸铁

锂电池与传统铅酸电池对照分析如表 3 所示。

从表 3 对照分析来看,锂电池非常适合大电流短期放电场合, 因此对于高密

度数据中心建议优先考虑配置锂电池,特殊是与高压直流电源配合使用,供电结构

简单,可靠性高, 占用空间小,能 彻底实现全分散供电结构的要求。

2、锂电池应用方案

目前,在通信行业,锂电池产品主要以48V 电池模块(由 16 节 3.2V 电芯组成)

形式浮现的, 当与336V 直流电源配合使用时,选择7 个48V 锂电池模块串联成336V

锂电池组使用。

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由于锂电池必须使用 BMS(电池管理系统),且需要对每一个3.2V 单体进行监测 和控制,以保证电池的一致性,但单一 BMS 管理 100 只以上的单体电池难度也很 大。

针对此问题,我们提出了 336V 锂电池组双层管理模式,底层为单元 BMS,对单

个 48V 锂电池模块进行监测和管理;上层为系统BMS,综合处理底层7 个 BMS 单元

的监测信息和管理要求, 同时与 336V 直流电源监控模块进行通信,来实现对 336V

锂电池组内部电芯进行管理,确保电池充放电的安全。

3、锂电池产品成熟度

目前国内外主要锂电池厂家(如 LG、比亚迪、双登等)均研发生产出能够与

336V 直流电源系统配套的电池产品,并进行了与 336V 直流电源配合应用测试,从

测试数据来看,高质量的锂电池能够在数据中心机房中安全使用。

结束语

目前中国挪移正积极开展通信电源新技术、新产品的应用研究， 如在新型数

据中心 XX 试点工程、呼哈基地 中 已采用了336V 直流电源和锂电池供电方案。

随着通信电源新技术的不断发展应用，通信电源设备可靠性的提高，以及数据中

心机房规划、设计、建设人员和维护人员的观念的革新，相应的产品标准、建设

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规 X 的完善，我们相信全分散供电结构、 336V 高压直流和锂电池的应用势必成

为数据中心机房中一种主要供电解决方案。

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