當(dāng)前位置：
直流（HVDC）不間斷西安電源系統(tǒng)。盡管所有國(guó)家的市電都是交流，但是IT設(shè)備內(nèi)部都采用直流供電，這就為直流供電提供了可能。事實(shí)上，通信行業(yè)采用直流48V供電已經(jīng)有幾十年的歷史，電力行業(yè)也長(zhǎng)期采用直流220V作為斷路器等設(shè)備的操作和控制電源。
傳統(tǒng)UPS設(shè)備存在效率低、可靠性差、靈活性和擴(kuò)展性差、故障后不易修復(fù)等問(wèn)題，所以業(yè)內(nèi)一直在尋找替換UPS的方案。國(guó)外早在上世紀(jì)90年代就提出高電壓直流供電的方案，如1999年日本代表INTELEC上發(fā)布《290V直流供電系統(tǒng)是電信和數(shù)據(jù)高效和可靠的供電系統(tǒng)》。真正有效的推動(dòng)直流供電大規(guī)模應(yīng)用，卻發(fā)生在國(guó)內(nèi)，2007年，中國(guó)電信結(jié)合DC48V和DC220V系統(tǒng)，提出DC240V系統(tǒng)并應(yīng)用在江蘇省自用的數(shù)據(jù)機(jī)房。隨后，中國(guó)移動(dòng)提出了DC336V的系統(tǒng)。
圖2是現(xiàn)有主流的高壓直流供電系統(tǒng)圖，與通信行業(yè)48V直流系統(tǒng)架構(gòu)基本一致。與傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)換在線式UPS系統(tǒng)的主要區(qū)別，是取消了逆變環(huán)節(jié)，蓄電池掛接在直流母線，與整流器并聯(lián)，同時(shí)為IT設(shè)備供電。由于直流電源拓?fù)浜?jiǎn)單，因此故障率較UPS有所降低，因采用模塊化設(shè)計(jì)，可在線維護(hù)。
現(xiàn)有典型高壓直流供電系統(tǒng)圖
1DC240V or DC336V，電壓等級(jí)的選擇。
采用高壓直流供電架構(gòu)遇到的第一個(gè)問(wèn)題就是電壓等級(jí)的選擇。涉及系統(tǒng)效率、元器件耐壓、配電設(shè)備耐壓、配電線路的金屬消耗、與蓄電池的匹配、對(duì)現(xiàn)有IT設(shè)備電源的匹配等因素，重要的因素是對(duì)IT設(shè)備的兼容。
DC336V系統(tǒng)浮充電壓為380V，采用單體2V電池168只，適用于有PFC電路的IT設(shè)備或?qū)橹绷麟娫囱兄频腎T設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是配電線路的金屬消耗量小，轉(zhuǎn)換效率高。其主要缺點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)有IT設(shè)備的兼容性不如240V直流系統(tǒng)。
DC240V系統(tǒng)浮充電壓為270V，采用單體2V電池120只，對(duì)現(xiàn)有IT設(shè)備的兼容性極好，由于電壓較低，因此對(duì)人身的安全性較好，其主要缺點(diǎn)是配電線路的金屬消耗大，與DC336V相比，電源轉(zhuǎn)換效率較低。
DC240系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)從提出到實(shí)施落地已經(jīng)超過(guò)7年，保守估計(jì)，目前應(yīng)有數(shù)以十萬(wàn)計(jì)的IT設(shè)備運(yùn)行在DC240V系統(tǒng)下，其可行性得到較好的實(shí)踐檢驗(yàn)。其效率可以通過(guò)元件的選擇以及采用離線架構(gòu)（后文詳述）彌補(bǔ)，將電源與負(fù)荷就近布置也可以抵消配電線路金屬的消耗。綜合考慮，建議選擇DC240V。
2DC240V系統(tǒng)的IT設(shè)備兼容性
IT設(shè)備電源模塊的前端一般是一個(gè)橋式整流電路，從原理上看，輸入由AC220V替換為DC240V可以工作，另外，中國(guó)電信等公司也做過(guò)一些IT設(shè)備DC240V供電兼容性的測(cè)試，有些資料宣稱兼容性達(dá)98%以上。
不論原理如何，也不論其他公司兼容性測(cè)試數(shù)據(jù)有多高，當(dāng)決定選用DC240V直流供電后，必須進(jìn)行系統(tǒng)的兼容性測(cè)試，建議的測(cè)試內(nèi)容至少包括：正常電壓、反復(fù)上下電、極性反接、誤接地、欠壓保護(hù)、緩慢上電、長(zhǎng)時(shí)間工作7項(xiàng)內(nèi)容。
一項(xiàng)對(duì)34款服務(wù)器、17款交換機(jī)所做的兼容性測(cè)試中，共有8款服務(wù)器電源、1款交換機(jī)電源不支持，服務(wù)器電源不兼容率高達(dá)24%；5款I(lǐng)T設(shè)備不支持正負(fù)極反接，這個(gè)需要在確定接口極性時(shí)特別注意；還有1款服務(wù)器在長(zhǎng)時(shí)間（不小于3個(gè)月）測(cè)試中出現(xiàn)性能不穩(wěn)定，經(jīng)常宕機(jī)情況。有些雙電源服務(wù)器的2個(gè)電源模塊分別由不同的廠家提供，會(huì)有1個(gè)兼容另1個(gè)不兼容的情況。不做相關(guān)的測(cè)試，很難發(fā)現(xiàn)其中的問(wèn)題，當(dāng)大規(guī)模上線后再遇到問(wèn)題，恐怕為時(shí)已晚。
3從在線到離線，節(jié)能到極致
與雙變換在線式UPS應(yīng)用類似，高壓直流目前也以在線應(yīng)用為主。所謂在線（Online），是指交流電能始終經(jīng)HVDC整流后為IT設(shè)備供電，通常有6%以上的損耗；所謂離線（Offline），是指正常情況下市電直供IT設(shè)備，HVDC僅為蓄電池提供浮充，市電中斷后，轉(zhuǎn)由蓄電池供電，在這種架構(gòu)下，正常情況為IT設(shè)備供電的電能不經(jīng)過(guò)HVDC轉(zhuǎn)換，此部分損耗幾乎可以忽略。因此節(jié)能效果顯著。圖2.3.1–2.3.3顯示了傳統(tǒng)UPS、HVDCOnline、HVDCOffline在系統(tǒng)效率上的差異。
百度推出的HVDCOffline供電架構(gòu)
HVD COffline架構(gòu)大的問(wèn)題在于IT設(shè)備供電的兼容性。毫無(wú)疑問(wèn)，這種架構(gòu)需要定制IT設(shè)備電源。簡(jiǎn)單的定制無(wú)需改變?cè)须娫茨K的硬件，只需修改控制軟件，調(diào)整其中1個(gè)模塊為熱備狀態(tài)，優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可靠性較高，缺點(diǎn)是熱備模塊的空載損耗較高；如果做更深度的定制，將備用模塊處于休眠狀態(tài)，可以進(jìn)一步節(jié)省備用模塊的空載損耗。
由于IT設(shè)備的峰值功耗和常載功耗有較大差異，另外IT設(shè)備的西安電源系統(tǒng)模塊配置容量通常偏大，所以采用主備供電時(shí)，主用模塊的負(fù)荷率容易進(jìn)入效率較高區(qū)間，加上熱備模塊的空載損耗，IT電源的整體損耗與雙路均分負(fù)載方式基本相當(dāng)。
此方案還有一個(gè)潛在的收益，即IT設(shè)備主用模塊負(fù)荷率提高后，輸入端THDi明顯降低，進(jìn)一步降低諧波在線路及變壓器上的傳輸損耗。
分布式不間斷電源系統(tǒng)
UPS或HVDC通常采用集中式供電方案，集中式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)資源共享，降低成本，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)故障范圍大，影響面廣。
UPS也有小型機(jī)分布式供電方案，但是多套分布式小型機(jī)系統(tǒng)與1套集中式大型UPS系統(tǒng)相比，小型機(jī)的數(shù)量多，故障點(diǎn)多，成本高，因此大中型數(shù)據(jù)中心不會(huì)采用分布式UPS系統(tǒng)。
盡管有如上問(wèn)題，但是對(duì)于分布式不間斷電源系統(tǒng)的探索，從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)。
1DC12V分布式系統(tǒng)
谷歌是很早進(jìn)行服務(wù)器自研定制的互聯(lián)網(wǎng)公司，同時(shí)也放棄了集中式UPS電源方案，轉(zhuǎn)將蓄電池分布到每臺(tái)服務(wù)器電源直流12V輸出端。詳見(jiàn)圖3.1。
市電正常時(shí)，進(jìn)入服務(wù)器電源轉(zhuǎn)換成DC12V為服務(wù)器主板供電，同時(shí)為蓄電池提供浮充電源，市電停電后，由DC12V母線并聯(lián)的蓄電池繼續(xù)給主板供電，直到柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后回復(fù)交流供電。谷歌早期采用鉛酸電池供電，因服務(wù)器內(nèi)部高溫導(dǎo)致鉛酸電池故障率高，后改為鋰電池方案。蓄電池的后備時(shí)間為分鐘級(jí)（通常為1-3分鐘）。
此方案的優(yōu)點(diǎn)是大大簡(jiǎn)化了IT設(shè)備前端供電系統(tǒng)，缺點(diǎn)是服務(wù)器電源需要深度定制。
2DC48V分布式系統(tǒng)
Facebook于2011年公開(kāi)了其自建數(shù)據(jù)中心的資料，供電系統(tǒng)采用DC48V離線備用系統(tǒng)。詳見(jiàn)圖3.2。
FacebookDC48V分布式供電架構(gòu)
Facebook為每6個(gè)9kW的機(jī)柜配置1個(gè)鉛酸蓄電池柜，輸出為DC48V，服務(wù)器電源采用AC277V和DC48V雙輸入，市電正常時(shí)作為主用，市電中斷后由蓄電池輸出DC48V為服務(wù)器供電。蓄電池后備時(shí)間為45秒。此方案的系統(tǒng)效率與240VHVDCOffline方案及DC12V分布式系統(tǒng)相當(dāng)。
3DC240V分布式系統(tǒng)
隨著業(yè)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗關(guān)注日益增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)近幾年出現(xiàn)了一種新型的分布式DC240V電源設(shè)備，同樣采用離線方案，市電正常時(shí)，直接輸出市電電源，市電停電后，由內(nèi)部鋰電池提供DC240V輸出。
這種方案的優(yōu)勢(shì)是IT設(shè)備無(wú)需定制，只要兼容DC240V供電即可。其缺點(diǎn)是電源內(nèi)部存在AC220V和DC240V的切換，系統(tǒng)可靠性降低；鋰電池串聯(lián)數(shù)量多，單只電池故障會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性。
從實(shí)際應(yīng)用效果看，某互聯(lián)網(wǎng)公司租用的數(shù)據(jù)中心一年中發(fā)生十幾起電源故障，證明此架構(gòu)還需完善。
總結(jié)和展望
根據(jù)以上討論，可以看出數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)架構(gòu)呈現(xiàn)如下兩種趨勢(shì)：
1
從在線到離線
UPS ECO模式、DC48V電池備用、DC12V電池備用、DC240V電池備用等本質(zhì)上都是將電源離線，從而降低電源成本和運(yùn)行損耗。
2
從集中到分布
隨著鋰電池等新型儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)時(shí)代服務(wù)器快速部署、靈活擴(kuò)展的需要，不間斷電源設(shè)備正在從集中到分布。
供電架構(gòu)只有更好，沒(méi)有更好，選擇與業(yè)務(wù)匹配的技術(shù)才是最佳選擇。對(duì)于追求穩(wěn)定可靠的銀行客戶，UPS雙總線架構(gòu)可能是穩(wěn)妥的選擇；對(duì)于追求低成本、快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，將更青睞于分布式鋰電池方案。
另一種格式的總結(jié)和展望
過(guò)去，計(jì)算機(jī)作為一種非常嬌貴的設(shè)備，雙轉(zhuǎn)換在線式UPS消除了市電電能質(zhì)量問(wèn)題，但帶來(lái)了6-10%的電能損失以及其自身可靠性低的問(wèn)題。
通過(guò)冗余可以提高系統(tǒng)可靠性，UPS發(fā)展出主備供電、N+1冗余并機(jī)、雙總線、分布冗余等方案，相應(yīng)帶來(lái)的是成本和能耗的進(jìn)一步增加。
為了避免UPS設(shè)備故障率高的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)提出并已規(guī)模部署了直流240V電源系統(tǒng)，大部分IT設(shè)備可以直接兼容直流供電。
UPSECO模式是一種離線供電方案，雖然效率較高，但是解決不了UPS設(shè)備故障率高和不便于維護(hù)的問(wèn)題。
Facebook提出了48V直流電源設(shè)備離線運(yùn)行的方案，降低了西安電源系統(tǒng)設(shè)備投資和損耗。48V系統(tǒng)的缺點(diǎn)是電壓低，電流大，配電設(shè)備容量大，配電距離近，不僅投資高，而且蓄電池需靠近服務(wù)器機(jī)柜布置。
國(guó)內(nèi)蓄電池的品質(zhì)差，易產(chǎn)生漏液、著火等故障，因此這種方案直接應(yīng)用于國(guó)內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)非常大。百度提出了240V高壓直流離線應(yīng)用的技術(shù)方案，蓄電池安裝在專門(mén)的電池室，有效控制了安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)電源設(shè)備成本節(jié)省70%，電源效率提高到99.5%。
DC12V分布式鋰電池方案可以簡(jiǎn)化前端供配電系統(tǒng)，加快部署速度，但是國(guó)內(nèi)動(dòng)輒15分鐘以上的后備時(shí)間與谷歌分鐘級(jí)（據(jù)估計(jì)3分鐘左右）的后備時(shí)間相比，鋰電池的配置增加3-5倍，相應(yīng)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)都成比例增加。
隨著國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心前端配電系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的完善以及運(yùn)營(yíng)水平的提升，蓄電池的后備時(shí)間一定會(huì)縮短，分布式鋰電池供電系統(tǒng)將在互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)數(shù)據(jù)中心迎來(lái)春天。
