CN103117593A - 一种it设备双电源供电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种IT设备供电系统及方法，特别是涉及一种利用市电及高压直流电源同时进行供电的系统及方法，属通信电源技术领域。所述系统包括市电电源系统、高压直流电源系统，还包括有电源负荷控制模块，所述市电电源系统及高压直流电源系统组成双系统供电回路，并分别连接电源负荷控制模块；所述电源负荷控制模块对市电电源及高压直流电源进行负荷分配，分别输出至IT设备的第一电源模块MK1及第二电源模块MK2。本发明采用IT设备供电节能系统，是在IT设备高压直流(HVDC)系统的基础上,进一步优化的供电系统,运营中节能较完全使用HVDC系统节能效果提高5%，建设成本较完全使用HVDC系统减少20%以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种IT设备供电系统及方法，特别是涉及一种利用市电及高压直流电源同时进行供电的系统及方法，属通信电源技术领域。
背景技术
（1）采用240V高压直流（以下简称HVDC）供电系统替代交流UPS系统对IT设备供电，从根本上解决了IT系统供电安全问题，同时也获得比采用交流UPS运行更节能的效果。通过HVDC设备制造商不断改进、优化、提升节能效果，在现有技术条件下,HVDC最大效率只能达到94%左右,进一步提高效率，生产成本和设备可靠性产生了矛盾，继续挖拙HVDC系统自身的潜力,提高IT设备供电系统效率遇到了瓶颈.
（2)后备式UPS技术,虽然可以使供电系统效率很高,但是系统的安全性能不能满足IT设备的要求,长期以来,对于重要通信网络和规模较大的IT系统一直未被采用.
（3)鉴于上述原因，本发明通过改变系统架构,建立不同类型的电源系统组合应用，即采用HVDC系统和市电组成的220V交流系统同时给双电源模块的IT设备供电，达到安全和节能的双重效果。
（4）采用不同类型的电源系统组合应用，必须具备的基本条件：一是市电条件相对可靠，二是IT设备具备双电源模块输入且电气上完全隔离，三是单电源模块供电的重要IT设备，必须采用设备配置1+1冗余。根据现场调查，数据中心机楼和IDC机房，基本上都具备使用条件。
（5）采用市电组成的220V交流系统直接供电，供电效率100%，欲提高系统效率，系统运行过程中必须尽可能使用市电。HVDC系统效率94%,当两个系统负荷均分时,总体效率97%;进一步提高220V交流系统直接供电负荷率,总体效率将进一步提高.考虑到HVDC系统和IT设备内部电源模块时刻处于激活状态,保持前者负荷率80%,后者负荷率20%,总体供电效率达到99%.由于HVDC系统以及IT设备电源模块一直处在激活状态，一旦市电失电，HVDC系统可以无延时地提供100%负荷。在保证可靠性不降低的前提下，比单纯使用HVDC系统提高节能效果5%。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种利用市电及高压直流电源同时对IT设备进行供电的系统。
本发明的技术方案如下：
一种IT设备双电源供电系统，所述系统包括市电电源系统、高压直流电源系统，其特征在于：
还包括有电源负荷控制模块，所述市电电源系统及高压直流电源系统组成双系统供电回路，并分别连接电源负荷控制模块；
所述电源负荷控制模块对市电电源及高压直流电源进行负荷分配，分别输出至IT设备的第一电源模块MK1及第二电源模块MK2。
进一步的，所述系统的市电电源系统还进一步包括一工频滤波装置，所述工频滤波装置抑制IT设备向市电电源系统输送谐波。
进一步的，所述系统的市电电源系统还进一步包括一D级防雷装置，吸收市电电源系统或该系统发电机产生的浪涌电压。
进一步的，所述系统包括一末端控制单元，所述单元的配电分两侧分布，中间采用相应等级的绝缘材料分隔，两侧配电各成系统，电气上完全隔离，根据综合集装架设定的总负荷和分路负荷大小，配置相适应的微型断路器控制与保护，输入采用双极微型断路器、输出采用单级微型断路器。
进一步的，所述系统包括一双电源输入头柜，完成系统中的二级直流分配，所述头柜按双电源输入，配电分两侧分布，中间有明显的物理空间间隔或采用相应等级的绝缘材料分隔，两侧配电各成系统，电气上完全隔离，输出分路根据综合集装架设定的总负荷采用相应容量的断路器或熔断器保护。
一种IT设备双电源供电方法，所述方法如下：
同时利用市电电源系统及高压直流电源系统组成双系统供电回路；
市电电源系统及高压直流电源系统分别连接一电源负荷控制模块；
电源负荷控制模块对市电电源及高压直流电源进行负荷分配，分别输出至IT设备的第一电源模块MK1及第二电源模块MK2；
通过控制电源负荷控制模块，控制市电电源系统及高压直流电源系统在IT设备上的负荷分担。
所述方法进一步的，在市电电源系统上安装一工频滤波装置，抑制IT设备向市电电源系统输送谐波。
所述方法进一步的，在市电电源系统上安装一D级防雷装置，吸收市电电源系统或该系统发电机产生的浪涌电压。
所述方法进一步的，所述方法进一步设置一末端控制单元，所述单元的配电分两侧分布，中间采用相应等级的绝缘材料分隔，两侧配电各成系统，电气上完全隔离，根据综合集装架设定的总负荷和分路负荷大小，配置相适应的微型断路器控制与保护，输入采用双极微型断路器、输出采用单级微型断路器。
所述方法进一步的，所述方法进一步设置一双电源输入头柜，完成系统中的二级直流分配，所述头柜按双电源输入，配电分两侧分布，中间有明显的物理空间间隔或采用相应等级的绝缘材料分隔，两侧配电各成系统，电气上完全隔离，输出分路根据综合集装架设定的总负荷采用相应容量的断路器或熔断器保护。
一种用于IT设备双电源供电的内部电源模块，其特征在于：所述模块包括输入电源性质检测电路、负荷分配控制电路及IT设备电源模块脉宽调制电路；
所述电源性质检测电路包括：电容（C1、C2）、电阻（R1）、整流器（D1）及直流继电器（J1）；所述电容（C1）隔直；整流器（D1）将输入的交流电源转换为直流，以驱动直流继电器（J1）的开闭；所述电容（C2）及继电器（J1）相并联，电容（C2）与电容器（C1）分压，保证电容器（C1）两端的电压在直流继电器（J1）的工作范围；所述电源性质检测电路还包括电阻（R1），所述电阻（R1）与电容（C2）并联，保证市电电压在一定的范围内波动时，直流继电器（J1）的电压在工作电压范围内；
所述负荷分配控制电路包括电阻（R2、R3）及分压电阻（R4），所述分压电阻（R4）通过直流继电器（J1）的动合接点接入与电阻（R3）并联；再与电阻（R2）串联；电阻（R4）与电阻（R3）并联的分压为输出取样电压Us；
所述IT设备电源模块脉宽调制电路包括运算放大器（A1、A2）；所述运算放大器（A1）的同相输入端输入电压为Us，反相输入端输入基准电压U1，其输出端Ud作为运算放大器（A2）同相输入端，运算放大器（A2）的反相输入端为三角波信号，Ud与三角波信号进行比较后，运算放大器（A2）输出脉宽调制方波信号至IT设备的电源模块。
进一步的，所述直流继电器采用光耦器件。
进一步的，所述电源负荷控制模块分散安装在每个IT设备的电源模块内部；或对于批量同一功率负荷的IT设备，所述电源负荷控制模块集中安装在机架内实施采用一对多的控制；或采用分散与集中相结合的安装方式。
一种控制模块的电源负荷控制方法，其特征在于，所述方法如下：
有一电源性质检测电路，该电路检测当前供电电源的种类；当检测到当前电源为市电电源时，整流器（D1）将交流电变成直流继电器（J1）可用的直流电源；电容（C1）与电容（C2）组成分压电路，保证电容（C2）两端的电压满足直流继电器（J1）的工作电压；
又一负荷分配控制电路，该电路的分压电阻（R4）通过直流继电器（J1）的动合接点j1接入，与电阻（R3）并联后，与电阻（R1）组成分压电路，使得电阻（R3）两端的电压变小，即输出取样电压Us变小；
又一IT设备电源模块脉宽调制电路，输出取样电压Us通过电路的运算放大器（A1）输出的Ud变小，Ud与一三角波进行比较产生一脉宽调制方波信号，其波宽受Ud大小控制，这个方波通过电源模块内部光耦送至整流模块驱动信号，使该模块输出增大。
进一步的，通过调节分压电阻（R4）的大小，调整整流模块输出增大的比例。
本发明的有益效果在于：
本发明参考了企业系统集成方法论，结合高频开关电源现有技术条件和成熟度以及IT设备结构的发展趋势，在运行可靠性保障的前提下，进一步提升IT系统运行节能效果。
（1)将通常采用单系统双回路供电的模式改为双系统单回路供电模式,双系统分别由HVDC供电系统和市电直供系统构成.HVDC系统对IT设备起安全保障作用；市电直供系统为进一步提高节能效果提供了途径。
（2)对IT设备电源模块增加补丁，补丁内容为输入电源性质检测电路、负荷分配控制电路。增加补丁后，仍然具备通用性，IT设备工作方式不仅适用该优化系统，同时对优化前的各种架构的供电系统全部兼容。
（3）采用IT设备供电节能系统，是在IT设备高压直流(HVDC)系统的基础上,进一步优化的供电系统,运营中节能较完全使用HVDC系统节能效果提高5%，建设成本较完全使用HVDC系统减少20%以上。
附图说明
图1是本发明的IT设备双电源供电系统结构图。
图2为IT设备电源模块负荷分摊示意图。
图3是本发明的IT设备双电源供电总体架构图。
图4是本发明的电源性质检测电路电路图。
图5是本发明的负荷分配控制电路电路图。
图6是本发明的IT设备电源模块脉宽调制电路电路图。
图7-1、图7-2本发明的IT设备电源模块脉宽调制电路的输出自动控制波形示意图，其中U01与Us1和U02与Us2分别指两个IT电源模块工作原理图，输出脉宽的是交流输入，输出脉窄的HVDC输入。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步的阐述。
图1是本发明的IT设备双电源供电系统结构图。如图1所示，所述系统包括市电电源系统、高压直流电源系统，其特征在于：
还包括有电源负荷控制模块，所述市电电源系统及高压直流电源系统组成双系统供电回路，并分别连接电源负荷控制模块；
所述电源负荷控制模块对市电电源及高压直流电源进行负荷分配，分别输出至IT设备的第一电源模块MK1及第二电源模块MK2。通过电源负荷控制模块对IT设备的第一电源模块MK1及第二电源模块MK2的负荷进行控制与分配，以进一步的提高效率及系统稳定性。IT设备也可能存在多个电源模块，则分别对应至MK11、MK12……MK1n；MK21、MK22……MK2n。
本发明的IT设备双电源供电系统由一路市电与一路HVDC组成双系统供电。市电直供系统为进一步提高节能效果提供了途径，HVDC系统对IT设备起安全保障作用。市电正常时，市电直供系统提供大部分负荷，市电停电时，HVDC系统承担全部负荷，HVDC系统蓄电池配置的容量保证市电停电到市电（或油机）恢复所需的全部电能。
为了提高交流市电（或油机）对IT设备供电的稳定性和安全性，输入部分增加工频滤波装置和D级防雷。工频滤波装置抑制IT设备向市电电源系统输送谐波。D级防雷装置，吸收市电电源系统或该系统发电机产生的浪涌电压。
如图2所示为IT设备电源模块负荷分摊示意图。系统1对IT设备电源模块（MK1）供电负荷占比为80-85%；系统2对模块（MK2）供电负荷占比为20-15%。由于IT设备全部电源模块MK都安装相同的补丁，所以MK1与MK2对应的供电系统可以是随机的。
图3是本发明的IT设备双电源供电总体架构图。系统由市电直供系统、HVDC系统、双电源输入头柜、双电源末端控制单元（PDU）组成。
市电直供系统，交流三相四线输入，A、B、C分别单相输出，A、B、C三相分别作为不同的头柜总输入，输入前端安装工频滤波装置和D级防雷，其功率按头柜总负荷配置。
HVDC系统，由240V高频开关电源和蓄电池组成。高频开关电源交流三相四线输入，240V直流输出，与蓄电池并联浮充；高频开关电源整流模块总容量配置按20%负载容量加蓄电池充电容量，蓄电池按支撑系统总时长配置容量。
头柜按双电源输入，配电分两侧分布，中间有明显的物理空间间隔或采用相应等级的绝缘材料分隔，两侧配电各成系统，电气上完全隔离，输出分路根据综合集装架设定的总负荷采用相应容量的熔断器保护。
组合末端控制单元（PDU），双电源输入，配电分两侧分布，中间采用相应等级的绝缘材料分隔，两侧配电各成系统，电气上完全隔离，根据综合集装架设定的总负荷和分路负荷大小，配置相适应的微型短路器控制与保护，输入采用双极微型短路器、输出采用单级微型短路器。
考虑到现场两套不同类型的电源系统安装位置的随机性，末端控制单元（PDU）双电源输入连接的随意性，PDU输入采用的双极微型短路器、输出采用的单级微型短路器均应选用(符合GB10963.2-2008)交直流兼容的产品。
图4-图6分别是本发明的电源性质检测电路电路图、负荷分配控制电路电路图及IT设备电源模块脉宽调制电路电路图。
其中，电源性质检测电路包括：电容（C1、C2）、电阻（R1）、整流器（D1）及直流继电器（J1）；所述电容（C1）隔直；整流器（D1）将输入的交流电源转换为直流，以驱动直流继电器（J1）的开闭；所述电容（C2）及继电器（J1）相并联，电容（C2）与电容器（C1）分压，保证电容器（C1）两端的电压在直流继电器（J1）的工作范围；所述电源性质检测电路还包括电阻（R1），所述电阻（R1）与电容（C2）并联，保证市电电压在一定的范围内波动时，直流继电器（J1）的电压在工作电压范围内；
负荷分配控制电路包括电阻（R2、R3）及分压电阻（R4），所述分压电阻（R4）通过直流继电器（J1）的动合接点接入与电阻（R3）并联；再与电阻（R2）串联；电阻（R4）与电阻（R3）并联的分压为输出取样电压Us；
IT设备电源模块脉宽调制电路包括运算放大器（A1、A2）；所述运算放大器（A1）的同相输入端输入电压为Us，反相输入端输入基准电压U1，其输出端Ud作为运算放大器（A2）同相输入端，运算放大器（A2）的反相输入端为三角波信号，Ud与三角波信号进行比较后，运算放大器（A2）输出脉宽调制方波信号至IT设备的电源模块。
本发明的控制模块的电源负荷控制方法如下：
有一电源性质检测电路，该电路检测当前供电电源的种类；当检测到当前电源为市电电源时，整流器（D1）将交流电变成直流继电器（J1）可用的直流电源；电容（C1）与电容（C2）组成分压电路，保证电容（C2）两端的电压满足直流继电器（J1）的工作电压；
又一负荷分配控制电路，该电路的分压电阻（R4）通过直流继电器（J1）的动合接点j1接入，与电阻（R3）并联后，与电阻（R1）组成分压电路，使得电阻（R3）两端的电压变小，即输出取样电压Us变小；
又一IT设备电源模块脉宽调制电路，输出取样电压Us通过电路的运算放大器（A1）输出的Ud变小，Ud与一三角波进行比较产生一脉宽调制方波信号，其波宽受Ud大小控制，这个方波通过电源模块内部光耦送至整流模块驱动信号，使该模块输出增大。
其动作过程如下：若MK1由市电供给，同时MK2由高压直流供给。检测回路检测到主用电源模块MK1输入为交流，继电器J动作，继电器接点j处于闭合状态，如图5所示，输出取样Us↓，Ud↓,PWM↑,U0↑使得主用电源模块输出80-85%的负荷，如图7-1网格线面积所示。
检测回路检测到MK2输入为高压直流供给时，C1隔直，继电器J不动作，开关j处于断开状态，Us、，Ud、PWM、U0保持常态,由于MK1的U0↑，使得MK2输出下降到20-15%的负荷，如图7-2剖面线面积所示。
当MK1输入的市电中断或故障，MK2自动承担100%负荷。
当MK1、MK2均由交流供电，MK1、MK2的Us、U0均一致，负荷均分。
当MK1、MK2均由高压直流供电时，MK1、MK2的Us、U0均一致，负荷均分。
采用两种不同类型的供电系统，尤其是采用了市电直接供电系统，对IT设备供电，便根据节能需要，自动实现不同系统运行不同负荷率，这是本发明的核心内容。
采用IT设备供电节能系统，是在IT设备高压直流(HVDC)系统的基础上,进一步优化的供电系统,运营中节能较完全使用HVDC系统节能效果提高5%，建设成本较完全使用HVDC系统减少20%以上。
Claims (10)
1.一种IT设备双电源供电系统，所述系统包括市电电源系统、高压直流电源系统，其特征在于：
还包括有电源负荷控制模块，所述市电电源系统及高压直流电源系统组成双系统供电回路，并分别连接电源负荷控制模块；
所述电源负荷控制模块对市电电源及高压直流电源进行负荷分配，分别输出至IT设备的第一电源模块MK1及第二电源模块MK2。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统的市电电源系统还进一步包括一工频滤波装置，所述工频滤波装置抑制IT设备向市电电源系统输送谐波。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统的市电电源系统还进一步包括一D级防雷装置，吸收市电电源系统或该系统发电机产生的浪涌电压。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统包括一末端控制单元，所述单元的配电分两侧分布，中间采用相应等级的绝缘材料分隔，两侧配电各成系统，电气上完全隔离，根据综合集装架设定的总负荷和分路负荷大小，配置相适应的微型断路器控制与保护，输入采用双极微型断路器、输出采用单级微型断路器。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统包括一双电源输入头柜，完成系统中的二级直流分配，所述头柜按双电源输入，配电分两侧分布，中间有明显的物理空间间隔或采用相应等级的绝缘材料分隔，两侧配电各成系统，电气上完全隔离，输出分路根据综合集装架设定的总负荷采用相应容量的断路器或熔断器保护。
6.一种IT设备双电源供电方法，其特征在于，所述方法如下：
同时利用市电电源系统及高压直流电源系统组成双系统供电回路；
市电电源系统及高压直流电源系统分别连接一电源负荷控制模块；
电源负荷控制模块对市电电源及高压直流电源进行负荷分配，分别输出至IT设备的第一电源模块MK1及第二电源模块MK2；
通过控制电源负荷控制模块，控制市电电源系统及高压直流电源系统在IT设备上的负荷分担。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在市电电源系统上安装一工频滤波装置，抑制IT设备向市电电源系统输送谐波。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在市电电源系统上安装一D级防雷装置，吸收市电电源系统或该系统发电机产生的浪涌电压。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述方法进一步设置一末端控制单元，所述单元的配电分两侧分布，中间采用相应等级的绝缘材料分隔，两侧配电各成系统，电气上完全隔离，根据综合集装架设定的总负荷和分路负荷大小，配置相适应的微型断路器控制与保护，输入采用双极微型断路器、输出采用单级微型断路器。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述方法进一步设置一双电源输入头柜，完成系统中的二级直流分配，所述头柜按双电源输入，配电分两侧分布，中间有明显的物理空间间隔或采用相应等级的绝缘材料分隔，两侧配电各成系统，电气上完全隔离，输出分路根据综合集装架设定的总负荷采用相应容量的断路器或熔断器保护。
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