“雙碳”背景下數據中心高壓直流供電的標準與實踐

□ 文 余 斌 胥飛飛 李善策

在信息通信領域，數據中心產業鏈兼具強需求和高能耗的特點，將迎來“碳中和”背景下的新挑戰和新機遇。國內各行業對網絡化、數字化、智能化提出新需求，AI、5G、物聯網等新興技術的發展和應用，正在持續驅動流量需求、擴大場景化應用，數據中心作為行業數字化轉型構建平臺能力的重要基石，也在海量數據驅動下進一步擴大規模?！疤贾泻汀北尘跋缕髽I和設備加速上云，推動旺盛的工業信息流和能量流建設，使之成為驅動數據中心發展的新動能。

與此同時，數據中心、信息通信機房等對其供電系統的依賴度也在急速增加，行業中越來越關注供電系統的可靠性、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據中心、信息通信機房中采用高壓直流系統供電方案的比重迅速增加。此供電方案已被互聯網、通信、超算等行業廣泛接受和看好，特別是2020年中GB/T38833—2020《信息通信用 240V/336V直流供電系統技術要求和試驗方法》的頒布實施，繼續推動數據中心高壓直流供電系統不斷優化，持續助力數據中心、信息通信機房高速、低碳、低能耗平行發展。

1 國內高壓直流的技術應用情況

高壓直流技術應用分為幾個階段，從2007年~2014年為認知探索階段，主要在電信運營商和互聯網企業試點；2014~2016年取得價值收益，在此期間應用取得實效并在行業中拓展；2016-2018年作為國家重點節能技術推廣，提升數據中心高壓直流電源在數據中心大規模建設、基地型應用；2018年至今根據新基建戰略發展，促進了數據中心對能源變革的響應，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年某互聯網公司在天津啟動建設的國內第一個單園區服務器數量突破10萬臺的數據中心。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。其應用價值收益累計為數據中心節能約8%。以圖1所示的形式比較高壓直流與傳統UPS的特點。

圖1 高壓直流與傳統UPS特點比較

在某互聯網公司張北數據中心，有超過30萬臺套的服務器為百萬以上中小企業提供云計算、大數據等服務。其中數據中心內供電方式選擇采用240V高壓直流供電模式，并大規模使用多套高壓直流供電（HVDC）系統，實現快速、靈活的電源部署提高業務盡快上線能力。與此同時高效模塊化電源的應用，設備效率不斷提升，供電方式中減少了傳統“交-直-交”電源轉換達到了綠色節能，降低機房總體PUE。

在某互聯網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服務器。按供電分布式、預制化進行數據中心建設，統一采用市電直供+240V高壓直流供電方案，極大提升工程效率。工期縮短50%。

在數據中心大規模發展的背景下，標準引領技術不斷發展，綜合能效管理與高可靠的供電系統將為賦能數據中心高質量發展提供更多的可能性。

2 GB/T38833—2020國標主要價值點

首先國標帶動和促進通信、云計算、金融、能源、互聯網、國防、醫療等各行業直流不間斷電源產業加速發展，推動通信及數據中心高壓直流供電技術的研究不斷深化。到目前為止，我國240V直流供電設備的使用廣度已位居世界第一，早在2012年HVDC技術被列入國家重點節能技術推廣目錄（第五批序號44）之中，為引導整個信息通信行業基礎設施綠色、節能方向發展發揮作用，致力于整個信息通信行業安全、穩定、綠色、可持續發展。

其次，GB/T38833—2020國家標準的發布與實施，為高壓直流電源系統的生產及應用提供標準支撐，有助于240V/336V直流供電系統技術在各行各業的數據中心、信息通信機房中大規模推廣使用。同時，在國標編制中，充分考慮與ITU L.1200標準的核心內容保持一致。

3 本國標制定原則

根據技術發展趨勢，追蹤高壓直流電源生產與技術應用的關鍵點，聚焦各行業領域需求，按照標準必須具有科學性、先進性和適用性的要求。制定以下主要原則：

原則1：“立足高壓直流電源產品自身技術、功能要求、使用和試驗方法”。國標中要求的技術參數側重于高壓直流電源產品，用于規范高壓直流電源產品的研發設計、技術參數、試驗方法、產品標準化以及檢驗、包裝、運輸、貯存。

原則2：基調為“準確滿足高壓直流電源產品技術及應用要求”。

原則3：具有促進、引導上下游產業鏈作用。特別是為服務器、PDU產品兼容高壓直流電源做到“有據可依”，能有效解決240V IT設備的兼容性、336V IT設備兼容性的困難點。

4 國家標準部分重點內容列舉

4.1 本次國標起草中在名詞術語部分對“懸浮工作方式”進行了重新定義，強調了系統直流輸出的正極和負極都不直接接地這個關鍵要點，明確高壓直流電源系統的正常工作模式。

4.2 對于高壓直流電源系統的輸入和輸出關鍵指標，在國標起草期間進行了廣泛的調研、對比及驗證性測試?？紤]到國內各細分行業高壓直流電源的需求差異，特別是受到應用場景、投資環境、成本收益等多種因素影響，根據調研和實際應用中的典型帶載工況，兼顧不同行業實際應用需要并結合設備實際測試驗證結果，將系統和整流器的主要技術指標：輸入功率因數、輸入電流總諧波畸變率、效率進行分類，用以滿足不同的應用場景和系統架構。

4.3考慮標準編制整體結構完整性、適用性、可選擇性，在該國標的附錄A中明確了整流器額定輸出電流及功率的關系。

在高壓直流供電系統的工程應用中，工程設計和工程建設人員首先會考慮電源系統架構如何選取的問題，特別是需要綜合評價電源系統的安全性、可靠性，按照工程建設的實際條件再考慮經濟性的前提下做出決定，在該國標的附錄C中給出系統供電架構應用指南，方便工程設計、工程建設人員可根據現場實際情況和機房負荷的重要程度等諸多因素靈活選擇。

4.3.1 方式一：單系統雙回路供電（如圖2所示）

圖2 單系統雙直流回路供電架構示意圖

方式一與原信息通信機房中通常使用的48V直流供電系統類似，對于整體系統結構而言比較簡單，而且總體建設投資小。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，即IT負載的兩路輸入同源，系統可靠性相對較低。

4.3.2 方式二：雙系統雙直流回路供電（如圖3所示）

圖3 HVDC雙系統雙直流回路供電架構示意圖

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

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可用性，可最大程度的提高系統效率。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量，同時對于計劃外停電情況及當地供電網絡等因素進行技術評估。綜合可靠性、效率、投資、運營等維度選擇最匹配的供電架構。

5 HVDC電源產品國家標準發布的影響及作用

隨著國標的發布及實施，將進一步鞏固我國240V/336V直流電源系統高可靠性、低碳環保、維護便捷的優勢，促進240V/336V直流電源設備的高質量發展，并不斷提升核心技術競爭力。GB/T38833-2020國家標準不僅與ITU L.1200國際標準核心內容協調一致，為高壓直流電源設備的研發、設計、制造、檢驗和性能測試提供依據標準，促進直流電源生產廠家產品質量提升和不斷創新，助力和帶動通信、云計算、金融、能源、互聯網、國防、醫療等各行業的產業發展。

高壓直流電源產品國家標準的發布及實施，從終端用戶（運營商、互聯網、金融、政企等）到產業鏈的IT設備，再到產業鏈的相關硬件提供了更加完善的理論體系支撐。再看數據中心用量增長、用戶增長、標準完善程度、產業協同四個維度，有序推進產業電能變革，進一步促進全產業鏈勇往“直”前，高壓直流設備實際應用中系統容量不斷擴大，使用數量快速增長。據不完全統計2013年~2020年，數據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，年均復合增長率超過50%，行業應用規模及滲透率逐年增大（如圖5所示）。

圖5 2013~2020年數據中心高壓直流電源每年新增裝機容量

6 結束語

高壓直流應用趨勢與行業生態已經形成，伴隨中國大數據產業迎來新一輪爆發，各互聯網巨頭總計劃投入上萬億元競逐“新基建”數據中心賽道。源源不斷的市場需求將推動著云計算高壓直流電源的產品定義、應用覆蓋。低碳高效、安全可靠、工程產品化是高壓直流電源系統下一代技術升級的主基調，并促進多產業供電設施發展戰略、設備升級、電能替代，直至實現“直流能源就地消納”。持續保障數據中心能源規模化、集約化、綠色低碳化 發展。