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江苏电信IT设备高压直流供电技术交流

'江苏电信IT设备高压直流供电技术交流'
IT设备高压直流供电技术交流 2010.3.23. 中国电信江苏公司 运行维护部主要内容 n 一、高压直流提出的技术背景 n 二、高压直流电压范围选取 n 三、单管直流供电问题研究 (直流供电时单管长时间运行,安全吗?) n 四、高压直流安全方面的技术措施 n 五、已验证的负载 n 六、江苏电信内部推进情况 中国电信江苏公司 运行维护部提出“高压直流供电”的技术背景 n 技术背景一、UPS的问题 交流UPS供电的模式在通信系统中安全性、经济性等方面 的问题越来越凸显,主要体现在以下几个方面: 1、能耗高 2、可靠性低 3、维护、扩容难度大 4、建设成本大 n 技术背景二、高频开关电源技术普及,生产成本已经低于变压 器电源 n 技术背景三、转型业务、数据通信、各种增值业务平台在电信 运营商的比重日趋增大,安全要求、节能要求与电源保障提出 了空前的要求 中国电信江苏公司 运行维护部提出“高压直流供电”的技术背景 n 解决手段----为解决UPS的问题,江苏电信盐城分公司提出通 信用240V直流供电方式(简称高压直流供电方式) 高压直流电源代替UPS电源 高压直流电源比交流UPS电源结构简单、建设成本低、运 行可靠性高、操作维修方便,最突出的优点是既安全又节能, 在当今全球能源紧张的情况下,高压直流电源代替UPS电源, 将给通信行业以及其他大规模使用IT设备的行业产生较大的经 济效益和社会效益 中国电信江苏公司 运行维护部技术背景——IT设备电源电路分析1 交 流 输入 整流 12V 输入 滤波 滤波 DC/DC 5V 3.3V 图 1. IT设备电源模块工作原理示意图 n 由图1可见, 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IT设备工作。因为输入端没有工频变压 器,所以输入直流不会产生短路阻抗,就没有必要非得交流输入 ,不用交流也就没有必要用UPS,由此因UPS交流供电引起的一切 不利因素也就自然而然地消失了。如果我们输入的直流合理配上 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UPS交流供电系统。 中国电信江苏公司 运行维护部技术背景——IT设备电源电路分析2 交流供電 12V 5V D C / D C 3.3V 直流供電 12V 5V D C / D C 3.3V 中国电信江苏公司 运行维护部 6技术背景——高压直流供电的可行性 1、 IT设备的开关电源前级为整流桥, 并为后级提供一个波 动的高压直流 2、整流桥后的高压直流范围为: DC250 -336v (交流输入为: AC220V ) 3、对于直流输入而言, 整流桥可视为直连 结论: 只要在交流输入端使用合适范围的高压直流, IT设 备的开关电源是可以正常工作的 中国电信江苏公司 运行维护部 7 高压直流电压范围选取 n 电压选取的基本原则n 通信系统可靠性比使用UPS大大提高 n 对原有设备不作任何改造 n 要适应与IT设备配套的相关设备的使用 n 要适应非电信运营企业的使用n 要兼顾整个产业链效应n 安全与节能兼顾 (近阶段重点要解决安全问题,当前和长远 战略综合思考)n 尽可能利用现有成熟技术 中国电信江苏公司 运行维护部 高压直流电压范围选取 n (一)直流电压范围上限计算(整流二极管最大反向电压)。 通常PC机或服务器铭牌标明工作电压范围180~240V ,由此 得出电压上限电压为240*1.4=336V U高=336Vn (二) 直流电压范围下限计算 经过对多种设备的现场测试,IT设备电源模块交流工作电压 在180~240V范围均能正常工作,根据IT设备电源模块恒功率 特性和整流元件直流波形发热特性两方面因素,直流工作电压 最低电压计算如下: U低=180*0.9÷1.3 ×2≈250V 中国电信江苏公司 运行维护部单管供电问题研究 n 由交流输入供电改成直流输入供电,IT设备的电源模块整 流桥路将变成单边工作,原来两只整流管同时工作的模块 ,改成单管长时间工作,安全问题一直是人们担心的。直流供电时单管长时间工作安全吗?一、整流管工作电流是否在整流管规定的安全参数范围?二、长期运行单管工作散热量是否比双管大? 中国电信江苏公司 运行维护部安全问题,结论1:高压直流供电整流管工作电流比交流供电时小! n电流计算 n通过测试, IT设备二次电源基本 上是一个恒功率设备. t T T/6 T/3 T/2 2T/3 5T/6 n当交流220V供电时,它的等效直 i 图 4.1 交流输入时整流管电流波形 流电压为200V.如果将交流220V 改为直流260V供电, 相当于电压 提高了30%, 也就是说,此时的输 入电流下降了30%. 设交流额定 0.7 输入时 电流为 则直流输入时 t , I, , I 电流为0.7I。 图 4.2 直流输入时整流管电流波形 中国电信江苏公司 运行维护部安全问题,整流管热量计算 n 热量计算 根据热量计算公式: Q=KI×I×R×t K:电能转换成热能系数; R:整流管等效电阻 t:电流通过的时间 设一个周期时间为T 则,交流输入时,单个整流管在一个周期内平均热量: Q=K(3I×3I)×R×(T/6)/T  =K1.5(I×I)×R 直流输入时: Q=K(0.7I×0.7I)×R×T/T =K(0.49I×I)×R 显然, 当整流管等效电阻R一定时, 整流管长期工作时, 发热量只有 交流输入状态下的1/3 . 中国电信江苏公司 运行维护部安全问题-单管供电,发热量小 n 整流管等效电阻R也不是一个常数 ,根据二极管的伏安特 性,直流输入状态下的R也比交流输入状态下R小 。 结论2:交流输入状态下二极管发热量比直流输入至少大于3 倍。 n长时间单管直流供电安全吗? 工作电流小,发热小 结论:安全! 中国电信江苏公司 运行维护部使用情况-200710月江苏盐城开始高压直流供电试验 解决UPS供电可靠性问题 高压直流替代 UPS 节能—提升供电效率 n 2007年10月开始,中国电信盐城分公司开始试验高压直流供电, 从办公PC机逐步扩展到服务器、网络设备(二层交换机、三层交换 机、光纤交换机、防火墙等)、磁盘阵列、小型机、营业厅票据打 印机等600多台,基本覆盖了分公司全部机型。 n 盐城公司从2008年6月份起,凡新装IT设备,全部使用高压直流供 电,目前已替换了七套UPS系统,现场装表测量,安全性优于UPS, 节能25%以上。 中国电信江苏公司 运行维护部 使用情况-23套高压直流供电系统在线运行公司 机房名称 主要负荷名称及容量 改造前原UPS供电情况 高压直流设备 (标称电压240V,浮 充270V) 艾默生、中达、中恒盐城 多个数据核心机房 计费系统等多个IT业务平台 能耗大,安全隐患多 、动力源等8套设备 台席 、 层和 层交换机 中达开关电源 环城路局号百机房 150 2 3 8 APC SL60KH 30KVA 台、服务器和其他设备15台 (1+1)故障频发 2套徐州 ( 和 )服务器 架 ( )故 中达开关电源 铜山路局数据核心机房 MS SHLR 7 APC SL40KH 1+1 20KVA 、其他设备3架 障频发 2套 江苏省号百平台服务器 架 梅兰 系统,艾 中恒开关电源 北塘分局数据核心机房 16 60KVA1+1 40KVA 等 默生60KVA1+1系统 3套无锡 大浮电信支局IDC客户托管 客户服务器30架 爱克塞9390 80KVA2台 中恒开关电源80KVA 机房 电信路由器4台 160KVA 1台 2套 索克曼 使用 台席 、 层和 层交换机 台 UPS30KVA 10 中恒开关电源 朝阳路局综调中心机房 70 2 3 6 年,故障频发,随时出现 20KVA 、服务器和其他设备5台 1套常州 阻断。 梅兰日兰UPS2+1并机,3 中恒开关电源30KVA 文化宫路局数据机房 网络视讯服务器6架 台200KVA UPS使用10年 1套 中恒开关电源90A扬州 东大楼网管 网管 APCUPS 1套 汉中门局 APC40KVA,超龄使用故障频 伊顿(爱克赛)1套 小灵通及网管设备南京 发 20KVAUPS故障频发 中恒开关电源40A 2连云港 解放路168机房 168平台 中国电信江苏公司 运行维护部 套使用情况-节能效果好、安全性高n 采用标称电压为240V的高压直流电源替代交流UPS向IT设备供电,不 需要对IT设备内部改造,不需要对IT设备输入接口改造,在保障通 信安全、降低运行能耗、节约建设成本、操作维护简单等方面比UPS 供电系统具有很大优势。该项目通过现场试验,每套系统均节能20 ~30%。 中国电信江苏公司 运行维护部使用情况:解决了哪些问题 1. 适应性强,240V直流供电系统能够支持IT设备的主要电源标准(ATX、 SSI标准) – 个案:CRT显示器变色、激光打印机(热量不够,墨烤不干) 2. 供电系统可靠性大大提高,240V系统最长使用2年,目前所有系统运 行稳定,解决了UPS系统故障频发、系统阻断问题 – 分散供电模式 – 蓄电池直接向负荷供电 – 扩容方便,可维护性强 3. 不存在“零地”电压差问题 4. 节能效果明显 – 徐州节电27%,无锡节电30% 5. 节省投资40%以上,减少超前投资50%以上 6. 全部采用国产电源设备 实验结论 IT设备高压直流供电取代UPS是明显的趋势 中国电信江苏公司 运行维护部实操注意事项和存在问题 1.供电系统全程采用双级保护,即正极和负极均需要 安装空开或熔丝等保护器件。 2.综合集装架内一律取消插座。 3.取消保护接地就近接地的习惯,直流供电系统范围 内全部采用三芯线。 4.IT设备供电电源“通、断”避免使用设备上的钮子 开关,应采用综合集装架分配单元上的空开控制。 5.少量IT、IP设备电源输入正负极需要现场调整。 中国电信江苏公司 运行维护部高压直流安全方面的技术措施 n 1.高压直流系统及配电设计1)前后级配置,采用熔断器和空开组合方式; 整流器 蓄电池 直流屏或头柜 IT机柜 图一、前后级配置示意图 中国电信江苏公司 运行维护部高压直流安全方面的技术措施n 末端控制采用双级空开与单级空开组合方式;总空开采用双级直流空 开,单级空开可以采用交流空开或直流空开;见图二、 综合集装架高压直流配电单元 Kz K1 K2 K3 Kn IT设备电源插头 图二、末端控制方式示意图 中国电信江苏公司 运行维护部 高 压直流安全方面的技术措施 电源1(或 电源2(或n 各 种 情 况 下 应 分路1) 分路2) 不 用 插 座 连 接 ,每个IT设备的 Kz Kz 电 源 模 块 均 需 K1 K2 K3 Kn Kn K3 K2 K1 要 对 应 一 个 单 级 空 开 控 制 , 一台IT设备有多 个 模 块 时 , 必 须 采 用 多 路 空 开 控 制 , 同 时 多 路 空 开 中 尽 模块一 模块二 可 能 来 自 不 同 的 电 源 系 统 或 模块三 模块四 来 自 不 同 的 末 端 分 配 单 元 ; 见 图 三 、 图三、多电源IT设备供电示意图 中国电信江苏公司 运行维护部高压直流安全方面的技术措施n 各种情况下不应 采用空开串联方 式接入系统,避 电源头柜 免降低供电可靠 IT设备 性;n (3) IT设备电源模块 OFF ON 带有开关时,保 (2) 持开关在ON状 态,见图四 (1) (1) IT设备电源插头 (2)IT设备电源控制开关 (3) 电源头柜空开 图四 IT设备接入单极控制方式示意图 中国电信江苏公司 运行维护部高压直流系统安装割接注意事项 n 准备工作:现场测试,系统总电流和各机架总电流,估算高压直流系 统的放电能力,配置适合的熔断器、空开; n 制作临时分配单元、输入和输出正负极性对调的临时线,准备好不同 物理形状插头的电源线。(目前在网运行的至少有3种,大量的是梯 形的,大功率的IT设备是矩形的,部分小型机采用梯形带凹槽) n 采用一路空开控制多路插座插入多个IT电源模块的,考虑割接后采用 一路空开控制一个电源模块的配电方式; n 高频开关电源交流输入尽可能均分成两路输入。不提倡采用双电源切 换装置,避免增加维护难度 ; n 对小功率设备割接时,因为内部没有软启动电路,应把供电系统浮充 电压调到260V,防止设备开机时产生故障,待全部设备割接完成后, 浮充电压再调回到正常值270V左右; n 对于双电源输入的IT设备,割接前要检查电源模块是否双配置,如果 是只配置了一个模块,应按照单电源IT设备处理,先人工关机,再割 接电源。 n 系统割接完成后,应做一下放电试验,重点检查从浮充转放电时的电 压下降幅度,正常情况下,瞬间电压下降幅度应不大于20V。 中国电信江苏公司 运行维护部负载加载测试准备内容 n 凡是服务器一类设备不需要静态测试,只需要通电测试, 观察是否支持高压直流供电; n 凡是2008年以后出厂的各种设备不需要静态测试; n 对配套IT设备使用的小型设备,通电前用模拟万用表电阻 档测量电源输入端电阻,阻值在几十到几百欧之间,表明 该设备不能使用高压直流,阻值在几十千欧以上可以通入 高压直流开机; n 设备送电操作顺序,系统部份由前向后依次送电,开关电 源→蓄电池→直流屏(或头柜)→综合集装架总空开;IT 设备末端控制由后向前依次送电,IT设备插头连接→IT设 备开关ON(部分设备没有开关)→末端分配单元分路空开 ; 中国电信江苏公司 运行维护部已被验证的负载n 见《采用高压直流供电的IT设备清单》n 其中普通PC机有30多种品牌和笔记本有10多个品牌未统计,因为普通 PC机不论何种型号,均采用ATX标准制造,凡采用ATX标准的设备全部 支持高压直流,换句话说,PC机全部支持高压直流,笔记本有功率大 小之分,无论何种笔记本都支持高压直流,特小的笔记本有可能采用 半波整流,可能会出现正负极性对调问题。另外,液晶电视、非变压 器的手机充电器、掌上电脑充电器、MP3充电器、机顶盒电源、VCD、 功放等也支持高压直流。n 现代通信大量使用的EPON和GPON设备,不论哪个厂家的产品、不论哪 个品牌的产品,全部支持高压直流。总之,由于高频开关电源技术的 广泛使用和便于工业化生产以及开关电源成本低于变压器电源等因素 ,使得高压直流直接应用于原本需要交流220V供电的场景更多、设备 类型更多、范围更广。 中国电信江苏公司 运行维护部 《通信用240V直流供电系统技术要求》已经颁发 n 09年12月1日,由TC4、中国电信提出的《通信用240V直流供电系统 技术要求YDB 037—2009 》 通过工信部审查,12月10日颁发。 n 已引起通信电源行业的广泛关注,产业链支持不存在问题 ü 高频开关电源 众多厂家有电力操作电源产品系列;产品技术要求规范、明确 现场试验包括:中达电通、艾默生、中恒、动力源、伊顿等 ü 蓄电池 无特殊要求 ü 电缆、母线 载流量比-48V系统低,现有产品系列基本可以兼容;无特殊要求 ü 开关、熔断器等控制器件 有各种电压等级、电流规格的产品,已经通过大量现场障碍模拟实验 (与国家电力公司的运行规范相背,专利重要权利之一)26 中国电信江苏公司 运行维护部发明专利已通过了受理、审查程序,09年12月开始对社会公示 27 中国电信江苏公司 运行维护部江苏公司内部推进措施 n 1、鼓励试点,将高压直流列为创新项目,对复制、采用创新项目的 其他本地网,将在年度考评中加分、创新项目原创单位也相应加分。n 2、组织虚拟团队对试点地市进行技术支撑,成立技术支撑组(由各 地有数次割接经验的技术人员组成)。n 3、对高压直流割接进行管控,各地高压直流割接必须报省公司,省 公司安排相应的技术支持、以保证割接成功率;同时组织其他地市人 员现场观摩,为即将进行高压直流改造的地市培训人员。n 4、鼓励向割接单位提供技术支持,2010动力专业月度考核增加“高 压直流等新技术推广中,对外市进行技术支持的,酌情加0.5-5分” 。n 5、省公司召开会议对高压直流进行技术交流推广。除在省动力专业 会议上对高压直流技术进行推广、辩论、交流,还以专题会议的方式 交流。不但在电源专业内部交流,还针对计划建设及采购部门进行专 门交流。n 6、2008年发布了《通信设备高压直流供电安装设计规范》。 中国电信江苏公司 运行维护部江苏公司内部推进措施n 7、2009年起草了《高压直流维护规范V1.0》、《通信用240V直流开 关电源系统技术规范书(招标)》。n 8、目前除盐城运行8套外,徐州4套、无锡5套、常州2套、扬州1套、 南京1套、连云港2套(共23套)。苏州、镇江即将上线。在用设备品 牌有艾默生、动力源、中恒、中达、伊顿(艾克赛)。n 9、原有机房通信设备采用UPS系统供电的,仍继续使用,原UPS系统 原则上不再考虑扩容。如通信系统扩容或设备更新,对新扩容或更新 的设备应优先考虑采用高压直流供电;n 10、新建IDC、IT主机类机房以及数据设备机房优先考虑采用高压直 流供电系统,从2009年开始逐步停止采购新的UPS设备;n 11、对核心网络、企业信息化平台、重要客户IT设备等仍采用UPS系 统供电的,如现有UPS系统存在使用年限长、负荷重、故障率高、供 电可靠性差等问题,从保障通信安全、兼顾设备利旧的角度考虑,结 合今年的电源安全隐患整治工作,采用高压直流系统建立可靠的备份 供电系统。 中国电信江苏公司 运行维护部 敬请各位专家批评指正!30 中国电信江苏公司 运行维护部IT设备高压直流供电技术交流 2010.3.23. 中国电信江苏公司 运行维护部主要内容 n 一、高压直流提出的技术背景 n 二、高压直流电压范围选取 n 三、单管直流供电问题研究 (直流供电时单管长时间运行,安全吗?) n 四、高压直流安全方面的技术措施 n 五、已验证的负载 n 六、江苏电信内部推进情况 中国电信江苏公司 运行维护部提出“高压直流供电”的技术背景 n 技术背景一、UPS的问题 交流UPS供电的模式在通信系统中安全性、经济性等方面 的问题越来越凸显,主要体现在以下几个方面: 1、能耗高 2、可靠性低 3、维护、扩容难度大 4、建设成本大 n 技术背景二、高频开关电源技术普及,生产成本已经低于变压 器电源 n 技术背景三、转型业务、数据通信、各种增值业务平台在电信 运营商的比重日趋增大,安全要求、节能要求与电源保障提出 了空前的要求 中国电信江苏公司 运行维护部提出“高压直流供电”的技术背景 n 解决手段----为解决UPS的问题,江苏电信盐城分公司提出通 信用240V直流供电方式(简称高压直流供电方式) 高压直流电源代替UPS电源 高压直流电源比交流UPS电源结构简单、建设成本低、运 行可靠性高、操作维修方便,最突出的优点是既安全又节能, 在当今全球能源紧张的情况下,高压直流电源代替UPS电源, 将给通信行业以及其他大规模使用IT设备的行业产生较大的经 济效益和社会效益 中国电信江苏公司 运行维护部技术背景——IT设备电源电路分析1 交 流 输入 整流 12V 输入 滤波 滤波 DC/DC 5V 3.3V 图 1. IT设备电源模块工作原理示意图 n 由图1可见, 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IT设备工作。因为输入端没有工频变压 器,所以输入直流不会产生短路阻抗,就没有必要非得交流输入 ,不用交流也就没有必要用UPS,由此因UPS交流供电引起的一切 不利因素也就自然而然地消失了。如果我们输入的直流合理配上 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UPS交流供电系统。 中国电信江苏公司 运行维护部技术背景——IT设备电源电路分析2 交流供電 12V 5V
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