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劉細(xì)鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:文中介紹了240V 直流供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念,并分析了其系統(tǒng)勢(shì),相對(duì)于傳統(tǒng) UPS系統(tǒng),240V 直流供電系 統(tǒng)在提升系統(tǒng)可靠性及可用性、降低電網(wǎng)污染、提升供電效率、減少建設(shè)和維護(hù)成本、提高管理智能化程度等方面具有明顯的勢(shì)。在此基礎(chǔ)上,文章分析了240V 直流供電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的適用性,并針對(duì)數(shù)據(jù)常見的傳統(tǒng)供電模式給出替代解決方案。
關(guān)鍵詞:240V直流;PFC;單母線;雙母線;體化供電
0 引 言
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展,機(jī)房供電也朝著大容量、高可靠的方向發(fā)展。但是機(jī)房規(guī)模的擴(kuò)大使得機(jī)房的耗電問題、擴(kuò)容問題和維護(hù)問題日益突出。傳統(tǒng)的UPS供電模式在可靠性、性及高能耗等方面的問題也越來越多,尤其是傳統(tǒng)大功率UPS(通常指容量在30KVA以上)可靠性低、建設(shè)成本高、維護(hù)及擴(kuò)容難度大、供電效率低、電流諧波大等局限性逐漸 顯。業(yè)界在努力提升傳統(tǒng) 供電質(zhì)量的同時(shí),也在不斷探索能夠替代傳統(tǒng)大功率UPS供電的新技術(shù)。隨著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《YDT2378-2011通信用240V直流供電系統(tǒng)》于2012年2月1日開始實(shí)施240V直流供電技術(shù)作為設(shè)備不間斷供電的重要發(fā)展方向逐漸開始市場(chǎng)潮流。
本文從240V直流供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念入手,分析其系統(tǒng)勢(shì),針對(duì)數(shù)據(jù)現(xiàn)行供電系統(tǒng)中的單/雙母線供電模式和體化供電系統(tǒng),提出了240V直流供電系統(tǒng)的替代方案,為數(shù)據(jù)供電系統(tǒng)的改造和建設(shè)提供定的借鑒。
1 240V直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念
240V直流供電系統(tǒng)主要借鑒了通信高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)思路,在通信電源-48V高頻開關(guān)電源的基礎(chǔ)上,通過提高輸出電壓、采用懸浮供電,并引入電力電源監(jiān)控技術(shù)[2]。它是基于原有交流設(shè)備供電的種新型供電模式,同時(shí)也是對(duì)傳統(tǒng)交流設(shè)備供電系統(tǒng)的種創(chuàng)新。240V直流電源系統(tǒng)原理如圖1所示。
圖1直流供電系統(tǒng)原理框圖
2 240V直流供電系統(tǒng)的勢(shì)分析
240V直流供電系統(tǒng)很有可能是UPS發(fā)展的下個(gè)階段,不僅是因?yàn)楦邏褐绷?/span>UPS幾乎能夠合理傳承當(dāng)前所有UPS的熱點(diǎn)和前沿技術(shù),也不僅是它能夠兼收傳統(tǒng)UPS和-48VDC 通信電源之間所長而摒棄其短,更重要的是它能夠在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)UPS所有功能的基礎(chǔ)上更好地滿足負(fù)載供電的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性
2.1 提升可靠性及可用性
和傳統(tǒng)UPS相比較,240V直流供電系統(tǒng)的可靠性及可用性提升主要體現(xiàn) 在 以 下 幾 點(diǎn):240V直流供電技術(shù)簡(jiǎn)化了電路的逆變環(huán)節(jié),取消了逆變器和與之配套的相關(guān)電路,硬件電路的簡(jiǎn)化使故障點(diǎn)大大減少,降低了系統(tǒng)故障率;整流模塊可 N+X 冗余配置,故障模塊可自動(dòng)退出,從而避免了電源間斷的問題;傳統(tǒng)的交流 UPS電源采用將所有電源輸出功率集中在單臺(tái)設(shè)備的配置模式,而240V直流供電系統(tǒng)采用智能分布式功率分配模式,即將輸出功率分配到系統(tǒng)配置的各個(gè)電源模塊;蓄電池組并聯(lián)于電源輸出端,可以直接對(duì)設(shè)備供電,同時(shí)還可以作為濾波池濾除電網(wǎng)串過來的毛刺以及其他供電支路諧波的影響等等。
2.2 降低電網(wǎng)污染
UPS的逆變器是電污染源,它工作在高壓大功率高頻開關(guān)狀態(tài),會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流。諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)及供電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波干擾,造成設(shè)備故障、發(fā)熱、壽命降低等后果。同時(shí),為治理諧波而增加的濾波設(shè)備,也為UPS系統(tǒng)引入了新的故障點(diǎn)。
240V直流系統(tǒng)取消了逆變環(huán)節(jié),避免了大部分電網(wǎng)污染,且其高頻開關(guān)電源模塊采用了PFC技術(shù),輸入電流諧波小,抗電磁干擾能力強(qiáng)。
2.3 提升供電效率
UPS采用AC-DC-AC模式,它有兩個(gè)逆變環(huán)節(jié),是整流濾波(AC-DC)環(huán)節(jié),二是逆變(DC-AC)環(huán)節(jié),兩次變換使得其本身效率較低;UPS采用冗余配置使自身工作在更低效率的負(fù)載率區(qū)間;另外,UPS產(chǎn)生的諧波電流還會(huì)在供電回路上造成損耗,引入濾波設(shè)備自身的損耗等也降低了UPS的供電效率。
240V直流系統(tǒng)簡(jiǎn)化供電結(jié)構(gòu),取消UPS逆變及服務(wù)器電源再整流過程,變換損耗低;采用高頻軟開關(guān)技術(shù),整機(jī)效率高;采用模塊休眠等技術(shù),模塊工作在負(fù)載率區(qū)間,系統(tǒng)效率高;采用PFC功率因數(shù)校正技術(shù),諧波電流?。恢绷鬏敵鲇行щ妷焊咔覠o諧波分量,傳輸損耗小。
2.4 降低建設(shè)和維護(hù)成本
240V直流系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)靈活的直流整流模塊N+X冗余配置模式,由于整流模塊采用模塊 化生產(chǎn),使系統(tǒng)的擴(kuò)容和維護(hù)方便,可以針對(duì)不同規(guī)模的用戶靈活組建不同容量的直流后備電源系統(tǒng),安裝后備電源系統(tǒng)的容量根據(jù)需要可分步投資和建設(shè);直流電源功率密度高,安裝空間占用少;直流電源較UPS采購成本低;同等的直流電系統(tǒng),要比中大型交流UPS系統(tǒng)成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)。
2.5 提高管理智能化程度
嚴(yán)格按照蓄電池給定參數(shù)使用和定期的維護(hù),是解決蓄電池組使用壽命的有效方法,合理、科學(xué)地使用和及時(shí)的維護(hù)可有效地延長蓄電池使用壽命。240V直流系統(tǒng)具有智能化電池管理功能,可對(duì)蓄電池實(shí)施智能化的充、放電管理;按電池組充電曲線對(duì)電池組進(jìn)行智能化的充電管理和放電維護(hù),大大提高了蓄電池組的使用壽命,同時(shí)大大減輕了用戶對(duì)系統(tǒng)維護(hù)的工作量;還具備單體電池的巡檢功能,可對(duì)電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)落后單體后立即報(bào) 警,提醒用戶及時(shí)處理,可避免故障的進(jìn)步擴(kuò)大,如整組電池報(bào)廢等。此外,240V直流供電系統(tǒng)具有完備的監(jiān)控功能,提供了通訊接口,實(shí)現(xiàn)了機(jī)房電源系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)控制,大大提高了電源系統(tǒng)的管理自動(dòng)化程度。
3 數(shù)據(jù)240V直流供電解決方案
伴隨著通信行業(yè)的發(fā)展,通信電源系統(tǒng)也發(fā)生了質(zhì)的變化?,F(xiàn)代IDC機(jī)房規(guī)模變得越來越龐大,消耗的功率也越來越大,從分散風(fēng)險(xiǎn)和節(jié)能減排的角度考慮,要求動(dòng)力保障系統(tǒng)分散供電,供電方式從過去的集中式供電轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑹焦╇?。然而,由于交流電存在電壓、頻率、相位三要素的約束,使得UPS并機(jī)存在不確定性。為了克服這個(gè)缺點(diǎn),減少UPS的并機(jī)數(shù)量,UPS的單機(jī)功率變得越來越大,供電方式越來越趨向集中,大量這種UPS系統(tǒng)的在線運(yùn)行,使得數(shù)據(jù)設(shè)備面臨的風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)間的增加而不斷積累。240V直流供電系統(tǒng)具有可擴(kuò)容性、維護(hù)方便性、割接風(fēng)險(xiǎn)小的特點(diǎn),恰好克服了UPS的這種不確定性,能夠較好地滿足數(shù)據(jù)的建設(shè)和改造
3.1 可行性分析
從數(shù)據(jù)機(jī)房用電設(shè)備側(cè)考慮,先,IT設(shè)備(計(jì)算機(jī)及其外設(shè))機(jī)內(nèi)普遍采用高頻開關(guān)電源技術(shù),設(shè)備電源具有高頻開關(guān)電源特性,即輸入側(cè)沒有工頻變壓器,輸入直流不會(huì)產(chǎn)生短路阻抗,因此可采用直流輸入;第二,設(shè)備電源模塊采用直流輸入,整流橋半橋?qū)?,因此可以采用定電壓值的直流電提供能量;第三?/span>IT 設(shè)備電源模塊是恒功率模塊,提高輸入電壓,可以降低整流二極管載流量,從而提高直流狀態(tài)下的穩(wěn)定性。所以,只要輸入合適電壓的直流電,就可以使用直流電源接入原來的交流電入口,直接對(duì)用戶設(shè)備進(jìn)行供電,而不必對(duì)原設(shè)備進(jìn)行任何改動(dòng)。
從上述可行性分析可知IT設(shè)備中絕大部分都是可以采用同電壓等級(jí)的直流電源替代交流電源供電進(jìn)行工作的。通信用240V直流供電系統(tǒng),可以在不改變用電設(shè)備交流供電電壓等級(jí)的前提下,對(duì)現(xiàn)行通信網(wǎng)絡(luò)上使用交流220V供電的計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、路由器、磁盤陣列等IT設(shè)備兼容性地提供直流供電,以提高對(duì)上述通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備供電的保障能力。另外,從節(jié)能減排的角度考慮,和傳統(tǒng)UPS相比,240V直流供電系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)供電效率、智能休眠節(jié)能功能和成熟的智能電池管理功能,能夠有效地降低能耗,節(jié)省電力資源,符合家節(jié)能減排的指導(dǎo)思想,是數(shù)據(jù)供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
3.2 適用場(chǎng)合
240V直流供 電系統(tǒng)具有運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)組態(tài)靈活、功率密度大、智能化程度高等特點(diǎn),因此,對(duì)于運(yùn)營商自有設(shè)備為主的業(yè)務(wù)網(wǎng)及數(shù)據(jù)、新規(guī)劃建設(shè)及改造供電系統(tǒng)的機(jī)房、蓄電池后備時(shí)間要求較長(>2H)的應(yīng)用、設(shè)備負(fù)荷較大(>200kva)或機(jī)房承重及空間受*,建議先選用240V直流供電系統(tǒng)。如:各類大中型IDC機(jī)房、呼叫、電力監(jiān)控機(jī)房、銀行數(shù)據(jù)、電子商務(wù)企業(yè)數(shù)據(jù)、網(wǎng)站企業(yè)數(shù)據(jù)、證劵機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)等場(chǎng)所具有規(guī)劃比較完整,機(jī)房設(shè)備安裝空間比較充足,電源設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化程度較高,設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝比較規(guī)范,適合采用240V直流供電系統(tǒng)進(jìn)行供電
3.3 240V直流供電解決方案
數(shù)據(jù)機(jī)房中較為常見的供電模式有單母線供電和雙母線供電兩種。單母線供電模式中,采用240V直流供電系統(tǒng)替代傳統(tǒng)UPS并機(jī)系統(tǒng)具體的解決方案為:采用直流輸出屏替代交流輸出屏,采用直流列頭柜替代交流輸出屏,蓄電池組直接并聯(lián)于系統(tǒng)輸出端。圖2給出了單母線供電模式中,240V直流供電系統(tǒng)替代傳統(tǒng)UPS并機(jī)系統(tǒng)的解決方案。
圖2 單母線供電240V直流供電解決方案
同樣,在雙母線供電模式中,采用240V直流供電系統(tǒng)替代傳統(tǒng) UPS并機(jī)系統(tǒng)的具體方案為:采用直流輸出屏替代交流輸出屏,采用直流列頭柜替代交流輸出屏,如此便得到雙母線供電模式中240V直流供電的替代解決方案,如圖3所示。
圖3 雙母線供電240V直流供電解決方案
為合理利用動(dòng)力設(shè)備,很多數(shù)據(jù)都采用體化供電解決方案。圖4給出了 DC-BUS的供電系統(tǒng)解決方案。
圖4 體化供電解決方案
4 安科瑞小母線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品介紹
4.1 概述
數(shù)據(jù)小母線系統(tǒng)是數(shù)據(jù)末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱。近年來,隨著數(shù)據(jù)建設(shè)的快速發(fā)展和更高需求,智能小母線系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于機(jī)房的末端配電中,具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點(diǎn),即插式插接箱給各個(gè)機(jī)柜內(nèi)的PDU分配電。始端箱和插接箱內(nèi)可設(shè)置監(jiān)測(cè)模塊,將數(shù)據(jù)上傳至動(dòng)環(huán)監(jiān)控。
4.2 AMB智能小母線管理系統(tǒng)
1)交流系統(tǒng)功能:
遙測(cè):三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、電纜溫度,系統(tǒng)頻率、序電流、地電壓、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電壓/電流諧波含量、電流/功率;
遙信:過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、地電壓、線電流、溫/濕度告警,開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘;
2)直流系統(tǒng)功能:
遙測(cè):電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電流/功率;
遙信:過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警,開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘;
4.3 產(chǎn)品介紹
型號(hào) 功能 | AMB100-A | AMB100-A/W | AMB110-A | AMB110-A/W | AMB100-D | AMB100-D/W | AMB110-D | AMB110-D/W | ||||
測(cè)量系統(tǒng) | 交流 | ■ | ■ | ■ | ■ |
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直流 |
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| 電參量 | 電壓 | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ||
電流 | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ||||
有功功率 | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ||||
無功功率 | ■ | ■ | ■ | ■ | / | / | / | / | ||||
功率因數(shù) | ■ | ■ | ■ | ■ | / | / | / | / | ||||
有功電能 | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ||||
無功電能 | ■ | ■ | ■ | ■ | / | / | / | / | ||||
電參量 | 地電壓、序電流 | ■ | ■ | ■ | ■ | / | / | / | / | |||
漏電流 | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ||||
| 電力質(zhì)量分析 | 電壓、電流總諧波 | ■ | ■ | ■ | ■ | / | / | / | / | ||
電流、電壓2~63次分次諧波 | ■ | ■ | ■ | ■ | / | / | / | / | ||||
| 機(jī)柜溫度、濕度 | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | |||
| 電纜溫度 | ■(8路) | ■(8路) | ■(4路) | ■(4路) | ■(4路) | ■(4路) | ■(4路) | ■(4路) | |||
開關(guān)量輸入 | 無源 | 2 | 2 | 2 | 2 | 4 | 4 | 4 | 4 | |||
有源 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | ||||
繼電器輸出 | ■(2路) | ■(2路) | ■(2路) | ■(2路) | ■(2路) | ■(2路) | ■(2路) | ■(2路) | ||||
| Modbus-RTU | 1路 | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ |
說明:■為標(biāo)配功能。
5結(jié)束語
傳統(tǒng)UPS具有單點(diǎn)故障多、可靠性偏低、建設(shè)成本高、維護(hù)及擴(kuò)容難度大、供電效率低、電流諧波大等諸多局限性,而數(shù)據(jù)的快速發(fā)展對(duì)用電設(shè)備的供電質(zhì)量提出了更高的要求240V直流供電技術(shù)的出現(xiàn),是對(duì)傳統(tǒng)交流不間斷供電技術(shù)的種探索和創(chuàng)新,定程度上滿足了當(dāng)前業(yè)界對(duì)大功率交流不間斷供電的需求,是通信交流設(shè)備不間斷供電的重要發(fā)展方向。
參考文獻(xiàn):
【1】淺談機(jī)房的高壓直流供電應(yīng)用[EB/OL].
【2】趙廣超、潘立福、吳向陽、王琰。240V直流供電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究。
【3】安科瑞數(shù)據(jù)IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版.
【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊(cè).2020.06版.
作者簡(jiǎn)介:
劉細(xì)鳳,女,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事數(shù)據(jù)智能小母線監(jiān)控的研發(fā)及應(yīng)用。