摘要：市电与高压直流混合供电系统是ICT领域供电架构新发展方向,它以高压直流供电作为保障供电基础,以市电作为主供电源,既利用市电直接供电的高效率,也同时获得直流系统的高保障性。此供电架构能够很好实现节能降耗,解决远距离供电问题和高功率密度供电难题,实现了高效、高可靠性与轻资产等目标。

　　市电与高压直流混合供电系统是ICT领域供电架构新发展方向,它以高压直流供电作为保障供电基础,以市电作为主供电源,既利用市电直接供电的高效率,也同时获得直流系统的高保障性。此供电架构能够很好实现节能降耗,解决远距离供电问题和高功率密度供电难题,实现了高效、高可靠性与轻资产等目标。

　　随着互联网、云计算等蓬勃发展,ICT(Information and Communication Technology,信息与通信技术)业务融合的趋势也不断加强,下一代未来网络对供电系统建设和运营提出了新的要求。未来网络供电架构需具备高可靠性、高效、可灵活扩展的供电能力,可应对突发业务的高承载力,具备融合性、智能化、可扩展性的供电系统运营管理,以及轻量化低成本的供电系统建设模式和运行模式。

　　1 通信局房供电系统现存问题

　　(1)能耗高、初期投资高

　　传统通信局房与数据中心的基础设施建设采用一步到到位模式,远期需求大,造成初期建设规模和投资大,远超近期业务所需。因此,初期供电系统和制冷系统长时间处于低负载率运行状态,整个机房的PUE值偏高,导致高能耗运营。

　　(2)原有机房供电系统利旧困难

　　传统通信局房腾退利旧过程中突出的矛盾是现有供配电系统的容量与系统结构不能满足新型未来网络用电需求,原有电力电池室的面积和供电电压已无法与新的需求匹配。

　　(3)建设标准不适应未来网络发展趋势

　　通信电源系统建设标准应与通信设备和通信网络的高可靠性和高可用性的需求相匹配,但这些标准和指标要求已不适应最新的ICT融合技术和下一代未来网络架构网络安全性的发展需求,迫切需要建立新的适应未来网络的建设标准和技术指标体系。

　　(4)现有机房转型困难

　　因为应用的场景不同,传统通信局房与数据中心采用不同的建设标准与设计规范,建成的机房差距很大,不能互相复用,与最新的ICT领域的融合与发展不匹配。运营商现存大批的通信枢纽、汇聚类和综合接入类机房需要从传统通信业务向新的SDN(Software Defined Network,软件定义网络)、NFV(Network Function Virtualization,网络功能虚拟化)、云计算业务迁移,如果参照现有数据中心标准进行改造,将产生极大的投资浪费和进度滞后。

　　2 供电架构技术演进

　　现阶段,电源系统转换效率越来越高,以高频UPS和高压直流产品来说,目前主流产品效率已高达95%,未来可以提升的空间非常有限。迫于轻资产、高效率等方面的压力,运营商会尝试更加高效的供电架构而非专注于提升电源系统本身性能。

　　为适应SDN、NFV、云计算以及超宽带网络等新技术及业务的发展需要,面向未来网络的供电架构,将以“标准化、高效、池化、柔性可扩展、智能化”作为发展方向,将面向多类型场景复杂的供电架构融合,通过标准架构模型满足各种类型的传统业务、新型互联网业务日新月异的需求变化。

　　(1)标准化

　　建立统一、标准的供电架构,在此架构内通过调整系统配置方案和运行策略为多类型复杂场景的应用模型和分等级建设的业务对象服务。在可预期的未来,市电直供架构将作为标准供电架构应用于运营商的各等级未来网络机房。

　　(2)高效

　　供电架构需从两个方面实现高效的目标:

　　①从市电引入至用电ICT设备的整个电量输送过程要尽量减少电源的变换环节,也就是减少交直流电源转换和电压调整等环节;

　　②电量输送过程中,低压输送部分尽可能地靠近ICT设备,减少送电部分的线路损耗;

　　③高效供电架构的终极目标是采用市电负担ICT设备全部负荷,保障电源平时工作于备用状态,只有市电故障时才投入使用。

　　(3)资源池化

　　未来网络机房内,存在多个完整的电源系统,这些电源系统可独立工作,也可通过简单的直联,合成大的资源池。通过统一的电源管理平台,根据业务需要自动调整电力资源分配,解决电力资源的池化、优化和分享。

　　电源系统的资源池化可以充分利用现有电源系统,提升电源系统负载率和效率指标,实现资源使用的最优化,同时节省机房电力、空间和制冷方面的投资,以及大幅降低电源系统的运行维护费用。

　　(4)柔性可扩展

　　柔性可扩展是指对供电架构内已部署的电源系统可进行在线扩容,这种在线扩容不能影响在网业务运行。它可以在原有电源系统内实现,也可以在电源系统资源池化后通过新增电源系统实现。

　　(5)智能化

　　以资源池化的电源系统为基础,把运行、监控分离,将全部电源系统运行操作进行云化管理,最上层云化的能源管理策略作为整个能源管理的中枢,通过这个中枢实现与云资源池的对接,将ICT设备与电源系统组成一个整合的系统,达到最高效运行目标。这种智能化措施需支持云资源的动态迁移,电源系统的负荷动态分配和削峰填谷等智能化管理方案。

　　3 市电供电现状分析

　　依据中电联可靠性管理中心发布的统计数据,2015年全国10kV用户平均供电可靠率RS1为99.88%,平均停电时间10.50小时/户,2015年六个区域中,华北、华东、华中、南方四个区域的城市用户平均停电时间为4.08小时/户,低于全国平均值。全国城市10kV主要用户历年的供电可用性指标参考图1～图3。

　　目前传统通信局房和数据中心基本都建设在经济较发达地区或采用专门供电线路,电网环境相对较好,停电次数相对较少。参照中电联可靠性管理中心发布的统计数据,主要城市10kV用户的平均故障停电次数指标已低于一类市电引入的指标,只是平均故障停电时间指标略高于一类市电规定的0.5h,因此现阶段主要城市用户的单路10kV市电引入可靠性已十分接近标准YD/T1051中规定的一类市电要求。

　　4 新型供电架构分析

　　依据中电联可靠性管理中心发布的数据,现有全国城市10kV主要用户的供电技术指标已优于ICT设备电源输入指标要求,同时供电可用性指标和YD/T1051标准中的一类市电非常接近,因此具备了市电直接供电至ICT设备的条件。采用市电直供ICT设备后,整个供电系统的损耗将只有线路损耗,没有能源转换损失,极大提高整个供电系统的供电效率。

　　(1)市电混合供电架构

　　市电混合供电系统能够解决由于采用服务器双电源均分模式及UPS而引起的数据中心服务器电源效率低,供电系统能量损耗大的问题。市电混合供电系统基本系统架构包括:一套服务器(含双路),市电与第一路服务器电源直接连接,第二路市电与保障电源(ACUPS/高压直流)连接,保障电源输出侧与第二路服务器电源连接。市电混合供电系统中,当一路市电出现故障时,另一路市电所对应的保障电源设备能够及时输出需要的负荷,使服务器设备不间断工作,具体系统结构如图4所示。

　　目前,市面上大部分的服务器均设置双路电源模块,双路电源模块经过各自开关电源降压后,并联输出至服务器主板等最终用电设备,在一路电源模块故障或单路电源中断时不会直接导致服务器断电。近年来,随着市电供电质量的逐步提升、服务器电源模块适应性增强和用户对ACUPS能效过低等方面的不满,为兼顾建设成本、系统效率和可用性的提升,部分用户开始尝试采用1路市电+1路ACUPS同时供电的方案。而后,随着HVDC的逐步成熟,部分用户也开始尝试采用1路市电+1路HVDC同时供电的方案。现有绝大部分交流型服务器电源可工作在直流240V电压条件下,但是不能在336V直流供电系统输入条件下工作。如需在336V直流供电系统输入条件下工作,服务器需采用针对336V直流供电系统设计的服务器电源。

　　(2)市电+ACUPS方案

　　该方案采用了1路市电+1路ACUPS(含整机UPS,模块化UPS)的尝试,在保证了较高可用性的基础上,建设投资缩减近半,运行效率提升5%以上,具体结构如图5所示。

　　①可用性:随着近年来国内供电质量稳步提升,电力公司可承诺的供电可用性不断提高,1路市电+1路ACUPS配置的系统可用性可达5～6个9,高于传统N+1并联冗余配置输出假双路的UPS系统;

　　②建设成本:与传统N+1配置的ACUPS系统相比,投资略低;

　　③运行效率:因市电侧供电效率接近于1,故在负荷率配置适宜的场所,较N+1配置的ACUPS高出约5%。

　　(3)市电+HVDC方案

　　随着240V/336V高压直流的逐步成熟,逐步尝试1路市电+1路HVDC(240V/336V)共用的供电方案,目前已经在部分数据中心开始规模应用,系统结构如图6所示。

　　①可用性:因HVDC系统自身可用性高于ACUPS系统,故1路市电+1路HVDC配置的系统可用性可达8～9个9,高于1路市电+1路ACUPS配置的系统,并能实现系统故障可预见性;

　　②建设成本:与1路市电+1路ACUPS配置的系统相比,建设投资略低;

　　③运行效率:市电侧供电效率接近于1,且HVDC本身具备模块休眠功能,故实际末端配电系统效率可达到96%,较1路市电+1路ACUPS配置的系统高出约2%左右。

　　(4)市电主用架构

　　如果需要进一步将服务器供电系统的供电效率提高至99%的理想供电效率空间,将取决于服务器电源是否能够工作于市电主供,保障电源热备的方式。

　　在1路市电+1路HVDC240V/336V双路输入的条件下,可以采用1路市电主供+1路HVDC热备的工作模式。双电源服务器的2路输入电源一路引自市电,另一路引自HVDC系统,正常时服务器由市电单路供电,HVDC系统电池处于浮充状态,不向服务器输出功率;市电单路停电时,由热备的HVDC系统给另外一路服务器电源供电。此系统架构与1路市电+1路HVDC共用的系统架构完全一致,只需服务器两路电源模块实现两路电源的主备用设置功能即可。系统结构如图7所示。

　　此方案最大优点是可用性基本不受影响和服务器基本不需定制的情况下(仅需根据运行模式调整两个服务器电源模块的输出方式),实现了较1路市电+1路HVDC共用方案更好的建设成本和运行效率。

　　①可用性:此方案与1路市电+1路HVDC共用方案的可用性差别在于服务器的市电路断电时,服务器电源需从市电路主供切换至HVDC路主供,存在两路输出的切换过程。就目前服务器的双路电源备用方式而言,无论热备还是半热备,供电切换时间基本等于0ms,远低于IEC规定的服务器和交换机类IT设备可承受的10ms供电瞬断而不中断的能力,设备工作状态基本不受影响;

　　②建设成本:因HVDC处于备用状态,只在停电时作为短时断电支持向负载供电,故最低保障等级时,整流模块设置仅满足充电功率即可,较1路市电+1路HVDC共用方案节省建设投资约30%以上;

　　③运行效率:正常时只有1路市电供电,仅蓄电池浮充消耗极少电能,实际供电系统效率在99%以上,较1路市电+1路HVDC共用方案效率提升约3%。

　　(5)方案比较

　　交流UPS供电系统方案很多,而可用性级别最高的当属符合TIA-942IV级标准的双总线“2N”系统,如图8所示。

　　图9是典型的市电直供系统结构图,基于可用度计算模型,以此系统为例针对可用性问题与传统的交流UPS组成的双路系统做出定量的比较。

　　不同供电系统可用度比较如表1所示。

　　不同供电系统效率、投资比较如图10所示。

　　

　　5 未来网络供电架构优势

　　现有供电架构存在一些技术难题,不能很好解决未来网络的高密度、大功率及集中化的发展趋势。针对以上存在的问题,作为未来网络的重要供电架构-市电主用架构具有以下优点:

　　(1)可实现通信网络供电制式的协调统一

　　采用市电直供+高压直流的混合供电制式后,无论ICT设备还是电源设备,均可以非常轻松地实现供电制式和用电制式的协调统一,使得设备的生产供应更加规范,产品的种类尽量减少,从而可降低设备的生产成本和流通成本。

　　(2)满足未来网络设备不同等级的供电保障要求

　　未来网络的发展趋势,是单个电源产品应用在不同的场合,需要适应不同的供电保障要求。采用市电直供+高压直流供电制式后,可依据ICT设备需要的保障等级,配置不同等级的供电系统,就可以实现不同等级的保障要求。而且可以方便地实现供电保障等级的改变和设备的更换,实现未来网络的精细化管理。

　　(3)有利于实现主备供电,提高电源效率

　　对于双电源供电的ICT设备,由于ICT设备能够兼容高压直流和交流市电,就可以方便地变更供电电源。在保证安全供电和符合相关安全运行规定的前提下,实现主用市电直接供电,高压直流系统备用供电的方案提供了基础条件。从而可以最大化地提高供电效率,节约能源。

　　(4)系统结构简单,维护方便、可用度高

　　高压直流系统结构极具弹性,功率模块的设计理念是在系统运行时可随意移除和安装功率模块而不影响系统的运行及输出,使用户投资规划“随需扩展”,实现“动态成长”,既满足了后期设备的随需扩容,又降低了初期购置成本。高压直流电源维护非常简单、方便,功能组件以模块为维修单元,任一部分出现故障自动退出,而不影响系统供电。对于故障模块只需在线拔出,插入新的模块即可,维修时间短、可用度高。

　　6 结束语

　　在传统电信网络向未来网络转变的今天,不断涌现新的网络技术,电源专业需要直面新形式和整个行业的重大转变,提高电源系统的适应能力,应对日新月异的互联网时代。

　　市电主用架构就是顺应“互联网+”服务新要求和信息通信技术新趋势而提出的新一代基础供电架构。面对SDN、NFV、云计算以及超宽带网络等行业大势,市电主用架构将在增强基础设施供电服务能力和降低建设、运营维护成本,实现基础设施运营的持续健康发展。通过构建适应ICT融合趋势的主备用架构,为整个ICT行业提供高可靠、高效、快速敏捷的供电服务,并依托云化的能源管理策略实现了与互联网、云计算等网络资源的整合,最终实现智能化的供电支持系统。

　　作者简介

　　刘郑海,西安交通大学硕士,中国联通网络技术研究院高级工程师,主要从事通信电源设计及通信电源新技术研发工作。

　　朱清峰,现任中国联通网络技术研究院电源与节能研究部副主任,教授级高级工程师,享受政府特殊津贴,从事多年电源、防雷、节能技术研究及应用,主持过多项大型通信工程的电源系统设计,获得国家级、多项省部级级科技进步奖,拥有多项专利,同时担任国家级电源实验室、防雷实验室主任,撰写多项国家及行业标准。

　　刘宝庆,通信电源技术专家,教授级高级工程师。任电源与节能研究部副主任,从事通信电源技术研究及应用。任网络技术研究院电源与节能专家组长,研究通信电源及基础设施技术发展方向和技术路标。任中国通信标准化协会通信电源技术委员会副主席,参与行业标准化工作。

　　责任编辑：DJ编辑