高压直流数据中心的探索与实践

文｜中国工程建设标准化协会信息通信专业委员会数据中心工作组 朱 华

1 高压直流应用背景

1.1 传统的新挑战

数据中心行业一直采用UPS 电源系统供电或低压直流系统（48V）供电。随着IDC业务的快速发展，传统的UPS供电模式在安全性、经济性方面凸现出很多问题；为了提高能效，提升可靠性，降低成本以应付高速增长的数据中心服务器规模。我们采用高压直流（标称240VDC）供电系统向IT 设备供电，以低投资、高可靠性、低运营成本的优势向传统的UPS交流供电模式提出了新的挑战。

本文将从高压直流背景、高压直流的配电优势、高压直流运营情况分析、高压直流技术未来发展趋势几方面来简单阐述高压直流在数据中心的应用。

1.2 全球行业研究方向

（1）美国伯克利国家实验室的研究，400V高压直流供电系统

美国伯克利国家实验室（LBNL）联合产业链相关企业于2006年进行了一项旨在提高IDC机房能效的研究，研究结果表明，在实验条件下，机房采用400V直流供电比UPS供电实现节电7%。同时，直流供电系统具有更简单的结构和更高的可靠性。尽管业界对这项研究的过程和结果还有许多值得讨论的地方，但这项研究是第一次针对IDC机房应用环境就直流和交流供电方式进行了系统的比较研究，其实验结果为业界后续研究提供了很好的借鉴。技术架构如图1所示。

这个技术的不足点是需要改变整个电源的产业链，因此在推广中变得异常困难。

（2）日本NTT的应用研究，270V直流供电系统

随着技术和应用的不断发展，在前期研究的基础上，NTT于2008年构建了两套380V直流系统进行IDC高压直流应用的实验验证。技术架构如图2所示。

日本的电源系统架构有一点特殊之处，电池没有直接连接于电源母线，而是通过一个电压补偿器与母线连接。这种架构的好处是可以使电源母线电压尽量保持稳定，方便后端负载的电源设计。不足之处是电池组需要独立的充电器和补偿器。此外，二极管串接于电池供电回路，增加损耗。在这种供电架构下，电源输出标称电压和电池组节数没有对应关系，这点值得注意。该种技术架构不足点是电池不是直接挂在母线之上，增加了配电架构中的不可靠性。

（3）法国电信的研究，336V高压直流系统

法国电信是较早研究服务器高压直流供电的运营商之一，法国电信从2008年开始针对服务器机房高压直流供电问题着手进行实验研究。实验系统的拓扑结构与48V通信电源方式类似，采用电源设备直接为服务器供电，电池组通过保护器件直接挂接在母线的备电方式。实验采用标称电压336V，兼容168只铅酸电池的工作方式。高压直流经机架上的DC/DC模块降压后为服务器供电。

图2

（4）韩国电信的研究，300V的高压直流系统

韩国电信研究的一个出发点是目前网上存在大量的交流服务器，高压直流供电系统设计要考虑兼容目前的交流服务器，在此基础上提出了标称电压300V的直流系统，电池组采用150节铅酸电池串接，并进行了实验研究。实验结果表明采用300V直流供电系统，比采用UPS供电方式系统效率提高14%～15%，可靠性也有大幅提高。

考虑目前的服务电源输入电压上限一般为264VAC，针对部分交流器采用300V的输入电池组的均充电压将达到360V，这可能会引起服务器电源输入过压保护。针对这个问题，相关的研究报告没有做进一步说明。

1.3 为什么选择240VDC 等级

高压直流240VDC电源，以其高可靠性的特点，广泛应用于电网关键设备（断路器开合）的控制。 我们通常在中压或者高压用户站看到图3这样的设备。

图3

这就是我们进行中国高压直流研究的基础设备，但是，由于应用场景的不同，这些高压直流设备的谐波非常大，某些产品THDI可以达到60%，应用在规模数据中心里面，显然是有问题的，因此我们对高压直流模块进行少许拓扑的改造，抑制先前大谐波等问题，同时增加休眠控制、漏电流监控等新功能，应用于数据中心配电主架构，此直流电压等级可直接兼容标准服务器的电源。

1.4 兼容标准IT设备电源

图4和图5是标准服务器的开关电源，在交流220V和直流270V输入情况下的整流桥工作状态，在直流输入的情况下，整流桥中只有一半整流管工作，过整流元件的平均电流一定，电流脉动成份越小，发热量更小，对于输入电压的问题，服务器开关电源通常整流桥后为PFC电路，电压通常为400V，而且输入电压范围很宽，200VDC以上都能正常工作。因此，中国的高压直流（标称240VDC，实际工作电压270VDC）可以直接兼容标准。

图4 AC220V情况下整流桥工作情况

图5 DC270V情况下整流桥工作情况

2 高压直流的配电优势

2.1 概述

（1）设备负载率高，加上节能休眠管理，可以大大提高系统整体效率。

（2）拓扑简单，电池直接挂在母排上，且电源模块N+1冗余，可靠性高。

（3）电源模块达到插拔式的便利程度，可在机柜内按需在线扩容。

（4）并机扩容无交流电源幅度、相位和频率的同步要求，机柜扩容简单。

（5）标准机柜设备，可以集中能源池布置，也分散到网络设备群中布置。

（6）现场更换故障电源模块简易，一线运维人员即可操作。

总结起来，拓扑简单、模块化结构、效率更高。

2.2 简化电气系统结构

简单的高压直流拓扑结构可以达到同样的可用性，而UPS并机加STS切换较之高压直流供电结构复杂的多。如图6所示。

2.3 可靠性计算

电路拓扑结构越简单，系统可靠性就越高，高压直流可靠性远大于UPS，从图7的可靠性计算，单系统UPS的可用性达到5个9，而同样单系统的高压直流系统可以轻松达到7个9，这得益于其拓扑简单。

2.4 转化效率计算

在低负载率的情况下，通过对交流220V，直流48V，高压直流240V的配电架构上的各个转换器件的效率对比，我们可以从图8看出，采用高压直流的配电技术将比48V供电提升8%，比220V配电提升26%，当然这个是理论计算值，实际上会有所偏差。

2.5 全模块化便于维护

高压直流全部模块化，可热插拔；同时两套系统的电池可母联，这样可在线维修或割接。关于易维护这点，我们曾经请教过从业二十几年的动力维护工程师，在他的记忆中，数据中心的UPS产生故障后，从来都是判断故障可能性，联系厂家现场维修，从来没有在UPS发生故障时，自己真正的动手维护过，尽管他是有着二十年的维护经验。使用高压直流后，只需要稍加培训过的技工，就可以根据故障单指引准确地拔出故障模块，替换上高压直流模块，简单而且准确，因此高压直流的模块化是其展现强大应用前景的比较突出的优势。如图9所示。

图6

图7

3 高压直流的运营分析

3.1 开关电源适用性及寿命

（1）从电压（峰值）等级分析

220VAC给后级的电压为220×1.414=311V，而高压直流为270V，交流的电压更高。

图8

图9

（2）从电流方面分析

高压直流电压升高了，但电流减少，二极管功耗减少；交流220V输入电流为类似正弦波，电流峰值大，电流有效值偏大。

（3）从热量方面分析

整流桥采用同一散热片散热，总散功率不变；直流输入，无脉动成分；而交流输入脉动大，发热量更大（二极管反向恢复少）。

（4）从安规距离方面分析

交流220VAC输入时峰值为311V，不管是爬电还是电气间隙都要求更大；而且交流输入下寄生电容导致的漏电更多，但是使用高压直流没有这个问题。

从图10二极管伏安特性中可以看出，标准服务器开关电源在输入高压直流后，其二极管两两工作在饱和区或者截至区，工作状态不变且稳定，无脉动，这就等同于我们的水库大坝，要不就开闸放水，要不就蓄水，如果水库呈波浪型冲击大坝，大坝寿命岂不受到严重影响。

图10

3.2 网络设备的兼容性

笔者历时三个月，选用目前主流的接入和核心网络设备，输入高压直流，同时结合交换机的设计业务测试，结果全部通过，交换机在高压直流下，工作稳定，完成各项业务极限测试。如图11、图12、图13、图14、图15、图16所示。

图11 Cisco高压直流支持

图12 Force10 高压直流支持

图13 H3C 高压直流支持

图14 Juniper 高压直流支持

3.3 服务器的兼容性

笔者通过对 DELL、HP、IBM、EMC、联想、华为品牌服务器及存储200多个型号的机器测试通过。在判断开关电源是否应用高压直流时，可用模拟万用表测试，阻值上百欧的说明有变压器，不支持；几十千欧以上的支持上电测试。同时负载设备电源只要符合SSI、ATX标准，不增加交流电检测、频率检测功能的，都兼容高压直流。

图15 Arista 高压直流支持

图16 网络接入和核心设备实验现场

3.4 产品支持度

目前国内厂商有成熟高压直流产品的有：艾默生、浙江中恒、中达电通、伊顿、动力源、金威源、澳特讯、英可瑞，经过四年的市场培育，厂商纷纷重新设计改进原先的动力操作电源的拓扑，使之适应数据中心崭新的应用场景，已然形成成熟的产业链条。

3.5 应用成熟度

（1）运营商采用高压直流案例

电信：江苏、北京、吉林、上海、浙江、安徽、江西、湖北、广西、重庆、四川、贵州、广东地区，相继高压直流市电截至2010年底搭建高压直流系统110套，江苏部分机房使用案例已经超过4年，运用高压直流的机房相比较UPS系统效率实测在12%～24%的节能，相比较UPS系统投资成本在12%～50%之间的节省。如图17所示。

图17 2010年某运行商高压直流技术应用统计

（2）互联网运用高压直流的案例

阿里巴巴目前在杭州东冠与电信合建整层高压直流试点机房，规模在6000台服务器左右。

腾讯公司分别在广东和上海电信合建高压直流机房，规模在5000台服务器左右。

4 高压直流技术发展趋势 ——270V/12V集中供电

这种高压直流的新型架构，两级电源集中转换，转换效率高，同时具备电源集中管理，自动休眠使之适应数据中心建造完后阶段性上架的特性，保持电源转换曲线始终处于最高效的93%～95%之间，目前此配电架构的试点已经运转半年，PUE在1.5～1.6之间，是传统的直冷方式，即传统风冷。

5 结束语

标准交流开关电源的IT设备兼容240V（标称电压）高压直流供电，在我国的IDC中属于中等规模的部署，最长应用案例已超过4年，已经有数以万计的IT设备、多个IDC机房、多套核心网络和业务平台采用高压直流供电。从运行数据结果统计，用高压直流替代传统的交流UPS供电，在UPS整个生命周期内平均节能大于20%；从新建系统统计分析，高压直流系统替代传统的交流UPS系统，平均节省投资大于40%；高压直流以其配电拓扑简单性，赢得更高的可用性，同时其模块化维护，操作方法得到简化，以上明显优势的特征，使高压直流的应用前景广阔。