[摘要] 智能高压直流PUD供电系统是一种全新的供电模式，是专为IT设备设计的新型不间断、高可靠性供电系统，代替传统的UPS给相关设备、负荷供电。相对传统UPS而言，PDU具有低投资成本、高可靠性、高效率、绿色环保、维护极其容易等显著特点，广泛应用于电力监控机房、LCD显示器的计算机系统，为一些重要设备如IDC机房、金融系统、航天控制、医疗仪器、数据管理系统等提供不间断的直流电源。
关建词 高压直流 PDU UPS 不间断供电 数据中心
0 引言
智能高压直流PDU供电技术已在国内多个运营商建设项目中得到了大量应用，并凭借其在实际应用中表现出的高可靠性、高节能效果以及运行成本低的优异特质，成为数据中心的供电“新宠”，得到了各大运营商的高度肯定和大力支持。用智能高压直流PDU供电系统替代传统的UPS供电，整个生命周期内平均节能20%~30%，平均节省投资超过40%，更重要的是，由于该系统从根本上克服了UPS存在的单点故障问题，且维护操作简便，使系统的安全性、可靠性得以大幅提高。
1 高压直流PDU供电系统原理
1.1 系统概念
PDU（Power Distribution Unit）是指电源分配单元，智能PDU通过对机房、机柜内部各种末端设备或对供电系统内部的电流电压进行实时监测和反馈，来帮助运维人员及时调整各种设备工作状态，从而提升供电系统的可靠性，节省电能。从应用来看，智能PDU具备电源分配与电源管理功能，电源分配是指电流、电压和接口的分配，电源管理是指开关控制（包括远程控制）、电路中的各种参数监视、线路切换、承载的限制、电源插口匹配安装、线缆的整理、空间的管理及电涌防护和极性检测等。可以说，智能PDU能够使电力更加科学地为人所用。本文的高压直流（240V）是相对传统的-48V直流通信电源而言的。
1.2 系统原理
高压直流PDU供电系统主要由交流配电单元、整流模块、蓄电池、直流配电单元、电池管理单元、绝缘监测单元及监控模块组成，如图1所示。正常工作时，整流模块将交流配电源输出的380V交流转换成240V高压直流，高压直流经直流配电单元给通信设备供电，同时也给蓄电池充电。当交流输入发生故障时，由蓄电池给通信设备供电。
2 系统组成
2.1 交流配电单元
交流配电单元将两路市电经自动或手动切换分配到各个整流模块中，并配有C、D两极防雷保护系统。
2.2 整流模块
高频开关整流模块是系统的核心部分，它采用高频开关技术将交流变换成直流（AC/DC），给负载供电，同时对电池充电。高频开关整流模块具有以下特点：
（1）交流输入电压范围宽，适用于恶劣工作环境；
（2）采用双DSP数字电路控制技术，控制方法灵活、精度高、抗干扰能力强；
（3）采用CAN通信方式，实时响应快；
（4）纯软件均流，无主监控也可实现模块间自主均流；
（5）模块具有输入过压欠压、输入过流、输入缺相、输出过压欠压、输出短路、温度控制等完善的保护功能；
（6）采用较完善的电路板防尘、防潮处理。
2.3 蓄电池
蓄电池是保证不间断供电的关键，在交流停电时，由蓄电池给负载供电。目前，蓄电池均采用阀控式铅酸蓄电池。
2.4 直流配电单元
直流配电单元通过直流专用空开输出到分配柜，再由开列头柜输出到各服务器，来给服务器提供直流电源。
2.5 监控模块
监控模块是整个系统的“大脑”和“眼睛”，担负着各单元实时运行情况的监测和处理重任。监控模块具有以下特点：
（1）采用稳定的UC/OS 操作系统内核，使系统运行更加稳定可靠；
（2）多串口并行通信确保了采样数据的实时性，真正做到监控系统的实时快速控制和监测；
（3）软件升级方式多样化，可以通过485接口进行升级；
（4）提供人机接口，通过128×96LCD液晶实现系统运行参数显示、系统控制操作、系统参数设置和系统维护等；
（5）监测电池电压及充放电电流，根据蓄电池的充电特性曲线及特点，控制充电机自动完成对蓄电池的充电及充电方式的转换，对单体蓄电池状态进行在线监测，放电、充电电压随温度自动补偿；
（6）后台通信采用YD/T和Modbus协议以及RS-485串行通信接口，支持2 400、4 800、9 600、19 200、38 400bit/s波特率；
（7）监控为自身故障和系统故障提供开出节点，具有B码对时功能；
（8）具有告警统计输出和记录存储功能，能存储1 024条记录。
2.6 电池管理单元
电池管理单元可实时检测每节电池的端电压、电池组内阻、电池组端电压、充放电电流和温度等参数，并上送给监控模块，保证电池组随时处在正常工作状态。
2.7 绝缘监测单元
绝缘监测单元可对直流母线、输出分路对大地的绝缘状况进行实时监测，保证设备和操作人员的人身安全。
2.8 DC/DC装置
DC/DC(DC 240V/DC 48V)装置是将直流240V变换为48V，以满足有些机站48V通信电源的要求。
3 高压直流PDU供电系统对交流UPS供电系统的优势
3.1 提升可靠性
高压直流供电技术引入的主要目的就在于提升系统的安全性。UPS系统本身仅并联主机具有冗余备份，系统组件之间更多地是串联关系，其可用性是各部分组件可靠性的连乘结果，总体可靠性低于单个组件的可靠性。反观PDU直流系统，系统的并联整流模块、蓄电池组均构成了冗余关系，不可靠性是各组件连乘结果，总体可靠性高于单个组件的可靠性。理论计算和运行实践都表明，PDU直流系统的可靠性要远远高于UPS系统。
3.2 提高效率
目前大量使用的UPS主机均为在线双变换型，在负载率大于50%时，其转换效率与开关电源相近。但一个不容忽视的现实是，为了保证UPS系统的可靠性，UPS主机均采用n+1（n=1、2、3…）方式运行，加之受后端负载输入的谐波和波峰因数影响，UPS主机并不能满足运行要求，通常UPS单机的设计最大稳定运行负载率仅为35%～53%。UPS主机单机长期运行在很低的负载率，其转换效率通常为80%多，甚至更低。对于PDU直流系统而言，因其采用模块化结构，可根据输出负载的大小，由监控模块、监控系统或现场值守人员灵活控制模块的开机运行数量，使整流器模块的负载率始终保持在较高的水平，从而使系统的转换效率保持在较高的水平。
3.3 改善技术参数
现场测试发现，目前常用的12脉冲在线双变换型UPS主机加装11次滤波器后，其输入功率因数通常在0.8～0.9，最大仅为0.95，输入电流谐波含量通常在7.5%左右。与此对应地，由于PFC电路的应用，额定工况下开关整流器模块的输入功率因数通常都在0.99以上，输入电流谐波含量通常在5%以下，大大降低了谐波的对电网和负载的污染。输入参数改善的直接效果是，前端设备的容量可以大大降低，前端低压配电柜可不再配置电抗器，从而降低了补偿电容的耐压要求。
3.4 提高负载能力
UPS系统带载能力受两个因素的制约，一是负载的功率因数，以国内某大型UPS厂商的某型主机为例，在输出功率因数为0.5（容性）时，其最大允许负载率仅为50%；二是负载的电流峰值系数，通常UPS主机的设计波峰因数为3，若负载的电流峰值系数大于3，则UPS主机将降容运行。PDU直流系统则不存在功率因数的问题，因其并联了内阻极低的大容量蓄电池组，加之整流器模块有大量的富余（充电和备用），其负载高电流峰值系数的负荷能力很强，不需专门考虑安全富余容量。
3.5 便于割接改造
对于采用UPS供电的设备来说，除非其采用双电源（或四电源、六电源），或专门配有STS设备，否则通常只能采用停电方式割接。而PDU直流电源只要做到输出电压和极性相同即可连接到一起，极为方便地实现了不停电割接。
3.6 降低投资建设费用
实践证明，PDU直流系统投资仅是UPS方案的2/3，其原因主要是没有UPS柜，且仅有交流整流输入电缆，没有旁路回路电缆。对于前端电源部分，经粗略测算，采用高压PDU直流方案，市电和油机供电系统成本约可减少20%～25%。对于机房部分，采用UPS方案和高压直流PUD供电方案，所占用的机房面积基本相同；但采用高压直流PDU供电方案时，开关电源安装区域机房荷载要求大大低于UPS机房，经粗略测算，机房土建成本约降低10%。对以上投资加权后，采用高压直流PDU供电方案总投资降低约30%。
需要说明的是，采用高压直流PDU供电方案，不仅电源系统可分期建设，系统的电源模块也可根据需要分期增加，考虑投资折现率后，其投资节约率将更加明显。
3.7 减小故障维修概率和维护成本
在维修成本方面，高压直流PDU供电系统采用的整流模块化结构在现场替换非常方便，而且由于直流供电系统的可靠性远高于交流UPS系统，故维修概率也将大大减小。
4 结束语
为了配合高压直流PDU供电系统的落地使用，各大服务器厂商也开始打造符合其使用的设备。目前，已在高压直流PDU系统中投用的设备主要有IBM服务器、DELL服务器、HP服务器、思科路由器、华为交换机、HP及联想台式机等。
通信用高压直流PDU供电系统以高可靠性、高节能效果以及运行成本大幅降低的优异特质，成为数据中心的供电“新宠”，得到了各大运营商的高度肯定和大力支持，应在电力通信中推广使用。为此，正研发适用于电力通信的高压直流PUD供电系统。
