□ 文 余 斌 胥飛飛 李善策

在信息通信領(lǐng)域，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)鏈兼具強需求和高能耗的特點，將迎來“碳中和”背景下的新挑戰(zhàn)和新機遇。國內(nèi)各行業(yè)對網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化提出新需求，AI、5G、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，正在持續(xù)驅(qū)動流量需求、擴大場景化應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心作為行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型構(gòu)建平臺能力的重要基石，也在海量數(shù)據(jù)驅(qū)動下進(jìn)一步擴大規(guī)模。“碳中和”背景下企業(yè)和設(shè)備加速上云，推動旺盛的工業(yè)信息流和能量流建設(shè)，使之成為驅(qū)動數(shù)據(jù)中心發(fā)展的新動能。

與此同時，數(shù)據(jù)中心、信息通信機房等對其供電系統(tǒng)的依賴度也在急速增加，行業(yè)中越來越關(guān)注供電系統(tǒng)的可靠性、高效率、易維護性、易擴容能力，其重要性也越來越突出。近幾年大量建成并投入運營的數(shù)據(jù)中心、信息通信機房中采用高壓直流系統(tǒng)供電方案的比重迅速增加。此供電方案已被互聯(lián)網(wǎng)、通信、超算等行業(yè)廣泛接受和看好，特別是2020年中GB/T38833—2020《信息通信用 240V/336V直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求和試驗方法》的頒布實施，繼續(xù)推動數(shù)據(jù)中心高壓直流供電系統(tǒng)不斷優(yōu)化，持續(xù)助力數(shù)據(jù)中心、信息通信機房高速、低碳、低能耗平行發(fā)展。

1 國內(nèi)高壓直流的技術(shù)應(yīng)用情況

高壓直流技術(shù)應(yīng)用分為幾個階段，從2007年~2014年為認(rèn)知探索階段，主要在電信運營商和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)試點；2014~2016年取得價值收益，在此期間應(yīng)用取得實效并在行業(yè)中拓展；2016-2018年作為國家重點節(jié)能技術(shù)推廣，提升數(shù)據(jù)中心高壓直流電源在數(shù)據(jù)中心大規(guī)模建設(shè)、基地型應(yīng)用；2018年至今根據(jù)新基建戰(zhàn)略發(fā)展，促進(jìn)了數(shù)據(jù)中心對能源變革的響應(yīng)，確定高壓直流將是泛在不間斷電源的最佳選擇之一。

早在2008年某互聯(lián)網(wǎng)公司在天津啟動建設(shè)的國內(nèi)第一個單園區(qū)服務(wù)器數(shù)量突破10萬臺的數(shù)據(jù)中心。其供電解決方案中選擇了一路市電直供+一路（240V）高壓直流供電。其應(yīng)用價值收益累計為數(shù)據(jù)中心節(jié)能約8%。以圖1所示的形式比較高壓直流與傳統(tǒng)UPS的特點。

圖1 高壓直流與傳統(tǒng)UPS特點比較

在某互聯(lián)網(wǎng)公司張北數(shù)據(jù)中心，有超過30萬臺套的服務(wù)器為百萬以上中小企業(yè)提供云計算、大數(shù)據(jù)等服務(wù)。其中數(shù)據(jù)中心內(nèi)供電方式選擇采用240V高壓直流供電模式，并大規(guī)模使用多套高壓直流供電（HVDC）系統(tǒng)，實現(xiàn)快速、靈活的電源部署提高業(yè)務(wù)盡快上線能力。與此同時高效模塊化電源的應(yīng)用，設(shè)備效率不斷提升，供電方式中減少了傳統(tǒng)“交-直-交”電源轉(zhuǎn)換達(dá)到了綠色節(jié)能，降低機房總體PUE。

在某互聯(lián)網(wǎng)公司智能云計算中心，其總建筑面積約11萬m2，可承載超過12萬臺高性能AI服務(wù)器。按供電分布式、預(yù)制化進(jìn)行數(shù)據(jù)中心建設(shè)，統(tǒng)一采用市電直供+240V高壓直流供電方案，極大提升工程效率。工期縮短50%。

在數(shù)據(jù)中心大規(guī)模發(fā)展的背景下，標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)技術(shù)不斷發(fā)展，綜合能效管理與高可靠的供電系統(tǒng)將為賦能數(shù)據(jù)中心高質(zhì)量發(fā)展提供更多的可能性。

2 GB/T38833—2020國標(biāo)主要價值點

首先國標(biāo)帶動和促進(jìn)通信、云計算、金融、能源、互聯(lián)網(wǎng)、國防、醫(yī)療等各行業(yè)直流不間斷電源產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展，推動通信及數(shù)據(jù)中心高壓直流供電技術(shù)的研究不斷深化。到目前為止，我國240V直流供電設(shè)備的使用廣度已位居世界第一，早在2012年HVDC技術(shù)被列入國家重點節(jié)能技術(shù)推廣目錄（第五批序號44）之中，為引導(dǎo)整個信息通信行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施綠色、節(jié)能方向發(fā)展發(fā)揮作用，致力于整個信息通信行業(yè)安全、穩(wěn)定、綠色、可持續(xù)發(fā)展。

其次，GB/T38833—2020國家標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布與實施，為高壓直流電源系統(tǒng)的生產(chǎn)及應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)支撐，有助于240V/336V直流供電系統(tǒng)技術(shù)在各行各業(yè)的數(shù)據(jù)中心、信息通信機房中大規(guī)模推廣使用。同時，在國標(biāo)編制中，充分考慮與ITU L.1200標(biāo)準(zhǔn)的核心內(nèi)容保持一致。

3 本國標(biāo)制定原則

根據(jù)技術(shù)發(fā)展趨勢，追蹤高壓直流電源生產(chǎn)與技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵點，聚焦各行業(yè)領(lǐng)域需求，按照標(biāo)準(zhǔn)必須具有科學(xué)性、先進(jìn)性和適用性的要求。制定以下主要原則：

原則1：“立足高壓直流電源產(chǎn)品自身技術(shù)、功能要求、使用和試驗方法”。國標(biāo)中要求的技術(shù)參數(shù)側(cè)重于高壓直流電源產(chǎn)品，用于規(guī)范高壓直流電源產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計、技術(shù)參數(shù)、試驗方法、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化以及檢驗、包裝、運輸、貯存。

原則2：基調(diào)為“準(zhǔn)確滿足高壓直流電源產(chǎn)品技術(shù)及應(yīng)用要求”。

原則3：具有促進(jìn)、引導(dǎo)上下游產(chǎn)業(yè)鏈作用。特別是為服務(wù)器、PDU產(chǎn)品兼容高壓直流電源做到“有據(jù)可依”，能有效解決240V IT設(shè)備的兼容性、336V IT設(shè)備兼容性的困難點。

4 國家標(biāo)準(zhǔn)部分重點內(nèi)容列舉

4.1 本次國標(biāo)起草中在名詞術(shù)語部分對“懸浮工作方式”進(jìn)行了重新定義，強調(diào)了系統(tǒng)直流輸出的正極和負(fù)極都不直接接地這個關(guān)鍵要點，明確高壓直流電源系統(tǒng)的正常工作模式。

4.2 對于高壓直流電源系統(tǒng)的輸入和輸出關(guān)鍵指標(biāo)，在國標(biāo)起草期間進(jìn)行了廣泛的調(diào)研、對比及驗證性測試?？紤]到國內(nèi)各細(xì)分行業(yè)高壓直流電源的需求差異，特別是受到應(yīng)用場景、投資環(huán)境、成本收益等多種因素影響，根據(jù)調(diào)研和實際應(yīng)用中的典型帶載工況，兼顧不同行業(yè)實際應(yīng)用需要并結(jié)合設(shè)備實際測試驗證結(jié)果，將系統(tǒng)和整流器的主要技術(shù)指標(biāo)：輸入功率因數(shù)、輸入電流總諧波畸變率、效率進(jìn)行分類，用以滿足不同的應(yīng)用場景和系統(tǒng)架構(gòu)。

4.3考慮標(biāo)準(zhǔn)編制整體結(jié)構(gòu)完整性、適用性、可選擇性，在該國標(biāo)的附錄A中明確了整流器額定輸出電流及功率的關(guān)系。

在高壓直流供電系統(tǒng)的工程應(yīng)用中，工程設(shè)計和工程建設(shè)人員首先會考慮電源系統(tǒng)架構(gòu)如何選取的問題，特別是需要綜合評價電源系統(tǒng)的安全性、可靠性，按照工程建設(shè)的實際條件再考慮經(jīng)濟性的前提下做出決定，在該國標(biāo)的附錄C中給出系統(tǒng)供電架構(gòu)應(yīng)用指南，方便工程設(shè)計、工程建設(shè)人員可根據(jù)現(xiàn)場實際情況和機房負(fù)荷的重要程度等諸多因素靈活選擇。

4.3.1 方式一：單系統(tǒng)雙回路供電（如圖2所示）

圖2 單系統(tǒng)雙直流回路供電架構(gòu)示意圖

方式一與原信息通信機房中通常使用的48V直流供電系統(tǒng)類似，對于整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言比較簡單，而且總體建設(shè)投資小。缺點是A路、B路的供電輸入來自于同一套高壓直流電源系統(tǒng)，即IT負(fù)載的兩路輸入同源，系統(tǒng)可靠性相對較低。

4.3.2 方式二：雙系統(tǒng)雙直流回路供電（如圖3所示）

圖3 HVDC雙系統(tǒng)雙直流回路供電架構(gòu)示意圖

與方式一相比，方式二中的負(fù)載端供電是分別從相互獨立的2套電源系統(tǒng)，這樣的配置消除了系統(tǒng)的單點故障的風(fēng)險，提高了電源系統(tǒng)的可靠性。缺點是由于采用雙路“2N”系統(tǒng)方案配置，電源系統(tǒng)使用的冗余度較大，在正常運行時系統(tǒng)帶載率相對較低，使得節(jié)能效果降低。

4.3.3 方式三：一路市電+一路直流回路供電（如圖4所示）

圖4 一路市電+一路直流回路供電架構(gòu)示意圖

方式三采用了一路市電加一路高壓直流供電解決方案。此供電方案相比單路保障電源方案將極大提高系統(tǒng)可用性，可最大程度的提高系統(tǒng)效率。相比雙路保障供電方案的投資會減少40%以上，但需要綜合考慮各地不同的市電電能質(zhì)量，同時對于計劃外停電情況及當(dāng)?shù)毓╇娋W(wǎng)絡(luò)等因素進(jìn)行技術(shù)評估。綜合可靠性、效率、投資、運營等維度選擇最匹配的供電架構(gòu)。

5 HVDC電源產(chǎn)品國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的影響及作用

隨著國標(biāo)的發(fā)布及實施，將進(jìn)一步鞏固我國240V/336V直流電源系統(tǒng)高可靠性、低碳環(huán)保、維護便捷的優(yōu)勢，促進(jìn)240V/336V直流電源設(shè)備的高質(zhì)量發(fā)展，并不斷提升核心技術(shù)競爭力。GB/T38833-2020國家標(biāo)準(zhǔn)不僅與ITU L.1200國際標(biāo)準(zhǔn)核心內(nèi)容協(xié)調(diào)一致，為高壓直流電源設(shè)備的研發(fā)、設(shè)計、制造、檢驗和性能測試提供依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)直流電源生產(chǎn)廠家產(chǎn)品質(zhì)量提升和不斷創(chuàng)新，助力和帶動通信、云計算、金融、能源、互聯(lián)網(wǎng)、國防、醫(yī)療等各行業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

高壓直流電源產(chǎn)品國家標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布及實施，從終端用戶（運營商、互聯(lián)網(wǎng)、金融、政企等）到產(chǎn)業(yè)鏈的IT設(shè)備，再到產(chǎn)業(yè)鏈的相關(guān)硬件提供了更加完善的理論體系支撐。再看數(shù)據(jù)中心用量增長、用戶增長、標(biāo)準(zhǔn)完善程度、產(chǎn)業(yè)協(xié)同四個維度，有序推進(jìn)產(chǎn)業(yè)電能變革，進(jìn)一步促進(jìn)全產(chǎn)業(yè)鏈勇往“直”前，高壓直流設(shè)備實際應(yīng)用中系統(tǒng)容量不斷擴大，使用數(shù)量快速增長。據(jù)不完全統(tǒng)計2013年~2020年，數(shù)據(jù)中心高壓直流電源每年新增裝置容量已從2013年的30萬安培增長到2020年的830萬安培，年均復(fù)合增長率超過50%，行業(yè)應(yīng)用規(guī)模及滲透率逐年增大（如圖5所示）。

圖5 2013~2020年數(shù)據(jù)中心高壓直流電源每年新增裝機容量

6 結(jié)束語

高壓直流應(yīng)用趨勢與行業(yè)生態(tài)已經(jīng)形成，伴隨中國大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)迎來新一輪爆發(fā)，各互聯(lián)網(wǎng)巨頭總計劃投入上萬億元競逐“新基建”數(shù)據(jù)中心賽道。源源不斷的市場需求將推動著云計算高壓直流電源的產(chǎn)品定義、應(yīng)用覆蓋。低碳高效、安全可靠、工程產(chǎn)品化是高壓直流電源系統(tǒng)下一代技術(shù)升級的主基調(diào)，并促進(jìn)多產(chǎn)業(yè)供電設(shè)施發(fā)展戰(zhàn)略、設(shè)備升級、電能替代，直至實現(xiàn)“直流能源就地消納”。持續(xù)保障數(shù)據(jù)中心能源規(guī)?；⒓s化、綠色低碳化 發(fā)展。