浅谈数据中心高压直流技术

石咸胜

摘  要：随着数据机房新技术应用日新月异，更新非常快，高压直流技术作为近几年发展起来的技术，在BAT和运营商已广泛应。本文对数据机房新技术应用进行调研总结，从高压直流的发展历程、国内外应用、系统形式、优缺点等方面进行粗浅分析，供同行批评指证。

1.高压直流的发展历程

1.1低压直流电源

由于老式工频UPS电源和高频UPS电源的系统复杂、备份冗余要求高和效率不高等缺点，工业界开始了直流通信电源的研究。早期的直流通信电源有-24V、-48V和-60V等电压等级，在经过实际使用比较后，-48V的直流电源结构被通信行业接受。

相对工频UPS电源和高频UPS电源，-48V直流电源效率高、更稳定、体积更小、重量更轻。

-48V直流电源也有其不可忽视的缺点：

1）通常通信设备的功耗都较大，而-48V直流电源的输出为48V，这就导致其输出电流非常大，为了能承载其输出电流且降低线路传输损耗，所用电缆的线径较大、耗铜量非常大，这大大增加了-48V直流通信电源的成本，另一方面也加大了线路分布和线路管理的难度。

2）因其输出电流较大，导致其第二级的DC/DC电路开关管的导通损耗也较大，限制了其效率的提高。

1.2高压直流系统

针对-48V直流电源存在的问题，工业界开始研究高压直流通信UPS电源。高压直流通信UPS电源具有-48V直流电源所具有的优点，也改进了-48V直流电源输出电压低所导致的的线缆问题，且进一步提高了电源的效率。

高压直流中的“高压”并不是按照我国电力高低压标准来区分的，而是相对于通信领域现有直流技术进行的区分。

应用于ICT机房的高压直流供电标准目前有如下几种：

欧美：300V～575V;

中国：较为普遍的是240V和336V两种。当前中国电信、BAT、中国联通及行业客户大多选择240V高压直流，而中国移动多选择336V高压直流。

高压直流系统主要由交流配电单元、整流模块、蓄电池、直流配电单元、电池管理单元、绝缘监测单元及监控模块组成。正常工作情况下，整流模块将交流配电源输出的380V交流转换成240V或336V高压直流，高压直流经直流配电单元给通讯设备供电，同时也给蓄电池充电。当交流输入发生故障时，直流由蓄电池给通讯设备供电。

HVDC与UPS相比出现时间要晚的多，而且迄今为止，还没有形成统一的标准。

高压直流系统在中国市场得以在一些项目中实现应用，但后期随着模块化UPS的技术成熟，HVDC的短暂热潮已然消退，从国内市场目前数据中心的供电架构来综合分析，仍然是UPS占据绝对主导地位。

2.高压直流应用范围

目前从国际国内来看，数据中心采用直流供电主要集中在运营商、大型互联网公司、金融、广电等行业。具体应用情况如下：

2.1国际应用

1999年，在21届INTELEC 99（哥本哈根）会议：法国电信首次提出了高压直流概念。随后日本NTT公司提出了270V的高压直流试验电压值。2003年，25届INTELEC 03（横滨）会议：瑞典POWERBOX，NETPOWER，ERICSSON等公司提出采用300VDC系统供电的建议。2005年，在27届INTELEC 05（柏林）会议：法国电信提出采用300-400VDC的建议。在2007年，29届INTELEC 07（罗马）会议，美国INTEL公司提出在电信和数据中心采用400VDC 配电;瑞典NETPOWER LABS AB 等介绍了9kW HVDC UPS 350VDC 运行一年的经验。

欧美国家十几年前就针对HVDC进行研究和试点，以解决UPS效率低的问题，全球已经有大量应用，但商用规模还在推广阶段，主要应用场景为运营商的ICT机房。

NTT（日本电信）、FT（法国电信）、KT（韩国电信）等运营商广泛支持HVDC，并率先在ICT机房应用。应用HVDC方案替代原有的UPS系统-48VDC通信电源系统，一套系统保证可靠性同时归一化管理。

2.2国内应用

HVDC国内应用——主要商用于运营商数据中心和BAT新建机房。

中国电信，在2007年在江苏电信开始试点240V（工作电压204-288V）高压直流通信电源产品。2010年开始推广扩大试点，在江苏、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，相继进行高压直流试点，截至2010年底已建成110套高压直流系统，特别是江苏电信已有多个IDC机房、多套核心IT系统和业务平台改用高压直流系统进行供电。在2011年首次启动集团采购，并主导了YD/T 2378-2011《通信用240V电源系统》标准的编制。

中国移动，在2008年已经启动336V（工作电压300V-400V），并于2013年首次启动集团采购，现正申请336V标准的审批。2009年开始高压直流供电系统实验局建设，先后在深圳、内蒙古等地进行了高压直流供电的测试。

中国联通，2010年开始建设240V高压直流供电实验局，已在江苏南通、郑州等多地开展实验测试，并准备扩大高压直流供电系统给的应用。

中国电信采用240V电压等级，主要是为适应中国电信存量较大的原有的220VAC服务器的UPS电源改造，为适应原有的220VAC交流服务器电源，所以输入电压规格设置在204-288VDC范围内，以兼容220VAC服务器电源的输入整流后电压。

目前，国内市场HVDC的使用范围还是比较有限，仅局限于特定的客户，HVDC在国内市场占用率不足5%，在全球市場占有率不足1%，UPS配电还是占据主导地位。

HVDC的出现时为了解决UPS效率低的问题，随着高频UPS效率越来越高，尤其是模块化UPS效率更高，HVDC相比UPS配电已无明显优势，HVDC未能在市场上大面积推广及应用。

3.高压直流系统形式

3.1常见的高压直流系统

1）336V HVDC

主要问题：采用336V HVDC供电，后端的IT设备需要定制。

20240V HVDC

主要问题：可利用IT设备的自适应，但变换次数与UPS相同，效率上无优势。

3.2HVDC常见供电方式

1）单系统双回路供电方式

负载设备双路供电保证供电冗余，性价比高。

2）1交1直供电方式

效率高，互联网企业（如腾讯、阿里等）已经有规模应用。

3）双系统双回路供电方式

供电系统整个回路1+1备份，供电可靠性高，成本高，应用非常少。

受限于直流供电系统的断路器造价等问题，当前调研的HVDC供电架构很少会出现类似于UPS的2N架构，所以HVDC数据中心的供电可靠性从架构上看并不高。

由于HVDC采用模块化架构，所以在后期的运营过程中，维护非常方便，所以模块化架构还是深受机房运维部分人员的青睐。

但也有调研过的部分HVDC数据机房显示，在后期的运营过程中，存在一定的整改风险，即将HVDC替换成了UPS。究其原因，多是由于后端IT设备的不兼容，迫于业务要求，不得已进行替换。

4.高压直流优缺点

在数据中心配电系统中，HVDC和UPS的位置是一样的，区别在于两者不同的工作原理、内部结构，相比较而言，HVDC主要的优势在于高效、结构简单，但随着模块化UPS产品的不断发展，目前多家UPS厂商产品整机效率≥96%，而且运维也非常方便，因此HVDC在效率和运维方面的优势已经逐渐被弱化。

4.1直流供电优势

1）高压直流系统采用模块化设计，可大容量并机集中式供电也可小容量一体柜分布式供电，供电方式非常灵活。采用分布式供电的高压直流系统可以直接放置在列头柜位置，无须配套的独立电力室，大大节省机房空间。而且分布式供电故障影响面小，只影响一小区域，不像UPS出故障则影响一大片区域的供电。高压直流系统不仅供电设备可以分期建设，而且设备内部还可随着IT设备上架量不断增加，逐步按需配置模块个数。而且直流并机没有频率和相位相同的需求，因此并机非常简单可靠，同样系统扩容也非常容易。

2）模块化设计的另外一个重大好处是运维得到了大大解放，而且不再依赖于UPS厂家的支持。如果发现了故障模块，需要做的只是热插拔更换故障模块，像换块服务器硬盘一样简单，一线的现场人员即可处理，非常便捷。我们知道48V的通信电源系统非常成熟可靠，而且大家有丰富的运营经验，那么240V高压直流技术的运营几乎借鉴了48V系统的原理，也非常便捷可靠。

3）关于高压直流系统的高效率。我们知道高压直流系统不再采用2N配置（如果要求高可靠性，完全也可以实现2N），而采用的是系统内部模块的N+1配置，且可以根据实际负载情况配置合适的整流模块个数，得到较高的负载率，从而有很高的系统效率。

4）由于高压直流系统自身具备的节能休眠功能，可以根据实时负载需求开启合适的工作模块个数，保证在全负载范围和机房全生命周期都可实现高效率。而不像传统的UPS方案在机房建成初期设备上架率较低时候效率很差

5）高压直流系统的一个非常明显的优点是不但自身可实现成熟的电池管理，而且还有智能休眠节能功能，其原因仍是电池直挂母线。由于电池直挂母线，那么瞬时的负载冲击可以通过电池放电来做缓冲，休眠退出过程中电池放电，然后设备退出休眠后再正常带载，因此不会拉垮系统;而传统的模块化UPS方案若启动休眠，由于电池挂接在逆变环节之前，则可能无法及时退出休眠导致整个系统宕机掉电。

6）空载下高压直流系统启动节能休眠后功耗很低只有几百瓦，日耗电6度，而传统的UPS空载日耗电160度，低载下节能非常明显。并且最新的高压直流系统休眠控制策略还具有同步老化以及定时唤醒功能，保证整个系统的各个整流模块同步老化，并提高系统的可靠性

4.2直流供电劣势

1）元器件成本较高：HVDC的空气开关、熔丝、接触器（继电器）、接插头需要工作在高压、直流工况，不方便选用，成本也高出一般交流产品;有数据显示，1250A的交流开关大概价格在几K，而同样规格的直流开关大概价格是对应交流开关的近10倍。

2）安全性存在疑问：HVDC有被人触摸而造成电击危险，高压直流断开时容易拉弧，易造成火灾（380V）;

3）对用户设备有一定要求：HVDC是高压直流输入，对机房和IT设备的保护电路和接插件提出较高要求，部分IT设备不能应用;

4）标准缺乏：仅有行业标准，IEC、国标等权威机构尚未就高压直流供电做出业界普遍遵循的标准，因此HVDC行业发展较慢，各个厂家的产品规范化也较弱;

5）产品标准化程度较低，周期长：HVDC设备器件互换性差，當前的应用范围也较窄，订单式生产，成本较高，交货周期长。