文｜中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)信息通信專業(yè)委員會(huì)數(shù)據(jù)中心工作組 朱 華

1 高壓直流應(yīng)用背景

1.1 傳統(tǒng)的新挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)中心行業(yè)一直采用UPS 電源系統(tǒng)供電或低壓直流系統(tǒng)（48V）供電。隨著IDC業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的UPS供電模式在安全性、經(jīng)濟(jì)性方面凸現(xiàn)出很多問題；為了提高能效，提升可靠性，降低成本以應(yīng)付高速增長的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器規(guī)模。我們采用高壓直流（標(biāo)稱240VDC）供電系統(tǒng)向IT 設(shè)備供電，以低投資、高可靠性、低運(yùn)營成本的優(yōu)勢向傳統(tǒng)的UPS交流供電模式提出了新的挑戰(zhàn)。

本文將從高壓直流背景、高壓直流的配電優(yōu)勢、高壓直流運(yùn)營情況分析、高壓直流技術(shù)未來發(fā)展趨勢幾方面來簡單闡述高壓直流在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。

1.2 全球行業(yè)研究方向

（1）美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的研究，400V高壓直流供電系統(tǒng)

美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)于2006年進(jìn)行了一項(xiàng)旨在提高IDC機(jī)房能效的研究，研究結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)條件下，機(jī)房采用400V直流供電比UPS供電實(shí)現(xiàn)節(jié)電7%。同時(shí)，直流供電系統(tǒng)具有更簡單的結(jié)構(gòu)和更高的可靠性。盡管業(yè)界對這項(xiàng)研究的過程和結(jié)果還有許多值得討論的地方，但這項(xiàng)研究是第一次針對IDC機(jī)房應(yīng)用環(huán)境就直流和交流供電方式進(jìn)行了系統(tǒng)的比較研究，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果為業(yè)界后續(xù)研究提供了很好的借鑒。技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

這個(gè)技術(shù)的不足點(diǎn)是需要改變整個(gè)電源的產(chǎn)業(yè)鏈，因此在推廣中變得異常困難。

（2）日本NTT的應(yīng)用研究，270V直流供電系統(tǒng)

隨著技術(shù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展，在前期研究的基礎(chǔ)上，NTT于2008年構(gòu)建了兩套380V直流系統(tǒng)進(jìn)行IDC高壓直流應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

日本的電源系統(tǒng)架構(gòu)有一點(diǎn)特殊之處，電池沒有直接連接于電源母線，而是通過一個(gè)電壓補(bǔ)償器與母線連接。這種架構(gòu)的好處是可以使電源母線電壓盡量保持穩(wěn)定，方便后端負(fù)載的電源設(shè)計(jì)。不足之處是電池組需要獨(dú)立的充電器和補(bǔ)償器。此外，二極管串接于電池供電回路，增加損耗。在這種供電架構(gòu)下，電源輸出標(biāo)稱電壓和電池組節(jié)數(shù)沒有對應(yīng)關(guān)系，這點(diǎn)值得注意。該種技術(shù)架構(gòu)不足點(diǎn)是電池不是直接掛在母線之上，增加了配電架構(gòu)中的不可靠性。

（3）法國電信的研究，336V高壓直流系統(tǒng)

法國電信是較早研究服務(wù)器高壓直流供電的運(yùn)營商之一，法國電信從2008年開始針對服務(wù)器機(jī)房高壓直流供電問題著手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與48V通信電源方式類似，采用電源設(shè)備直接為服務(wù)器供電，電池組通過保護(hù)器件直接掛接在母線的備電方式。實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)稱電壓336V，兼容168只鉛酸電池的工作方式。高壓直流經(jīng)機(jī)架上的DC/DC模塊降壓后為服務(wù)器供電。

圖2

（4）韓國電信的研究，300V的高壓直流系統(tǒng)

韓國電信研究的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)是目前網(wǎng)上存在大量的交流服務(wù)器，高壓直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮兼容目前的交流服務(wù)器，在此基礎(chǔ)上提出了標(biāo)稱電壓300V的直流系統(tǒng)，電池組采用150節(jié)鉛酸電池串接，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用300V直流供電系統(tǒng)，比采用UPS供電方式系統(tǒng)效率提高14%～15%，可靠性也有大幅提高。

考慮目前的服務(wù)電源輸入電壓上限一般為264VAC，針對部分交流器采用300V的輸入電池組的均充電壓將達(dá)到360V，這可能會(huì)引起服務(wù)器電源輸入過壓保護(hù)。針對這個(gè)問題，相關(guān)的研究報(bào)告沒有做進(jìn)一步說明。

1.3 為什么選擇240VDC 等級

高壓直流240VDC電源，以其高可靠性的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備（斷路器開合）的控制。 我們通常在中壓或者高壓用戶站看到圖3這樣的設(shè)備。

圖3

這就是我們進(jìn)行中國高壓直流研究的基礎(chǔ)設(shè)備，但是，由于應(yīng)用場景的不同，這些高壓直流設(shè)備的諧波非常大，某些產(chǎn)品THDI可以達(dá)到60%，應(yīng)用在規(guī)模數(shù)據(jù)中心里面，顯然是有問題的，因此我們對高壓直流模塊進(jìn)行少許拓?fù)涞母脑欤种葡惹按笾C波等問題，同時(shí)增加休眠控制、漏電流監(jiān)控等新功能，應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心配電主架構(gòu)，此直流電壓等級可直接兼容標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器的電源。

1.4 兼容標(biāo)準(zhǔn)IT設(shè)備電源

圖4和圖5是標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器的開關(guān)電源，在交流220V和直流270V輸入情況下的整流橋工作狀態(tài)，在直流輸入的情況下，整流橋中只有一半整流管工作，過整流元件的平均電流一定，電流脈動(dòng)成份越小，發(fā)熱量更小，對于輸入電壓的問題，服務(wù)器開關(guān)電源通常整流橋后為PFC電路，電壓通常為400V，而且輸入電壓范圍很寬，200VDC以上都能正常工作。因此，中國的高壓直流（標(biāo)稱240VDC，實(shí)際工作電壓270VDC）可以直接兼容標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 AC220V情況下整流橋工作情況

圖5 DC270V情況下整流橋工作情況

2 高壓直流的配電優(yōu)勢

2.1 概述

（1）設(shè)備負(fù)載率高，加上節(jié)能休眠管理，可以大大提高系統(tǒng)整體效率。

（2）拓?fù)浜唵危姵刂苯訏煸谀概派?，且電源模塊N+1冗余，可靠性高。

（3）電源模塊達(dá)到插拔式的便利程度，可在機(jī)柜內(nèi)按需在線擴(kuò)容。

（4）并機(jī)擴(kuò)容無交流電源幅度、相位和頻率的同步要求，機(jī)柜擴(kuò)容簡單。

（5）標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜設(shè)備，可以集中能源池布置，也分散到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備群中布置。

（6）現(xiàn)場更換故障電源模塊簡易，一線運(yùn)維人員即可操作。

總結(jié)起來，拓?fù)浜唵?、模塊化結(jié)構(gòu)、效率更高。

2.2 簡化電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

簡單的高壓直流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以達(dá)到同樣的可用性，而UPS并機(jī)加STS切換較之高壓直流供電結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多。如圖6所示。

2.3 可靠性計(jì)算

電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越簡單，系統(tǒng)可靠性就越高，高壓直流可靠性遠(yuǎn)大于UPS，從圖7的可靠性計(jì)算，單系統(tǒng)UPS的可用性達(dá)到5個(gè)9，而同樣單系統(tǒng)的高壓直流系統(tǒng)可以輕松達(dá)到7個(gè)9，這得益于其拓?fù)浜唵巍?/p>

2.4 轉(zhuǎn)化效率計(jì)算

在低負(fù)載率的情況下，通過對交流220V，直流48V，高壓直流240V的配電架構(gòu)上的各個(gè)轉(zhuǎn)換器件的效率對比，我們可以從圖8看出，采用高壓直流的配電技術(shù)將比48V供電提升8%，比220V配電提升26%，當(dāng)然這個(gè)是理論計(jì)算值，實(shí)際上會(huì)有所偏差。

2.5 全模塊化便于維護(hù)

高壓直流全部模塊化，可熱插拔；同時(shí)兩套系統(tǒng)的電池可母聯(lián)，這樣可在線維修或割接。關(guān)于易維護(hù)這點(diǎn)，我們曾經(jīng)請教過從業(yè)二十幾年的動(dòng)力維護(hù)工程師，在他的記憶中，數(shù)據(jù)中心的UPS產(chǎn)生故障后，從來都是判斷故障可能性，聯(lián)系廠家現(xiàn)場維修，從來沒有在UPS發(fā)生故障時(shí)，自己真正的動(dòng)手維護(hù)過，盡管他是有著二十年的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。使用高壓直流后，只需要稍加培訓(xùn)過的技工，就可以根據(jù)故障單指引準(zhǔn)確地拔出故障模塊，替換上高壓直流模塊，簡單而且準(zhǔn)確，因此高壓直流的模塊化是其展現(xiàn)強(qiáng)大應(yīng)用前景的比較突出的優(yōu)勢。如圖9所示。

圖6

圖7

3 高壓直流的運(yùn)營分析

3.1 開關(guān)電源適用性及壽命

（1）從電壓（峰值）等級分析

220VAC給后級的電壓為220×1.414=311V，而高壓直流為270V，交流的電壓更高。

圖8

圖9

（2）從電流方面分析

高壓直流電壓升高了，但電流減少，二極管功耗減少；交流220V輸入電流為類似正弦波，電流峰值大，電流有效值偏大。

（3）從熱量方面分析

整流橋采用同一散熱片散熱，總散功率不變；直流輸入，無脈動(dòng)成分；而交流輸入脈動(dòng)大，發(fā)熱量更大（二極管反向恢復(fù)少）。

（4）從安規(guī)距離方面分析

交流220VAC輸入時(shí)峰值為311V，不管是爬電還是電氣間隙都要求更大；而且交流輸入下寄生電容導(dǎo)致的漏電更多，但是使用高壓直流沒有這個(gè)問題。

從圖10二極管伏安特性中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器開關(guān)電源在輸入高壓直流后，其二極管兩兩工作在飽和區(qū)或者截至區(qū)，工作狀態(tài)不變且穩(wěn)定，無脈動(dòng)，這就等同于我們的水庫大壩，要不就開閘放水，要不就蓄水，如果水庫呈波浪型沖擊大壩，大壩壽命豈不受到嚴(yán)重影響。

圖10

3.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的兼容性

筆者歷時(shí)三個(gè)月，選用目前主流的接入和核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，輸入高壓直流，同時(shí)結(jié)合交換機(jī)的設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)測試，結(jié)果全部通過，交換機(jī)在高壓直流下，工作穩(wěn)定，完成各項(xiàng)業(yè)務(wù)極限測試。如圖11、圖12、圖13、圖14、圖15、圖16所示。

圖11 Cisco高壓直流支持

圖12 Force10 高壓直流支持

圖13 H3C 高壓直流支持

圖14 Juniper 高壓直流支持

3.3 服務(wù)器的兼容性

筆者通過對 DELL、HP、IBM、EMC、聯(lián)想、華為品牌服務(wù)器及存儲(chǔ)200多個(gè)型號的機(jī)器測試通過。在判斷開關(guān)電源是否應(yīng)用高壓直流時(shí)，可用模擬萬用表測試，阻值上百歐的說明有變壓器，不支持；幾十千歐以上的支持上電測試。同時(shí)負(fù)載設(shè)備電源只要符合SSI、ATX標(biāo)準(zhǔn)，不增加交流電檢測、頻率檢測功能的，都兼容高壓直流。

圖15 Arista 高壓直流支持

圖16 網(wǎng)絡(luò)接入和核心設(shè)備實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

3.4 產(chǎn)品支持度

目前國內(nèi)廠商有成熟高壓直流產(chǎn)品的有：艾默生、浙江中恒、中達(dá)電通、伊頓、動(dòng)力源、金威源、澳特訊、英可瑞，經(jīng)過四年的市場培育，廠商紛紛重新設(shè)計(jì)改進(jìn)原先的動(dòng)力操作電源的拓?fù)洌怪m應(yīng)數(shù)據(jù)中心嶄新的應(yīng)用場景，已然形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈條。

3.5 應(yīng)用成熟度

（1）運(yùn)營商采用高壓直流案例

電信：江蘇、北京、吉林、上海、浙江、安徽、江西、湖北、廣西、重慶、四川、貴州、廣東地區(qū)，相繼高壓直流市電截至2010年底搭建高壓直流系統(tǒng)110套，江蘇部分機(jī)房使用案例已經(jīng)超過4年，運(yùn)用高壓直流的機(jī)房相比較UPS系統(tǒng)效率實(shí)測在12%～24%的節(jié)能，相比較UPS系統(tǒng)投資成本在12%～50%之間的節(jié)省。如圖17所示。

圖17 2010年某運(yùn)行商高壓直流技術(shù)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)

（2）互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用高壓直流的案例

阿里巴巴目前在杭州東冠與電信合建整層高壓直流試點(diǎn)機(jī)房，規(guī)模在6000臺服務(wù)器左右。

騰訊公司分別在廣東和上海電信合建高壓直流機(jī)房，規(guī)模在5000臺服務(wù)器左右。

4 高壓直流技術(shù)發(fā)展趨勢 ——270V/12V集中供電

這種高壓直流的新型架構(gòu)，兩級電源集中轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率高，同時(shí)具備電源集中管理，自動(dòng)休眠使之適應(yīng)數(shù)據(jù)中心建造完后階段性上架的特性，保持電源轉(zhuǎn)換曲線始終處于最高效的93%～95%之間，目前此配電架構(gòu)的試點(diǎn)已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)半年，PUE在1.5～1.6之間，是傳統(tǒng)的直冷方式，即傳統(tǒng)風(fēng)冷。

5 結(jié)束語

標(biāo)準(zhǔn)交流開關(guān)電源的IT設(shè)備兼容240V（標(biāo)稱電壓）高壓直流供電，在我國的IDC中屬于中等規(guī)模的部署，最長應(yīng)用案例已超過4年，已經(jīng)有數(shù)以萬計(jì)的IT設(shè)備、多個(gè)IDC機(jī)房、多套核心網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)平臺采用高壓直流供電。從運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，用高壓直流替代傳統(tǒng)的交流UPS供電，在UPS整個(gè)生命周期內(nèi)平均節(jié)能大于20%；從新建系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析，高壓直流系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的交流UPS系統(tǒng)，平均節(jié)省投資大于40%；高壓直流以其配電拓?fù)浜唵涡?，贏得更高的可用性，同時(shí)其模塊化維護(hù)，操作方法得到簡化，以上明顯優(yōu)勢的特征，使高壓直流的應(yīng)用前景廣闊。