數據中心的高壓直流之路

1、精選文檔數據中心的高壓直流之路 1. 引言傳統(tǒng)的數據中心大都通過UPS來實現掉電保護，通常所有IT負載都要經過UPS來供電，假定實際運行UPS的平均效率為90%（雖然目前UPS最高效率是可以達到95%以上，但我們知道UPS的效率和負載率有關，如左下圖所示，隨著負載率的提升，效率才會變高，那么正常情況20%-40%負載率下很難會達到最高效率點。根據在運行UPS的實際測試數據，絕大多數情況下的效率不高于90%），那么每100度電，經過UPS這個環(huán)節(jié)就白白損耗掉10%。不僅如此，我們還需要考慮UPS散發(fā)出來的熱量需要額外的空調帶走，按數據中心典型PUE為1.8來算，那么UPS環(huán)節(jié)帶來的總能耗達18%

2、，很不節(jié)能。 （a）UPS效率和負載率的關系 （b）傳統(tǒng)機房的能耗分布我們還知道UPS設備的拓撲結構比較復雜，因此其單機可靠性一直不是很高。為了解決單點故障問題，通常會引入2N，甚至2*（N+1）的冗余配置，那么這種情況下，雖然一定程度上提升了整個系統(tǒng)的可靠性，但帶來的問題其實不少。首先，投資成本雙倍增加，而且占用了很多機房的寶貴空間，并增加了運維的復雜度。其次，同前面解釋過的一樣，UPS系統(tǒng)的負載率在2N情況下會比較低，此時UPS的效率也很低，額外增加了不少電費開銷并浪費了很多寶貴的能源。最后，單機UPS的容量可能不夠大，那么往往會采用并機模式，同樣由于UPS自身結構的復雜性，且并機要求幅度

3、、頻率、相位等同，加上并機板自身也為單故障點，并機風險較大。很多實際發(fā)生的案例表明在市電電網正常情況下，但因UPS自身故障引起機房掉電情況。UPS是大容量危險設備，其內部電容等元件壽命只有五年，因此電容擊穿、漏液短路等危險也時有發(fā)生，輕則造成系統(tǒng)宕機，重則導致機房著火，而且出了事故，第一時間現場無法處理，嚴重依賴廠商響應速度。綜上所述，傳統(tǒng)的UPS供電方案，可靠性也不是很高。或者說為了達到較高可靠性，需要把系統(tǒng)做得很復雜，且投資很大。這里再補充一點關于模塊化UPS的看法，雖然模塊化UPS部分解決了分期投資以及可調負載率從而效率更高等問題，但同樣存在多模塊設計并機復雜引起的可靠性問題仍沒很好解決

4、，而且由于電池掛接在逆變器之前，也無法實現輕載下的節(jié)能休眠等功能，因此不是很好的解決辦法。（c） UPS配電的復雜性 （d） UPS故障引發(fā)機房燃燒事故2. 高壓直流技術初探筆者作為國內較早從事高壓直流產品開發(fā)，并進行后續(xù)應用研究的同行，在這里和大家一起探討發(fā)掘，以便讓此技術得到更好應用。本文主要分析比較240V高壓直流解決方案的一些特點。上圖是高壓直流的簡單拓撲結構，很直觀得展現了240V高壓直流的一些特點：1、減少變化級數，整體效率更高；2、電池直掛在輸出母線上，相當于提供另外一路備份，可靠性更高；3、兼容現有絕大多數IT設備的高頻開關電源，用電設備幾乎不用任何更改，推廣非常容易；4、拓撲

5、非常簡單，可靠性提高；5、高壓直流系統(tǒng)為模塊化熱插拔設計，運維非常方便。關于240V高壓直流兼容現有絕大多數IT設備的高頻開關電源可行性分析，可參考拙作交流電源的高壓直流直供可行性分析一文。鑒于此，該技術的推廣門檻非常低，用電設備基本不用任何改造，經過簡單測試驗證后即可投入應用。國內已有多個數據中心跑在240V高壓直流供電環(huán)境下，一直工作穩(wěn)定可靠，因此也從理論和實際都證明了該方案可行。而且由于電池直掛母線，可作為很大的一個濾波池，濾除電網串過來的毛刺以及其它供電支路諧波的影響，給用電設備提供一個很好的供電電源。電信行業(yè)幾萬臺設備，及多年的應用數據表明，采用240V高壓直流給IT設備供電，電源的

6、可靠性不僅沒有降低，而且還提升一倍以上。3. 高壓直流技術的一些優(yōu)點 1、高壓直流系統(tǒng)的模塊化設計。如下圖，高壓直流系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)省機房空間。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(tǒng)擴容也非常容易。模塊化設計的另外一個重大好處是

7、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(fā)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(tǒng)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(tǒng)的原理，也非常便捷可靠。 2、關于高壓直流系統(tǒng)的高效率。前面的分析，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，完全也可以實現2N)，而采用的是系統(tǒng)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(tǒng)效率。不僅如此，由于高壓直流系統(tǒng)自身具備的節(jié)

8、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(tǒng)的UPS方案在機房建成初期設備上架率較低時候效率很差。高壓直流系統(tǒng)的一個非常明顯的優(yōu)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(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(tǒng)；而傳統(tǒng)的模塊化UPS方案若啟動休眠，由于電池掛接在逆變環(huán)節(jié)之前，則可能無法及時退出休眠導致整個系統(tǒng)宕機掉電?？蛰d下高壓直流系統(tǒng)啟動節(jié)能休眠后功耗很低只有幾百瓦，日耗電6度，而傳統(tǒng)的UP

9、S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喚醒功能 ,保證整個系統(tǒng)的各個整流模塊同步老化 , 并提高系統(tǒng)的可靠性。 下表為國內某運營商的實際運行數據，我們可以看到節(jié)能和節(jié)省投資非常明顯。3、關于高壓直流系統(tǒng)的可靠性。前面我們已經知道高壓直流系統(tǒng)內是N+1的配置方式，那么即便壞了一個整流模塊，對系統(tǒng)的可靠性幾乎沒有影響。而且電池作為另外一個備份單元，也可給運維人員提供充足的割接改造等騰挪時間。下圖比較了傳統(tǒng)UPS單機和240V高壓直流拓撲結構，從結構上看，高壓直流系統(tǒng)和傳統(tǒng)48V通信電源系統(tǒng)差異很少，只是電壓更高些，整體結構非常清爽，非常簡

10、單。即便整流環(huán)節(jié)出了故障，還有電池直掛母線繼續(xù)保障系統(tǒng)供電。反觀UPS方案，由于涉及靜態(tài)旁路、整流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)、以及輸出靜態(tài)開關，甚至輸出升壓變壓器等，越復雜的系統(tǒng)，出故障的概率就要增加，因此整體可靠性較240V高壓直流方案要低很多。4、關于高壓直流的安全性。很多同行一聽到高壓直流，都覺得非?？植溃坪醺邏簞t安全性差，直流則無法脫開，那么是否是這樣呢？我們下面來分析這個問題。高壓直流系統(tǒng)和傳統(tǒng)的UPS方案不一樣，采用的是正負極輸出浮地方式，不像48V通信電源系統(tǒng)采用正極接地方式，也不像傳統(tǒng)UPS采用中線接地方式。由于整流模塊內部輸出安規(guī)電容的原因，實際高壓直流系統(tǒng)正負極到大地的電壓都是135

11、V左右（240V的高壓直流系統(tǒng)額定電壓為240V，但默認電壓為270V，好比48V電源系統(tǒng)的默認電壓為54V一樣，兩者是5倍的關系），根據人體正常電阻約為6300 ohms左右，那么誤碰到其中一極的135V直流估算下來的電流不足以對人體造成傷害的，況且通常我們還穿鞋等，因此實際即便誤碰到任何一根母排，人體是幾乎沒有感覺的（非專業(yè)人士勿試，也強烈不建議模仿），如下圖單手觸摸母排照片所示。如果正負母排的任何一級接地了，雖不會造成系統(tǒng)掉電（而傳統(tǒng)UPS方案，任何一相火線輸出接地，則會導致設備掉電），此時若誤碰到另外一極，則270V直流可能會讓操作人員有觸電感覺，但根據理論估算，同樣不會對人體有較大傷

12、害（再次強烈不建議拿自己安全做測試）。實際設計中為了避免此意外發(fā)生，通常要求高壓直流系統(tǒng)配置絕緣監(jiān)測儀，以便出現系統(tǒng)絕緣問題時候提早預防并定位故障點。反觀傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)，從下面的表格可以知道其實人體對交流的耐受能力遠遠低于直流，其可能原因是人體心臟的心跳頻率和交流50Hz或者60Hz的工頻較為接近，那么交流觸電時候更容易引起心室震顫（共振原理？待考證），導致生命危險。因此240V高壓直流其實挺安全。4. 高壓直流供電方案研究1、單機供電方案 從前面的分析上看，我們知道高壓直流系統(tǒng)的單機可靠性要遠高于UPS單機的可靠性，因為高壓直流設備內部的N+1的模塊化設計，以及有電池直掛母線作為備份。雖然

13、可以有較高的可靠性，但畢竟是單路系統(tǒng)，那么可以采取下圖的雙路供電配電結構，采用來自同一電源系統(tǒng)的A、B路給雙電源服務器供電，雖然是假雙路供電，但任何一路跳閘，另外一路仍可保證設備不掉電。這種結構的一個不足是單電源設備的可靠性還不是非常高。2、雙系統(tǒng)雙路供電配電結構 對于一些要求超高可靠性的系統(tǒng)，可以采用雙系統(tǒng)雙路供電配電結構來供電，這種配置方式下可靠性非常高，不僅實現了2*(N+1)配置，還有兩路電池直接掛在母線上，達到了運營商骨干網的可靠性等級。這種方式可靠性問題是解決了，但不足之處是投資成本會加大。其實很多情況下，業(yè)務的可靠性無需這么高，因此是否有新的拓撲結構來實現低成本且高可靠呢？3、一

14、路市電一路高壓直流方案我們這里創(chuàng)新性得提出如下的一路市電加一路240V高壓直流的供電方案，既可以實現低成本，還能實現高可靠，非常值得推廣。當然這個拓撲涉及三個問題，一個是市電直接給設備供電，是否會造成設備損壞或者掉電？第二個是直接將240V高壓直流給設備供電，設備是否支持？第三個是市電直接給設備供電，以及高壓直流的引入是否會引起諧波問題？ 關于第一個問題，我們知道身邊就有無以計數的電子設備等跑在市電電網下，正常情況下極少出現問題，那么對于性能以及可靠性要求更高的IT設備電源，也是基本沒問題的。況且對于雙電源設備，即便市電供電的這個電源因電網原因出現異常，270V供電的另外一個電源仍能保證系統(tǒng)可

15、靠工作不掉電。當然為了保證整體系統(tǒng)的可靠性，市電直供輸入的防雷接地等工作要做好。那么第二個問題，其實前面已經介紹過了，普通IT設備的電源絕大多數都是支持240V高壓直流的（同樣可參考拙作交流電源的高壓直流直供可行性分析），除了極少數電源內部增加了頻率檢測等機制（完全可以通過升級軟件屏蔽此功能等辦法來解決），那么在前期在設備上架前做好高壓直流適應性測試即可。當然少量的單電源設備可以從高壓直流支路取電，仍可實現較高可靠性。第三個關于諧波的問題，我們知道傳統(tǒng)的UPS采用的是晶閘管不控整流技術，不管是6脈沖還是12脈沖，單靠UPS設備是無法達到很低的電流諧波的，那么高的諧波電流不僅影響運行可靠性，造成

16、能源浪費的同時還可能被電網公司罰錢，而高壓直流技術則沒有此問題。原因是高壓直流設備采用成熟的功率因數校正技術，功率因數很高且諧波很小基本可以達到A類機房的要求，無須再配置額外的諧波治理設備。同樣現在的IT設備采用的高頻開關電源，且諧波也很小，因此市電直供部分也無須諧波治理，配電結構非常簡單。 繼續(xù)分析這個拓撲結構的可靠性，從前面的UPS單機可靠性以及高壓直流單機可靠性數據來比較這種拓撲結構和2N配置的UPS（市電可靠性按99.86%來算，目前大多數數據中心所在城市的電網可靠性基本都可達到此值）。根據計算可以得到如下可靠性：2N UPS可靠性：1-（1-0.99999)*(1-0.99999)

17、10個9一路市電一路高壓直流可靠性：1-（1-0.9986)*(1-0.9999999) 10個9 我們發(fā)現一路市電一路高壓直流方案的可靠性和2N的UPS配置差別不大，基本是一個量級的。那么鑒于此這種方式可以省去一路UPS的投資，而且省去那一路的UPS帶來的電費也相應可以省掉， 意味著可以帶來capex和opex的大大節(jié)省，下面我們再來好好算這筆帳：假定一個大型數據中心有10萬臺服務器，每臺服務器按200W功耗計算，在相同的可靠性下計算。先來算capex：傳統(tǒng)2N UPS方案，按單機800KVA的UPS來算（若按400KVA系統(tǒng)算，會省錢更多），每臺含電池120W算，需要投資120W*2*10

18、萬*0.2KW/(800KVA*0.9*0.8)=8330W;一路市電一路高壓直流方案，按單機140KW的高壓直流系統(tǒng)，每臺含電池30W，需要投資30W*1*10W*0.2KW/（140KW*0.85）=5042W。節(jié)約投資3288W，這里暫且還沒考慮2N UPS方案下需要低配、旁路、隔離變壓器、諧波治理、STS等等配電環(huán)節(jié)的額外投資，因此總體算下來，capex方面可以減少投資5000W以上。而且這里計算的高壓直流價格偏高，隨著高壓直流技術的成熟，未來價格有很大的下降空間。另外補充一點，由于高壓直流輸出電壓范圍很寬，那么相應的電池放電電壓也寬，因此可以比UPS配置更少的電池。此外功率因數高諧波小，柴發(fā)的容量也可以少配置很多，總體成本低。最后高壓直流系統(tǒng)可以以列頭柜方式放置在機房中，無須再配置UPS電力室，因此可以減少機房輔助區(qū)域的面積，提升機房的空間利用率，獲得更多投資回報。再來算opex；由于一路市電加一路高壓直流方案，市電支路上幾乎100%利用率沒有損耗，而高壓直流支路上由于有節(jié)能休眠功能，可在任何負載下都可達到93%以上的效率，那么綜合效率可以達到96%以上，而2N的UPS方案我們仍按實際效率90%來算，因此前者至少節(jié)能6%。同樣以1