淺談數據中心高壓直流技術

石咸勝

摘 ?要：隨著數據機房新技術應用日新月異，更新非常快，高壓直流技術作為近幾年發展起來的技術，在BAT和運營商已廣泛應。本文對數據機房新技術應用進行調研總結，從高壓直流的發展歷程、國內外應用、系統形式、優缺點等方面進行粗淺分析，供同行批評指證。

1.高壓直流的發展歷程

1.1低壓直流電源

由于老式工頻UPS電源和高頻UPS電源的系統復雜、備份冗余要求高和效率不高等缺點，工業界開始了直流通信電源的研究。早期的直流通信電源有-24V、-48V和-60V等電壓等級，在經過實際使用比較后，-48V的直流電源結構被通信行業接受。

相對工頻UPS電源和高頻UPS電源，-48V直流電源效率高、更穩定、體積更小、重量更輕。

-48V直流電源也有其不可忽視的缺點：

1）通常通信設備的功耗都較大，而-48V直流電源的輸出為48V，這就導致其輸出電流非常大，為了能承載其輸出電流且降低線路傳輸損耗，所用電纜的線徑較大、耗銅量非常大，這大大增加了-48V直流通信電源的成本，另一方面也加大了線路分布和線路管理的難度。

2）因其輸出電流較大，導致其第二級的DC/DC電路開關管的導通損耗也較大，限制了其效率的提高。

1.2高壓直流系統

針對-48V直流電源存在的問題，工業界開始研究高壓直流通信UPS電源。高壓直流通信UPS電源具有-48V直流電源所具有的優點，也改進了-48V直流電源輸出電壓低所導致的的線纜問題，且進一步提高了電源的效率。

高壓直流中的“高壓”并不是按照我國電力高低壓標準來區分的，而是相對于通信領域現有直流技術進行的區分。

應用于ICT機房的高壓直流供電標準目前有如下幾種：

歐美：300V～575V;

中國：較為普遍的是240V和336V兩種。當前中國電信、BAT、中國聯通及行業客戶大多選擇240V高壓直流，而中國移動多選擇336V高壓直流。

高壓直流系統主要由交流配電單元、整流模塊、蓄電池、直流配電單元、電池管理單元、絕緣監測單元及監控模塊組成。正常工作情況下，整流模塊將交流配電源輸出的380V交流轉換成240V或336V高壓直流，高壓直流經直流配電單元給通訊設備供電，同時也給蓄電池充電。當交流輸入發生故障時，直流由蓄電池給通訊設備供電。

HVDC與UPS相比出現時間要晚的多，而且迄今為止，還沒有形成統一的標準。

高壓直流系統在中國市場得以在一些項目中實現應用，但后期隨著模塊化UPS的技術成熟，HVDC的短暫熱潮已然消退，從國內市場目前數據中心的供電架構來綜合分析，仍然是UPS占據絕對主導地位。

2.高壓直流應用范圍

目前從國際國內來看，數據中心采用直流供電主要集中在運營商、大型互聯網公司、金融、廣電等行業。具體應用情況如下：

2.1國際應用

1999年，在21屆INTELEC 99（哥本哈根）會議：法國電信首次提出了高壓直流概念。隨后日本NTT公司提出了270V的高壓直流試驗電壓值。2003年，25屆INTELEC 03（橫濱）會議：瑞典POWERBOX，NETPOWER，ERICSSON等公司提出采用300VDC系統供電的建議。2005年，在27屆INTELEC 05（柏林）會議：法國電信提出采用300-400VDC的建議。在2007年，29屆INTELEC 07（羅馬）會議，美國INTEL公司提出在電信和數據中心采用400VDC 配電;瑞典NETPOWER LABS AB 等介紹了9kW HVDC UPS 350VDC 運行一年的經驗。

歐美國家十幾年前就針對HVDC進行研究和試點，以解決UPS效率低的問題，全球已經有大量應用，但商用規模還在推廣階段，主要應用場景為運營商的ICT機房。

NTT（日本電信）、FT（法國電信）、KT（韓國電信）等運營商廣泛支持HVDC，并率先在ICT機房應用。應用HVDC方案替代原有的UPS系統-48VDC通信電源系統，一套系統保證可靠性同時歸一化管理。

2.2國內應用

HVDC國內應用——主要商用于運營商數據中心和BAT新建機房。

中國電信，在2007年在江蘇電信開始試點240V（工作電壓204-288V）高壓直流通信電源產品。2010年開始推廣擴大試點，在江蘇、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，相繼進行高壓直流試點，截至2010年底已建成110套高壓直流系統，特別是江蘇電信已有多個IDC機房、多套核心IT系統和業務平臺改用高壓直流系統進行供電。在2011年首次啟動集團采購，并主導了YD/T 2378-2011《通信用240V電源系統》標準的編制。

中國移動，在2008年已經啟動336V（工作電壓300V-400V），并于2013年首次啟動集團采購，現正申請336V標準的審批。2009年開始高壓直流供電系統實驗局建設，先后在深圳、內蒙古等地進行了高壓直流供電的測試。

中國聯通，2010年開始建設240V高壓直流供電實驗局，已在江蘇南通、鄭州等多地開展實驗測試，并準備擴大高壓直流供電系統給的應用。

中國電信采用240V電壓等級，主要是為適應中國電信存量較大的原有的220VAC服務器的UPS電源改造，為適應原有的220VAC交流服務器電源，所以輸入電壓規格設置在204-288VDC范圍內，以兼容220VAC服務器電源的輸入整流后電壓。

目前，國內市場HVDC的使用范圍還是比較有限，僅局限于特定的客戶，HVDC在國內市場占用率不足5%，在全球市場占有率不足1%，UPS配電還是占據主導地位。

HVDC的出現時為了解決UPS效率低的問題，隨著高頻UPS效率越來越高，尤其是模塊化UPS效率更高，HVDC相比UPS配電已無明顯優勢，HVDC未能在市場上大面積推廣及應用。

3.高壓直流系統形式

3.1常見的高壓直流系統

1）336V HVDC

主要問題：采用336V HVDC供電，后端的IT設備需要定制。

20240V HVDC

主要問題：可利用IT設備的自適應，但變換次數與UPS相同，效率上無優勢。

3.2HVDC常見供電方式

1）單系統雙回路供電方式

負載設備雙路供電保證供電冗余，性價比高。

2）1交1直供電方式

效率高，互聯網企業（如騰訊、阿里等）已經有規模應用。

3）雙系統雙回路供電方式

供電系統整個回路1+1備份，供電可靠性高，成本高，應用非常少。

受限于直流供電系統的斷路器造價等問題，當前調研的HVDC供電架構很少會出現類似于UPS的2N架構，所以HVDC數據中心的供電可靠性從架構上看并不高。

由于HVDC采用模塊化架構，所以在后期的運營過程中，維護非常方便，所以模塊化架構還是深受機房運維部分人員的青睞。

但也有調研過的部分HVDC數據機房顯示，在后期的運營過程中，存在一定的整改風險，即將HVDC替換成了UPS。究其原因，多是由于后端IT設備的不兼容，迫于業務要求，不得已進行替換。

4.高壓直流優缺點

在數據中心配電系統中，HVDC和UPS的位置是一樣的，區別在于兩者不同的工作原理、內部結構，相比較而言，HVDC主要的優勢在于高效、結構簡單，但隨著模塊化UPS產品的不斷發展，目前多家UPS廠商產品整機效率≥96%，而且運維也非常方便，因此HVDC在效率和運維方面的優勢已經逐漸被弱化。

4.1直流供電優勢

1）高壓直流系統采用模塊化設計，可大容量并機集中式供電也可小容量一體柜分布式供電，供電方式非常靈活。采用分布式供電的高壓直流系統可以直接放置在列頭柜位置，無須配套的獨立電力室，大大節省機房空間。而且分布式供電故障影響面小，只影響一小區域，不像UPS出故障則影響一大片區域的供電。高壓直流系統不僅供電設備可以分期建設，而且設備內部還可隨著IT設備上架量不斷增加，逐步按需配置模塊個數。而且直流并機沒有頻率和相位相同的需求，因此并機非常簡單可靠，同樣系統擴容也非常容易。

2）模塊化設計的另外一個重大好處是運維得到了大大解放，而且不再依賴于UPS廠家的支持。如果發現了故障模塊，需要做的只是熱插拔更換故障模塊，像換塊服務器硬盤一樣簡單，一線的現場人員即可處理，非常便捷。我們知道48V的通信電源系統非常成熟可靠，而且大家有豐富的運營經驗，那么240V高壓直流技術的運營幾乎借鑒了48V系統的原理，也非常便捷可靠。

3）關于高壓直流系統的高效率。我們知道高壓直流系統不再采用2N配置（如果要求高可靠性，完全也可以實現2N），而采用的是系統內部模塊的N+1配置，且可以根據實際負載情況配置合適的整流模塊個數，得到較高的負載率，從而有很高的系統效率。

4）由于高壓直流系統自身具備的節能休眠功能，可以根據實時負載需求開啟合適的工作模塊個數，保證在全負載范圍和機房全生命周期都可實現高效率。而不像傳統的UPS方案在機房建成初期設備上架率較低時候效率很差

5）高壓直流系統的一個非常明顯的優點是不但自身可實現成熟的電池管理，而且還有智能休眠節能功能，其原因仍是電池直掛母線。由于電池直掛母線，那么瞬時的負載沖擊可以通過電池放電來做緩沖，休眠退出過程中電池放電，然后設備退出休眠后再正常帶載，因此不會拉垮系統;而傳統的模塊化UPS方案若啟動休眠，由于電池掛接在逆變環節之前，則可能無法及時退出休眠導致整個系統宕機掉電。

6）空載下高壓直流系統啟動節能休眠后功耗很低只有幾百瓦，日耗電6度，而傳統的UPS空載日耗電160度，低載下節能非常明顯。并且最新的高壓直流系統休眠控制策略還具有同步老化以及定時喚醒功能，保證整個系統的各個整流模塊同步老化，并提高系統的可靠性

4.2直流供電劣勢

1）元器件成本較高：HVDC的空氣開關、熔絲、接觸器（繼電器）、接插頭需要工作在高壓、直流工況，不方便選用，成本也高出一般交流產品;有數據顯示，1250A的交流開關大概價格在幾K，而同樣規格的直流開關大概價格是對應交流開關的近10倍。

2）安全性存在疑問：HVDC有被人觸摸而造成電擊危險，高壓直流斷開時容易拉弧，易造成火災（380V）;

3）對用戶設備有一定要求：HVDC是高壓直流輸入，對機房和IT設備的保護電路和接插件提出較高要求，部分IT設備不能應用;

4）標準缺乏：僅有行業標準，IEC、國標等權威機構尚未就高壓直流供電做出業界普遍遵循的標準，因此HVDC行業發展較慢，各個廠家的產品規范化也較弱;

5）產品標準化程度較低，周期長：HVDC設備器件互換性差，當前的應用范圍也較窄，訂單式生產，成本較高，交貨周期長。