“双碳”背景下数据中心高压直流供电的标准与实践

□ 文 余 斌 胥飞飞 李善策

在信息通信领域，数据中心产业链兼具强需求和高能耗的特点，将迎来“碳中和”背景下的新挑战和新机遇。国内各行业对网络化、数字化、智能化提出新需求，AI、5G、物联网等新兴技术的发展和应用，正在持续驱动流量需求、扩大场景化应用，数据中心作为行业数字化转型构建平台能力的重要基石，也在海量数据驱动下进一步扩大规模。“碳中和”背景下企业和设备加速上云，推动旺盛的工业信息流和能量流建设，使之成为驱动数据中心发展的新动能。

与此同时，数据中心、信息通信机房等对其供电系统的依赖度也在急速增加，行业中越来越关注供电系统的可靠性、高效率、易维护性、易扩容能力，其重要性也越来越突出。近几年大量建成并投入运营的数据中心、信息通信机房中采用高压直流系统供电方案的比重迅速增加。此供电方案已被互联网、通信、超算等行业广泛接受和看好，特别是2020年中GB/T38833—2020《信息通信用 240V/336V直流供电系统技术要求和试验方法》的颁布实施，继续推动数据中心高压直流供电系统不断优化，持续助力数据中心、信息通信机房高速、低碳、低能耗平行发展。

1 国内高压直流的技术应用情况

高压直流技术应用分为几个阶段，从2007年~2014年为认知探索阶段，主要在电信运营商和互联网企业试点；2014~2016年取得价值收益，在此期间应用取得实效并在行业中拓展；2016-2018年作为国家重点节能技术推广，提升数据中心高压直流电源在数据中心大规模建设、基地型应用；2018年至今根据新基建战略发展，促进了数据中心对能源变革的响应，确定高压直流将是泛在不间断电源的最佳选择之一。

早在2008年某互联网公司在天津启动建设的国内第一个单园区服务器数量突破10万台的数据中心。其供电解决方案中选择了一路市电直供+一路（240V）高压直流供电。其应用价值收益累计为数据中心节能约8%。以图1所示的形式比较高压直流与传统UPS的特点。

图1 高压直流与传统UPS特点比较

在某互联网公司张北数据中心，有超过30万台套的服务器为百万以上中小企业提供云计算、大数据等服务。其中数据中心内供电方式选择采用240V高压直流供电模式，并大规模使用多套高压直流供电（HVDC）系统，实现快速、灵活的电源部署提高业务尽快上线能力。与此同时高效模块化电源的应用，设备效率不断提升，供电方式中减少了传统“交-直-交”电源转换达到了绿色节能，降低机房总体PUE。

在某互联网公司智能云计算中心，其总建筑面积约11万m2，可承载超过12万台高性能AI服务器。按供电分布式、预制化进行数据中心建设，统一采用市电直供+240V高压直流供电方案，极大提升工程效率。工期缩短50%。

在数据中心大规模发展的背景下，标准引领技术不断发展，综合能效管理与高可靠的供电系统将为赋能数据中心高质量发展提供更多的可能性。

2 GB/T38833—2020国标主要价值点

首先国标带动和促进通信、云计算、金融、能源、互联网、国防、医疗等各行业直流不间断电源产业加速发展，推动通信及数据中心高压直流供电技术的研究不断深化。到目前为止，我国240V直流供电设备的使用广度已位居世界第一，早在2012年HVDC技术被列入国家重点节能技术推广目录（第五批序号44）之中，为引导整个信息通信行业基础设施绿色、节能方向发展发挥作用，致力于整个信息通信行业安全、稳定、绿色、可持续发展。

其次，GB/T38833—2020国家标准的发布与实施，为高压直流电源系统的生产及应用提供标准支撑，有助于240V/336V直流供电系统技术在各行各业的数据中心、信息通信机房中大规模推广使用。同时，在国标编制中，充分考虑与ITU L.1200标准的核心内容保持一致。

3 本国标制定原则

根据技术发展趋势，追踪高压直流电源生产与技术应用的关键点，聚焦各行业领域需求，按照标准必须具有科学性、先进性和适用性的要求。制定以下主要原则：

原则1：“立足高压直流电源产品自身技术、功能要求、使用和试验方法”。国标中要求的技术参数侧重于高压直流电源产品，用于规范高压直流电源产品的研发设计、技术参数、试验方法、产品标准化以及检验、包装、运输、贮存。

原则2：基调为“准确满足高压直流电源产品技术及应用要求”。

原则3：具有促进、引导上下游产业链作用。特别是为服务器、PDU产品兼容高压直流电源做到“有据可依”，能有效解决240V IT设备的兼容性、336V IT设备兼容性的困难点。

4 国家标准部分重点内容列举

4.1 本次国标起草中在名词术语部分对“悬浮工作方式”进行了重新定义，强调了系统直流输出的正极和负极都不直接接地这个关键要点，明确高压直流电源系统的正常工作模式。

4.2 对于高压直流电源系统的输入和输出关键指标，在国标起草期间进行了广泛的调研、对比及验证性测试。考虑到国内各细分行业高压直流电源的需求差异，特别是受到应用场景、投资环境、成本收益等多种因素影响，根据调研和实际应用中的典型带载工况，兼顾不同行业实际应用需要并结合设备实际测试验证结果，将系统和整流器的主要技术指标：输入功率因数、输入电流总谐波畸变率、效率进行分类，用以满足不同的应用场景和系统架构。

4.3考虑标准编制整体结构完整性、适用性、可选择性，在该国标的附录A中明确了整流器额定输出电流及功率的关系。

在高压直流供电系统的工程应用中，工程设计和工程建设人员首先会考虑电源系统架构如何选取的问题，特别是需要综合评价电源系统的安全性、可靠性，按照工程建设的实际条件再考虑经济性的前提下做出决定，在该国标的附录C中给出系统供电架构应用指南，方便工程设计、工程建设人员可根据现场实际情况和机房负荷的重要程度等诸多因素灵活选择。

4.3.1 方式一：单系统双回路供电（如图2所示）

图2 单系统双直流回路供电架构示意图

方式一与原信息通信机房中通常使用的48V直流供电系统类似，对于整体系统结构而言比较简单，而且总体建设投资小。缺点是A路、B路的供电输入来自于同一套高压直流电源系统，即IT负载的两路输入同源，系统可靠性相对较低。

4.3.2 方式二：双系统双直流回路供电（如图3所示）

图3 HVDC双系统双直流回路供电架构示意图

与方式一相比，方式二中的负载端供电是分别从相互独立的2套电源系统，这样的配置消除了系统的单点故障的风险，提高了电源系统的可靠性。缺点是由于采用双路“2N”系统方案配置，电源系统使用的冗余度较大，在正常运行时系统带载率相对较低，使得节能效果降低。

4.3.3 方式三：一路市电+一路直流回路供电（如图4所示）

图4 一路市电+一路直流回路供电架构示意图

方式三采用了一路市电加一路高压直流供电解决方案。此供电方案相比单路保障电源方案将极大提高系统可用性，可最大程度的提高系统效率。相比双路保障供电方案的投资会减少40%以上，但需要综合考虑各地不同的市电电能质量，同时对于计划外停电情况及当地供电网络等因素进行技术评估。综合可靠性、效率、投资、运营等维度选择最匹配的供电架构。

5 HVDC电源产品国家标准发布的影响及作用

随着国标的发布及实施，将进一步巩固我国240V/336V直流电源系统高可靠性、低碳环保、维护便捷的优势，促进240V/336V直流电源设备的高质量发展，并不断提升核心技术竞争力。GB/T38833-2020国家标准不仅与ITU L.1200国际标准核心内容协调一致，为高压直流电源设备的研发、设计、制造、检验和性能测试提供依据标准，促进直流电源生产厂家产品质量提升和不断创新，助力和带动通信、云计算、金融、能源、互联网、国防、医疗等各行业的产业发展。

高压直流电源产品国家标准的发布及实施，从终端用户（运营商、互联网、金融、政企等）到产业链的IT设备，再到产业链的相关硬件提供了更加完善的理论体系支撑。再看数据中心用量增长、用户增长、标准完善程度、产业协同四个维度，有序推进产业电能变革，进一步促进全产业链勇往“直”前，高压直流设备实际应用中系统容量不断扩大，使用数量快速增长。据不完全统计2013年~2020年，数据中心高压直流电源每年新增装置容量已从2013年的30万安培增长到2020年的830万安培，年均复合增长率超过50%，行业应用规模及渗透率逐年增大（如图5所示）。

图5 2013~2020年数据中心高压直流电源每年新增装机容量

6 结束语

高压直流应用趋势与行业生态已经形成，伴随中国大数据产业迎来新一轮爆发，各互联网巨头总计划投入上万亿元竞逐“新基建”数据中心赛道。源源不断的市场需求将推动着云计算高压直流电源的产品定义、应用覆盖。低碳高效、安全可靠、工程产品化是高压直流电源系统下一代技术升级的主基调，并促进多产业供电设施发展战略、设备升级、电能替代，直至实现“直流能源就地消纳”。持续保障数据中心能源规模化、集约化、绿色低碳化 发展。