电力设备行业：“彩虹桥”后备电源系统技术白皮书

版权声明 ODCC（开放数据中心委员会）发布的各项成果，受《著作权法》保护，编制单位共同享有著作权。 转载、摘编或利用其它方式使用ODCC成果中的文字或者观点的，应注明来源：“开放数据中心委员会ODCC”。 对于未经著作权人书面同意而实施的剽窃、复制、修改、销售、改编、汇编和翻译出版等侵权行为，ODCC及有关单位将追究其法律责任，感谢各单位的配合与支持。 编写组 项目经理： 王雷阿里云计算有限公司 工作组长： 李代程百度在线网络技术（北京）有限公司 贡献专家： 王朝阳阿里云计算有限公司颜雨潇阿里云计算有限公司宋海鹏阿里云计算有限公司任儒贤阿里云计算有限公司苏鹏伟阿里云计算有限公司代华健阿里云计算有限公司刘子恒杭州中恒电气股份有限公司阮迪中国信息通信研究院 前言 随着数据中心规模化发展，作为数量最多的电气设备，蓄电池故障明显增多，甚至导致业务宕机。而互联网行业普遍使用HVDC+市电末端供电架构，蓄电池不稳定性凸显，为了保障蓄电池故障时业务能继续平稳运行，从设备级catcher（捕捉）角度出发，设计了本款“彩虹桥”后备电源系统。 通过设计开发“彩虹桥”后备电源系统，实现冗余电池系统对末端服务器供电，利用二极管单向导通功能，开发保护电源控制柜、后备电源、切换换隔离装置和快接端口的一整套彩虹桥后备电源系统 ， 实 现HVDC开 路 情 况 下 无 缝 接 入 输 出 供 电 ； 打 造HVDC架构catcher产品，解决因蓄电池性能问题而引发的宕机风险。 由于时间仓促，水平所限，错误和不足之处在所难免，欢迎各位读者批评指正。如有意见或建议请联系编写组。 目录 版权声明...........................................................I编制说明..........................................................II前言...........................................................III一、术语、定义和缩略词............................................1二、规范性引用文件................................................2三、背景..........................................................3四、“彩虹桥”后备电源系统技术指标................................4（一）系统结构及原理...........................................4（二）环境参数.................................................5（三）技术参数.................................................5五、“彩虹桥”后备电源系统测试要求...............................12（一）测试目的及内容..........................................12（二）测试工具................................................12（三）硬件功能测试............................................13 “彩虹桥”后备电源系统技术白皮书 一、术语、定义和缩略词 市电直供：将市电直供给负载，但交流电网输入的雷击、浪涌、谐波、闪断等电能质量问题将直接传导给负载，可能引起负载运行问题。但市电直供IT设备时，整个电源系统的损耗只有线路损耗，没有能源转换损失，节能效果明显。 不间断供电电源（UninterruptiblePowerSupply，UPS）：是一种含有储能装置（常见的是蓄电池），以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源，它可以解决现有电力的断电、低电压、高电压、突波、杂讯等现象，使计算机系统运行更加安全可靠。 高压直流（High Voltage Direct Current，HVDC）：数据中心高压直流供电是指使用高压直流技术来为数据中心提供电力的一种方法，设备通过整流模块等设备，提供高压、稳定的电力供应。 二极管：是一种半导体器件，具有单向导电的特性。它的主要作用是在电路中起到整流、限流、降压、保护等作用。 数据中心：是指一种拥有设备（包括但不限于高速互联网接入带宽、高性能局域网络、安全可靠的机房环境、服务器、路由设备等）、专业化的管理、完善的应用服务平台。 二、规范性引用文件 三、背景 随着数据中心规模及技术持续发展，末端负载供电设备及架构也不断进行演进优化。从最初的UPS供电，不断向供电效率更高、可靠性更高、结构及控制更简单、维护更简单、供电可调节性更强、蓄电池管理能力更强的HVDC过渡。相关数据显示，在英伟达、微软、阿里、腾讯、百度等新建的中大型数据中心中大量采用更节能的HVDC方案替代传统UPS电源，金融、运营商、政企等领域HVDC方案渗透率也表现出逐年快速提升，目前HVDC市场占比约10%，动力源、中恒电气等企业均为行业主要设备供应商。考虑到成本因素，市电直供和高压直流联合供电的架构占比逐渐提升，因此对于蓄电池的后备性能要求逐渐升高。 随着数据中心规模化发展，作为数量最多的电气设备，蓄电池故障明显增多，甚至导致业务宕机。而互联网行业普遍使用HVDC+市电末端供电架构，蓄电池不稳定性凸显，为了保障蓄电池故障时业务能继续平稳运行，从设备级cather角度出发，设计了本款“彩虹桥”后备电源系统。 四、“彩虹桥”后备电源系统技术指标 （一）系统结构及原理 彩虹桥系统硬件构成上共有四个单元，分别为电源控制柜、后备电源、切换换隔离装置和快接端口。 （1）电源控制柜：起到供电变换及控制管理功能，主要部件包括整流、稳压和控制等部分。其中，整流部分对后备电源进行充放电管理；稳压部分为DC/DC模块，将电池电压变换为恒压输出； （2）后备电源：为原有“HVDC+电池“系统提供短时断电情况下的后备供电，备电时长15min，需考虑10%冗余（后备时长可根据设计情况适当放宽，不得低于5min）； （3）转换隔离装置：采用电力二极管实现，主要包括两个功能，首先是转换，电源控制柜输出电压通过该装置分配至对应的多套HVDC；其次是隔离，电源控制柜与每台HVDC用隔离桥臂连接，HVDC 输出正常情况下隔离桥臂不导通，当HVDC输出故障（输出电压低于门槛电压判定为输出故障）隔离桥臂瞬间导通，并且隔离功能可以实现不同桥臂之间隔离，避免出现局部短路或过流。转换隔离装置需具备可扩展功能，实现彩虹桥系统连接至更多的HVDC。 （4）快接端口，实现彩虹桥与HVDC的快速安装对接，对快接端口进行标准化设计，实现安装牢靠、接线方便等目的； （二）环境参数 （1）安装环境：室内（2）环境温度：-10℃～40℃（3）海拔高度：≤1500m（4）相对湿度：≤90%（40℃±2℃） （三）技术参数 1.参数要求 2.整机功能要求 彩虹桥后备电源系统由充电单元、稳压单元、电池单元、隔离单元（转接隔离）、快接端口等组成。 一路交流电源输入后通过整流器将交流输入转化为210V直流输出（内部整流模块可无损热插拔）。直流电汇流至母排后对彩虹桥电池进行浮充，同时也可以抬高充电电压使彩虹桥电池由浮充改为均充。 正常工况下，HVDC电压高于彩虹桥门槛电压（暂定210V），彩虹桥电池处于浮充或均充状态。当任一台或多台HVDC电压低于门槛电压时（电池开路故障或备电容量不足），彩虹桥桥臂导通，彩虹桥电池开始放电（要求末端供电连续无间断）。当HVDC电压回升至 高于门槛电压或触发保护时，隔离桥臂自动关闭，彩虹桥停止放电，转换至HVDC供电。 系统主监控可采集、处理交流输入、直流配电等信息，实现电池的充放电的管理，控制面板可显示交流、直流母线电源状态、系统故障信息状态。 3.部件功能要求 （1）充电模块 彩虹桥充电设备应配置足够的整流模块，保证满足均浮充条件设置，充电电流能达到0.1C。 功率因数要求： 当输入额定电压、输出满载时，模块的输入功率因数应不小于0.99。当输入额定电压、50%负载时，模块的输入功率因数应不小于0.99。 谐波要求： 当输入额定电压、输出满载时，模块的输入电流谐波应≤5%，当输入额定电压、输出半载时，模块的输入电流谐波应≤10%。 稳压精度： 稳压精度应优于±0.5%。 启动冲击电流(浪涌电流)： 由于启动引起的输入冲击电流应不大于额定输入电压条件下最大稳态输入电流峰值的150%。 （2）电池要求 设计寿命： 在浮充状态下25℃运行环境中设计寿命不少于12年。电池厂商应提供过充寿命（20℃~30℃)~、高温加速浮充寿命、循环耐久性等蓄电池寿命试验的测试报告（包括试验方法、试验地点、环境条件、测试仪表、测试数据、结论等）。 后备时长： 彩虹桥所配置的电池组采用2V蓄电池，每组配置至少115节蓄电池（截止电压需大于DC/DC模块输入电压下限200V），按初始设计负载运行15分钟后备时间设计，电池具备大电流深度放电能力。如果机房改造空间受限，可以考虑锂电池方案。 电池组配置： 电池组数配置，应采用多组并联的方式，但并联组数不应大于3组，不得少于2组。 充电指标： 环境温度在25℃时，单体浮充电压应为2.20V到2.27V，均充电压为2.30V到2.4V，此外，均充出发电流、均充时间限制、均充 延时限制、定期均充时间、放电转均充容量条件、浮充触发电流，以上参数厂商应提前给出明确建议值。 蓄电池其余要求应能满足附件《E-6-技术规格书-阀控密封铅酸蓄电池》。 （3）DC/DC稳压器 DC/DC模块可根据需求设定输入电压与输出电压，输出功率最大值需达到240kW，输出电压与设定值偏差不超过0.5%。DC/DC稳压器输出电压即为彩虹桥门槛电压，当HVDC输出电压低于门槛电压时彩虹桥接管供电，当HVDC输出电压高于门槛电压时HVDC接管供电，需要实现接管转换过程小于10ms，IT设备供电无感知。 （4）隔离功能 二极管、断路器按照机房实际情况配置，符合参数要求。隔离系统具备1+1冗余功能，避免隔离功能失效故障对系统造成影响。 （5）保护功能 系统保护： ①过流保护：彩虹桥可设置电池过流保护阀值，当彩虹桥输出过流，进行停机保护。 ②短路保护：彩虹桥具备短路保护功能，彩虹桥系统短路后，能够快速切除故障（<30ms），且不造成局部短路。 ③桥臂导通限制保护：彩虹桥可实现某个桥臂导通后，通过脱开其他支路的开关，来达到1或2个桥臂导通限制保护功能。 二极管保护： ①过温保护：彩虹桥可开启过温保护，可设定阈值A与B，当温度达到A时，开启彩虹桥风扇，当温度达到B时，切断对应支路开关。 ②短路保护：当二极管短路时，彩虹桥可检测到反向漏电流，切断对应支路开关。 ③过流保护：彩虹桥可设置支路过流保护阀值，当二极管支路过流，切断对应支路开关。 （6）监控与告警功能 彩虹桥主柜应能对整流器输入输出电压、电流、总输入功率、电量、每组蓄电池电流(充放电状态)、每个输出分路电流以及系统工作状态进行监测，并以形象直观方式(如LCD、LED等)集中显示。 彩虹桥各输出支路及蓄电池回路应设置过流保护告警装置。当出现熔断器熔断或断路器跳闸时，能发出声光告警，声音告警功能具有手动关闭告警音的功能。 系统应能根据用户的需要设置相关的运行参数，应具备掉电存储功能：所设置的运行参数在系统掉电时不应丢失，来电后应自动恢复。 系统应能显示当前告警信息并保存历史记录信息。 （7）快接插头 彩虹桥系统应具备快接线缆，并在