淺談數(shù)據(jù)中心高壓直流技術(shù)

石咸勝

摘 ?要：隨著數(shù)據(jù)機(jī)房新技術(shù)應(yīng)用日新月異，更新非?？欤邏褐绷骷夹g(shù)作為近幾年發(fā)展起來的技術(shù)，在BAT和運(yùn)營商已廣泛應(yīng)。本文對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房新技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)研總結(jié)，從高壓直流的發(fā)展歷程、國內(nèi)外應(yīng)用、系統(tǒng)形式、優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行粗淺分析，供同行批評(píng)指證。

1.高壓直流的發(fā)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(tǒng)復(fù)雜、備份冗余要求高和效率不高等缺點(diǎn)，工業(yè)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(jí)，在經(jīng)過實(shí)際使用比較后，-48V的直流電源結(jié)構(gòu)被通信行業(yè)接受。

相對(duì)工頻UPS電源和高頻UPS電源，-48V直流電源效率高、更穩(wěn)定、體積更小、重量更輕。

-48V直流電源也有其不可忽視的缺點(diǎn)：

1）通常通信設(shè)備的功耗都較大，而-48V直流電源的輸出為48V，這就導(dǎo)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(dǎo)致其第二級(jí)的DC/DC電路開關(guān)管的導(dǎo)通損耗也較大，限制了其效率的提高。

1.2高壓直流系統(tǒng)

針對(duì)-48V直流電源存在的問題，工業(yè)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(yōu)點(diǎn)，也改進(jìn)了-48V直流電源輸出電壓低所導(dǎo)致的的線纜問題，且進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分的，而是相對(duì)于通信領(lǐng)域現(xiàn)有直流技術(shù)進(jìn)行的區(qū)分。

應(yīng)用于ICT機(jī)房的高壓直流供電標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)前中國電信、BAT、中國聯(lián)通及行業(yè)客戶大多選擇240V高壓直流，而中國移動(dòng)多選擇336V高壓直流。

高壓直流系統(tǒng)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(jiān)測(cè)單元及監(jiān)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(zhuǎn)換成240V或336V高壓直流，高壓直流經(jīng)直流配電單元給通訊設(shè)備供電，同時(shí)也給蓄電池充電。當(dāng)交流輸入發(fā)生故障時(shí)，直流由蓄電池給通訊設(shè)備供電。

HVDC與UPS相比出現(xiàn)時(shí)間要晚的多，而且迄今為止，還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

高壓直流系統(tǒng)在中國市場(chǎng)得以在一些項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，但后期隨著模塊化UPS的技術(shù)成熟，HVDC的短暫熱潮已然消退，從國內(nèi)市場(chǎng)目前數(shù)據(jù)中心的供電架構(gòu)來綜合分析，仍然是UPS占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。

2.高壓直流應(yīng)用范圍

目前從國際國內(nèi)來看，數(shù)據(jù)中心采用直流供電主要集中在運(yùn)營商、大型互聯(lián)網(wǎng)公司、金融、廣電等行業(yè)。具體應(yīng)用情況如下：

2.1國際應(yīng)用

1999年，在21屆INTELEC 99（哥本哈根）會(huì)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(yàn)電壓值。2003年，25屆INTELEC 03（橫濱）會(huì)議：瑞典POWERBOX，NETPOWER，ERICSSON等公司提出采用300VDC系統(tǒng)供電的建議。2005年，在27屆INTELEC 05（柏林）會(huì)議：法國電信提出采用300-400VDC的建議。在2007年，29屆INTELEC 07（羅馬）會(huì)議，美國INTEL公司提出在電信和數(shù)據(jù)中心采用400VDC 配電;瑞典NETPOWER LABS AB 等介紹了9kW HVDC UPS 350VDC 運(yùn)行一年的經(jīng)驗(yàn)。

歐美國家十幾年前就針對(duì)HVDC進(jìn)行研究和試點(diǎn)，以解決UPS效率低的問題，全球已經(jīng)有大量應(yīng)用，但商用規(guī)模還在推廣階段，主要應(yīng)用場(chǎng)景為運(yùn)營商的ICT機(jī)房。

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

2.2國內(nèi)應(yīng)用

HVDC國內(nèi)應(yīng)用——主要商用于運(yùn)營商數(shù)據(jù)中心和BAT新建機(jī)房。

中國電信，在2007年在江蘇電信開始試點(diǎn)240V（工作電壓204-288V）高壓直流通信電源產(chǎn)品。2010年開始推廣擴(kuò)大試點(diǎn)，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(qū)，相繼進(jìn)行高壓直流試點(diǎn)，截至2010年底已建成110套高壓直流系統(tǒng)，特別是江蘇電信已有多個(gè)IDC機(jī)房、多套核心IT系統(tǒng)和業(yè)務(wù)平臺(tái)改用高壓直流系統(tǒng)進(jìn)行供電。在2011年首次啟動(dòng)集團(tuán)采購，并主導(dǎo)了YD/T 2378-2011《通信用240V電源系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)的編制。

中國移動(dòng)，在2008年已經(jīng)啟動(dòng)336V（工作電壓300V-400V），并于2013年首次啟動(dòng)集團(tuán)采購，現(xiàn)正申請(qǐng)336V標(biāo)準(zhǔn)的審批。2009年開始高壓直流供電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)局建設(shè)，先后在深圳、內(nèi)蒙古等地進(jìn)行了高壓直流供電的測(cè)試。

中國聯(lián)通，2010年開始建設(shè)240V高壓直流供電實(shí)驗(yàn)局，已在江蘇南通、鄭州等多地開展實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并準(zhǔn)備擴(kuò)大高壓直流供電系統(tǒng)給的應(yīng)用。

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

目前，國內(nèi)市場(chǎng)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(nèi)市場(chǎng)占用率不足5%，在全球市場(chǎng)占有率不足1%，UPS配電還是占據(jù)主導(dǎo)地位。

HVDC的出現(xiàn)時(shí)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(yōu)勢(shì)，HVDC未能在市場(chǎng)上大面積推廣及應(yīng)用。

3.高壓直流系統(tǒng)形式

3.1常見的高壓直流系統(tǒng)

1）336V HVDC

主要問題：采用336V HVDC供電，后端的IT設(shè)備需要定制。

20240V HVDC

主要問題：可利用IT設(shè)備的自適應(yīng)，但變換次數(shù)與UPS相同，效率上無優(yōu)勢(shì)。

3.2HVDC常見供電方式

1）單系統(tǒng)雙回路供電方式

負(fù)載設(shè)備雙路供電保證供電冗余，性價(jià)比高。

2）1交1直供電方式

效率高，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)（如騰訊、阿里等）已經(jīng)有規(guī)模應(yīng)用。

3）雙系統(tǒng)雙回路供電方式

供電系統(tǒng)整個(gè)回路1+1備份，供電可靠性高，成本高，應(yīng)用非常少。

受限于直流供電系統(tǒng)的斷路器造價(jià)等問題，當(dāng)前調(diào)研的HVDC供電架構(gòu)很少會(huì)出現(xiàn)類似于UPS的2N架構(gòu)，所以HVDC數(shù)據(jù)中心的供電可靠性從架構(gòu)上看并不高。

由于HVDC采用模塊化架構(gòu)，所以在后期的運(yùn)營過程中，維護(hù)非常方便，所以模塊化架構(gòu)還是深受機(jī)房運(yùn)維部分人員的青睞。

但也有調(diào)研過的部分HVDC數(shù)據(jù)機(jī)房顯示，在后期的運(yùn)營過程中，存在一定的整改風(fēng)險(xiǎn)，即將HVDC替換成了UPS。究其原因，多是由于后端IT設(shè)備的不兼容，迫于業(yè)務(wù)要求，不得已進(jìn)行替換。

4.高壓直流優(yōu)缺點(diǎn)

在數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中，HVDC和UPS的位置是一樣的，區(qū)別在于兩者不同的工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，相比較而言，HVDC主要的優(yōu)勢(shì)在于高效、結(jié)構(gòu)簡單，但隨著模塊化UPS產(chǎn)品的不斷發(fā)展，目前多家UPS廠商產(chǎn)品整機(jī)效率≥96%，而且運(yùn)維也非常方便，因此HVDC在效率和運(yùn)維方面的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)逐漸被弱化。

4.1直流供電優(yōu)勢(shì)

1）高壓直流系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可大容量并機(jī)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(tǒng)可以直接放置在列頭柜位置，無須配套的獨(dú)立電力室，大大節(jié)省機(jī)房空間。而且分布式供電故障影響面小，只影響一小區(qū)域，不像UPS出故障則影響一大片區(qū)域的供電。高壓直流系統(tǒng)不僅供電設(shè)備可以分期建設(shè)，而且設(shè)備內(nèi)部還可隨著IT設(shè)備上架量不斷增加，逐步按需配置模塊個(gè)數(shù)。而且直流并機(jī)沒有頻率和相位相同的需求，因此并機(jī)非常簡單可靠，同樣系統(tǒng)擴(kuò)容也非常容易。

2）模塊化設(shè)計(jì)的另外一個(gè)重大好處是運(yùn)維得到了大大解放，而且不再依賴于UPS廠家的支持。如果發(fā)現(xiàn)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(wù)器硬盤一樣簡單，一線的現(xiàn)場(chǎng)人員即可處理，非常便捷。我們知道48V的通信電源系統(tǒng)非常成熟可靠，而且大家有豐富的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，那么240V高壓直流技術(shù)的運(yùn)營幾乎借鑒了48V系統(tǒng)的原理，也非常便捷可靠。

3）關(guān)于高壓直流系統(tǒng)的高效率。我們知道高壓直流系統(tǒng)不再采用2N配置（如果要求高可靠性，完全也可以實(shí)現(xiàn)2N），而采用的是系統(tǒng)內(nèi)部模塊的N+1配置，且可以根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況配置合適的整流模塊個(gè)數(shù)，得到較高的負(fù)載率，從而有很高的系統(tǒng)效率。

4）由于高壓直流系統(tǒng)自身具備的節(jié)能休眠功能，可以根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載需求開啟合適的工作模塊個(gè)數(shù)，保證在全負(fù)載范圍和機(jī)房全生命周期都可實(shí)現(xiàn)高效率。而不像傳統(tǒng)的UPS方案在機(jī)房建成初期設(shè)備上架率較低時(shí)候效率很差

5）高壓直流系統(tǒng)的一個(gè)非常明顯的優(yōu)點(diǎn)是不但自身可實(shí)現(xiàn)成熟的電池管理，而且還有智能休眠節(jié)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(shí)的負(fù)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(shè)備退出休眠后再正常帶載，因此不會(huì)拉垮系統(tǒng);而傳統(tǒng)的模塊化UPS方案若啟動(dòng)休眠，由于電池掛接在逆變環(huán)節(jié)之前，則可能無法及時(shí)退出休眠導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)宕機(jī)掉電。

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

4.2直流供電劣勢(shì)

1）元器件成本較高：HVDC的空氣開關(guān)、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(chǎn)品;有數(shù)據(jù)顯示，1250A的交流開關(guān)大概價(jià)格在幾K，而同樣規(guī)格的直流開關(guān)大概價(jià)格是對(duì)應(yīng)交流開關(guān)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(xiǎn)，高壓直流斷開時(shí)容易拉弧，易造成火災(zāi)（380V）;

3）對(duì)用戶設(shè)備有一定要求：HVDC是高壓直流輸入，對(duì)機(jī)房和IT設(shè)備的保護(hù)電路和接插件提出較高要求，部分IT設(shè)備不能應(yīng)用;

4）標(biāo)準(zhǔn)缺乏：僅有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，IEC、國標(biāo)等權(quán)威機(jī)構(gòu)尚未就高壓直流供電做出業(yè)界普遍遵循的標(biāo)準(zhǔn)，因此HVDC行業(yè)發(fā)展較慢，各個(gè)廠家的產(chǎn)品規(guī)范化也較弱;

5）產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，周期長：HVDC設(shè)備器件互換性差，當(dāng)前的應(yīng)用范圍也較窄，訂單式生產(chǎn)，成本較高，交貨周期長。