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1、数据中心的高压直流之路 1. 引言传统的数据中心大都通过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的平均效率为90%（虽然目前UPS最高效率是可以达到95%以上，但我们知道UPS的效率和负载率有关，如左下图所示，随着负载率的提升，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的实际测试数据，绝大多数情况下的效率不高于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散发出来的热量需要额外的空调带走，按数据中心典型PUE为1.8来算，那么UPS环节带来的总能耗达18%，很不节
2、能。 （a）UPS效率和负载率的关系 （b）传统机房的能耗分布我们还知道UPS设备的拓扑结构比较复杂，因此其单机可靠性一直不是很高。为了解决单点故障问题，通常会引入2N，甚至2*（N+1）的冗余配置，那么这种情况下，虽然一定程度上提升了整个系统的可靠性，但带来的问题其实不少。首先，投资成本双倍增加，而且占用了很多机房的宝贵空间，并增加了运维的复杂度。其次，同前面解释过的一样，UPS系统的负载率在2N情况下会比较低，此时UPS的效率也很低，额外增加了不少电费开销并浪费了很多宝贵的能源。最后，单机UPS的容量可能不够大，那么往往会采用并机模式，同样由于UPS自身结构的复杂性，且并机要求幅度、频率、
3、相位等同，加上并机板自身也为单故障点，并机风险较大。很多实际发生的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，传统的UPS供电方案，可靠性也不是很高。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的看法，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的可靠性问题仍没很好解决，而且由
4、于电池挂接在逆变器之前，也无法实现轻载下的节能休眠等功能，因此不是很好的解决办法。（c） UPS配电的复杂性 （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的同行，在这里和大家一起探讨发掘，以便让此技术得到更好应用。本文主要分析比较240V高压直流解决方案的一些特点。上图是高压直流的简单拓扑结构，很直观得展现了240V高压直流的一些特点：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设备的高频开关电源，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
5、，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设备的高频开关电源可行性分析，可参考拙作交流电源的高压直流直供可行性分析一文。鉴于此，该技术的推广门槛非常低，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，因此也从理论和实际都证明了该方案可行。而且由于电池直挂母线，可作为很大的一个滤波池，滤除电网串过来的毛刺以及其它供电支路谐波的影响，给用电设备提供一个很好的供电电源。电信行业几万台设备，及多年的应用数据表明，采用240V高压直流给IT设备供电，电源的可靠性不
6、仅没有降低，而且还提升一倍以上。3. 高压直流技术的一些优点 1、高压直流系统的模块化设计。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。模块化设计的另外一个重大好处是运维得到
7、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。 2、关于高压直流系统的高效率。前面的分析，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。不仅如此，由于高压直流系统自身具备的节能休眠功能，可以根据
8、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。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。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
9、，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。 下表为国内某运营商的实际运行数据，我们可以看到节能和节省投资非常明显。3、关于高压直流系统的可靠性。前面我们已经知道高压直流系统内是N+1的配置方式，那么即便坏了一个整流模块，对系统的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的割接改造等腾挪时间。下图比较了传统UPS单机和240V高压直流拓扑结构，从结构上看，高压直流系统和传统48V通信电源系统差异很少，只是电压更高些，整体结构非常清爽，非常简单。即便整流环节出了
10、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，越复杂的系统，出故障的概率就要增加，因此整体可靠性较240V高压直流方案要低很多。4、关于高压直流的安全性。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，那么是否是这样呢？我们下面来分析这个问题。高压直流系统和传统的UPS方案不一样，采用的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的原因，实际高压直流系统正负极到大地的电压都是135V左右（240V的高
11、压直流系统额定电压为240V，但默认电压为270V，好比48V电源系统的默认电压为54V一样，两者是5倍的关系），根据人体正常电阻约为6300 ohms左右，那么误碰到其中一极的135V直流估算下来的电流不足以对人体造成伤害的，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，人体是几乎没有感觉的（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。如果正负母排的任何一级接地了，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
12、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。反观传统的UPS系统，从下面的表格可以知道其实人体对交流的耐受能力远远低于直流，其可能原因是人体心脏的心跳频率和交流50Hz或者60Hz的工频较为接近，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 从前面的分析上看，我们知道高压直流系统的单机可靠性要远高于UPS单机的可靠性，因为高压直流设备内部的N+1的模块化设计，以及有电池直挂母线作为备份。虽然可以有较高的可靠性，
13、但毕竟是单路系统，那么可以采取下图的双路供电配电结构，采用来自同一电源系统的A、B路给双电源服务器供电，虽然是假双路供电，但任何一路跳闸，另外一路仍可保证设备不掉电。这种结构的一个不足是单电源设备的可靠性还不是非常高。2、双系统双路供电配电结构 对于一些要求超高可靠性的系统，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的可靠性等级。这种方式可靠性问题是解决了，但不足之处是投资成本会加大。其实很多情况下，业务的可靠性无需这么高，因此是否有新的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
14、案我们这里创新性得提出如下的一路市电加一路240V高压直流的供电方案，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，一个是市电直接给设备供电，是否会造成设备损坏或者掉电？第二个是直接将240V高压直流给设备供电，设备是否支持？第三个是市电直接给设备供电，以及高压直流的引入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的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的IT设备电源，也是基本没问题的。况且对于双电源设备，即便市电供电的这个电源因电网原因出现异常，270V供电的另外一个电源仍能保证系统可靠工作不掉电。当然为
15、了保证整体系统的可靠性，市电直供输入的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设备的电源绝大多数都是支持240V高压直流的（同样可参考拙作交流电源的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。当然少量的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。第三个关于谐波的问题，我们知道传统的UPS采用的是晶闸管不控整流技术，不管是6脉冲还是12脉冲，单靠UPS设备是无法达到很低的电流谐波的，那么高的谐波电流不仅影响运行可靠性，造成能源浪费的同时还可能被电网公司罚钱，而高压直流技术则没有此问题。原因是高压直流设备采用成熟的功率因数校正技术，功率因数很高且谐波很小基本可以达到A类机房的要求，无须再配置额外的谐波治理设备。同样现在的IT设备采用的高频开关电源，且谐波也很小，因此市电直供部分也无须谐波治理，配电结构非常简单。 继续分析这个拓扑结构的可靠性，从前面的UPS单机可靠性以及高压直流单机可靠性数据来比较这种拓扑结构和2N配置的UPS（市电可靠性按99.86%来算，目前大多数数据中心所在城市的电网可靠性基本都可达到此值）。根据计算可以得到如下
