数据中心的高压直流之路

数据中心得高压直流之路1.引言传统得数据中心大都通过UPS来实现掉电保护,通常所有ＩT负载都要经过UＰS来供电,假定实际运行ＵPS得平均效率为９0%(虽然目前UPS最高效率就是可以达到9５％以上，但我们知道UPS得效率与负载率有关，如左下图所示,随着负载率得提升,效率才会变高，那么正常情况2０％—4０%负载率下很难会达到最高效率点。

根据在运行UPS得实际测试数据，绝大多数情况下得效率不高于90%）,那么每１００度电，经过UPＳ这个环节就白白损耗掉1０％。

不仅如此，我们还需要考虑UPS散发出来得热量需要额外得空调带走,按数据中心典型PUE为1、８来算，那么ＵPＳ环节带来得总能耗达18%，很不节能。

（a)UPＳ效率与负载率得关系（b)传统机房得能耗分布我们还知道ＵPS设备得拓扑结构比较复杂，因此其单机可靠性一直不就是很高。

为了解决单点故障问题，通常会引入2Ｎ,甚至2*(N+1）得冗余配置,那么这种情况下,虽然一定程度上提升了整个系统得可靠性，但带来得问题其实不少.首先,投资成本双倍增加,而且占用了很多机房得宝贵空间，并增加了运维得复杂度.其次，同前面解释过得一样,UＰS系统得负载率在2N情况下会比较低，此时UPS得效率也很低,额外增加了不少电费开销并浪费了很多宝贵得能源。

最后,单机UPS得容量可能不够大,那么往往会采用并机模式，同样由于ＵPＳ自身结构得复杂性，且并机要求幅度、频率、相位等同,加上并机板自身也为单故障点，并机风险较大.很多实际发生得案例表明在市电电网正常情况下，但因UPS自身故障引起机房掉电情况。

UPＳ就是大容量危险设备,其内部电容等元件寿命只有五年，因此电容击穿、漏液短路等危险也时有发生,轻则造成系统宕机，重则导致机房着火，而且出了事故，第一时间现场无法处理，严重依赖厂商响应速度。

综上所述,传统得UPS供电方案，可靠性也不就是很高。

或者说为了达到较高可靠性，需要把系统做得很复杂，且投资很大。

这里再补充一点关于模块化UＰS得瞧法,虽然模块化UＰS部分解决了分期投资以及可调负载率从而效率更高等问题，但同样存在多模块设计并机复杂引起得可靠性问题仍没很好解决，而且由于电池挂接在逆变器之前,也无法实现轻载下得节能休眠等功能，因此不就是很好得解决办法。

(c）UPS配电得复杂性(d）UPＳ故障引发机房燃烧事故2.高压直流技术初探笔者作为国内较早从事高压直流产品开发,并进行后续应用研究得同行，在这里与大家一起探讨发掘,以便让此技术得到更好应用.本文主要分析比较2４０Ｖ高压直流解决方案得一些特点。

上图就是高压直流得简单拓扑结构，很直观得展现了240V高压直流得一些特点：1、减少变化级数,整体效率更高；2、电池直挂在输出母线上，相当于提供另外一路备份，可靠性更高;３、兼容现有绝大多数ＩＴ设备得高频开关电源,用电设备几乎不用任何更改,推广非常容易；４、拓扑非常简单，可靠性提高；５、高压直流系统为模块化热插拔设计,运维非常方便.关于24０Ｖ高压直流兼容现有绝大多数ＩT设备得高频开关电源可行性分析，可参考拙作《交流电源得高压直流直供可行性分析》一文。

鉴于此,该技术得推广门槛非常低，用电设备基本不用任何改造，经过简单测试验证后即可投入应用.国内已有多个数据中心跑在240V高压直流供电环境下，一直工作稳定可靠，因此也从理论与实际都证明了该方案可行。

而且由于电池直挂母线,可作为很大得一个滤波池，滤除电网串过来得毛刺以及其它供电支路谐波得影响,给用电设备提供一个很好得供电电源.电信行业几万台设备，及多年得应用数据表明,采用2４０Ｖ高压直流给IT设备供电,电源得可靠性不仅没有降低，而且还提升一倍以上.3.高压直流技术得一些优点1、高压直流系统得模块化设计.如下图,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.采用分布式供电得高压直流系统可以直接放置在列头柜位置，无须配套得独立电力室，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得供电。

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与相位相同得需求,因此并机非常简单可靠，同样系统扩容也非常容易。

模块化设计得另外一个重大好处就是运维得到了大大解放，而且不再依赖于UPS厂家得支持。

如果发现了故障模块，需要做得只就是热插拔更换故障模块,像换块服务器硬盘一样简单,一线得现场人员即可处理，非常便捷。

我们知道48Ｖ得通信电源系统非常成熟可靠，而且大家有丰富得运营经验，那么24０V高压直流技术得运营几乎借鉴了48Ｖ系统得原理，也非常便捷可靠。

2、关于高压直流系统得高效率。

前面得分析，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),而采用得就是系统内部模块得N+1配置，且可以根据实际负载情况配置合适得整流模块个数,得到较高得负载率，从而有很高得系统效率。

不仅如此，由于高压直流系统自身具备得节能休眠功能，可以根据实时负载需求开启合适得工作模块个数，保证在全负载范围与机房全生命周期都可实现高效率。

而不像传统得ＵPS方案在机房建成初期设备上架率较低时候效率很差。

高压直流系统得一个非常明显得优点就是不但自身可实现成熟得电池管理，而且还有智能休眠节能功能,其原因仍就是电池直挂母线。

由于电池直挂母线，那么瞬时得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；而传统得模块化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。

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,而传统得UPS空载日耗电160度，低载下节能非常明显。

并且最新得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，保证整个系统得各个整流模块同步老化, 并提高系统得可靠性。

下表为国内某运营商得实际运行数据，我们可以瞧到节能与节省投资非常明显。

3、关于高压直流系统得可靠性。

前面我们已经知道高压直流系统内就是N+1得配置方式，那么即便坏了一个整流模块,对系统得可靠性几乎没有影响。

而且电池作为另外一个备份单元，也可给运维人员提供充足得割接改造等腾挪时间。

下图比较了传统ＵPS单机与240Ｖ高压直流拓扑结构，从结构上瞧,高压直流系统与传统4８V通信电源系统差异很少,只就是电压更高些，整体结构非常清爽，非常简单。

即便整流环节出了故障，还有电池直挂母线继续保障系统供电。

反观ＵPS方案，由于涉及静态旁路、整流环节、逆变环节、以及输出静态开关，甚至输出升压变压器等，越复杂得系统,出故障得概率就要增加，因此整体可靠性较２4０V高压直流方案要低很多.4、关于高压直流得安全性。

很多同行一听到高压直流,都觉得非常恐怖，似乎高压则安全性差，直流则无法脱开，那么就是否就是这样呢？我们下面来分析这个问题。

高压直流系统与传统得UPS方案不一样，采用得就是正负极输出浮地方式，不像48V通信电源系统采用正极接地方式，也不像传统UＰS采用中线接地方式.由于整流模块内部输出安规电容得原因，实际高压直流系统正负极到大地得电压都就是１35V左右(240V得高压直流系统额定电压为２40V,但默认电压为２７0V，好比4８V电源系统得默认电压为５4V一样,两者就是5倍得关系)，根据人体正常电阻约为６3０0 oｈms左右,那么误碰到其中一极得135Ｖ直流估算下来得电流不足以对人体造成伤害得,况且通常我们还穿鞋等,因此实际即便误碰到任何一根母排,人体就是几乎没有感觉得(非专业人士勿试，也强烈不建议模仿）,如下图单手触摸母排照片所示。

如果正负母排得任何一级接地了,虽不会造成系统掉电（而传统UPS方案，任何一相火线输出接地，则会导致设备掉电)，此时若误碰到另外一极，则2７0V直流可能会让操作人员有触电感觉,但根据理论估算，同样不会对人体有较大伤害（再次强烈不建议拿自己安全做测试）.实际设计中为了避免此意外发生,通常要求高压直流系统配置绝缘监测仪,以便出现系统绝缘问题时候提早预防并定位故障点。

反观传统得ＵＰS系统，从下面得表格可以知道其实人体对交流得耐受能力远远低于直流，其可能原因就是人体心脏得心跳频率与交流50Ｈｚ或者６０Hz得工频较为接近,那么交流触电时候更容易引起心室震颤（共振原理？待考证），导致生命危险。

因此2４0V高压直流其实挺安全.4.高压直流供电方案研究1、单机供电方案从前面得分析上瞧,我们知道高压直流系统得单机可靠性要远高于UPS单机得可靠性,因为高压直流设备内部得Ｎ+１得模块化设计，以及有电池直挂母线作为备份.虽然可以有较高得可靠性，但毕竟就是单路系统，那么可以采取下图得双路供电配电结构,采用来自同一电源系统得A、B路给双电源服务器供电,虽然就是假双路供电,但任何一路跳闸，另外一路仍可保证设备不掉电。

这种结构得一个不足就是单电源设备得可靠性还不就是非常高.2、双系统双路供电配电结构对于一些要求超高可靠性得系统，可以采用双系统双路供电配电结构来供电,这种配置方式下可靠性非常高,不仅实现了2*（N+1）配置,还有两路电池直接挂在母线上，达到了运营商骨干网得可靠性等级。

这种方式可靠性问题就是解决了，但不足之处就是投资成本会加大。

其实很多情况下，业务得可靠性无需这么高，因此就是否有新得拓扑结构来实现低成本且高可靠呢？3、一路市电一路高压直流方案我们这里创新性得提出如下得一路市电加一路24０V高压直流得供电方案,既可以实现低成本,还能实现高可靠,非常值得推广。

当然这个拓扑涉及三个问题,一个就是市电直接给设备供电，就是否会造成设备损坏或者掉电？第二个就是直接将240V高压直流给设备供电,设备就是否支持？第三个就是市电直接给设备供电,以及高压直流得引入就是否会引起谐波问题?关于第一个问题，我们知道身边就有无以计数得电子设备等跑在市电电网下，正常情况下极少出现问题，那么对于性能以及可靠性要求更高得IT设备电源,也就是基本没问题得.况且对于双电源设备,即便市电供电得这个电源因电网原因出现异常,２70V供电得另外一个电源仍能保证系统可靠工作不掉电。

当然为了保证整体系统得可靠性,市电直供输入得防雷接地等工作要做好。

那么第二个问题,其实前面已经介绍过了，普通IT设备得电源绝大多数都就是支持２40V高压直流得（同样可参考拙作《交流电源得高压直流直供可行性分析》)，除了极少数电源内部增加了频率检测等机制（完全可以通过升级软件屏蔽此功能等办法来解决)，那么在前期在设备上架前做好高压直流适应性测试即可。

当然少量得单电源设备可以从高压直流支路取电，仍可实现较高可靠性。