數據中心新動力——高壓直流技術應用現狀及前景分析

時間：2013-02-01 09:53?來源：cnw.com.cn?作者：周源 分享到：QQ空間新浪微博騰訊微博人人網0

近期，一則中國電信的集采公告讓高壓直流再次成為業界的焦點：根據中國電信2012年第二批統談統簽類電源空調產品集采公告，本次集采，中國電信擬采購158臺高壓直流產品、76臺大容量不間斷電源產品和4臺大容量模塊化不間斷電源產品。

一邊是高壓直流產品采購量的大增，一邊是傳統UPS設備采購的銳減，這讓不少業內人士更加地堅信，高壓直流產品將逐步取代傳統UPS成為應用主流。

星火燎原

在追溯數據中心高壓直流的發展歷史時，記者發現，這項技術在我國應用的年頭并不算長，我國是從2007年才開始進行相關的研究工作。

“最早應該是江蘇電信鹽城公司趙長煦主任等老一代技術專家開始實踐試點并小規模應用，然后逐步推廣到江蘇全省、浙江、廣東、山東等地電信公司。” 騰訊網絡平臺部數據中心規劃組高級工程師李典林告訴記者。

騰訊網絡平臺部數據中心規劃組高級工程師 李典林

作為國內在高壓直流技術方面首位“吃螃蟹”的用戶，中國電信在該技術上的應用步伐可謂邁得飛快。中國電信集團數據則顯示，截止2012年6月底，中國電信全網用直流電源（240V）系統數已達到450個，直流總容量超過24萬安培，功率為70000KW，相當于交流UPS容量85000KVA的供電能力。使用直流電源（240V）的IT設備已超過80000臺，應用范圍分布于20多個省（區、市）74個地區。

阿里巴巴杭州東冠機房則是國內第一個較大規模采用高壓直流（240V）及機架集中供電技術的互聯網公司數據中心。中國工程建設標準化協會信息通信委員會數據中心工作組專家、騰訊IDC架構師朱華告訴記者，騰訊目前有超過萬臺服務器應用在高壓直流供電環境，在設計和即將投產規模預計超過10萬臺。此外，華潤集團、江蘇廣電等都已采用高壓直流供電（240V）技術。

中國工程建設標準化協會信息通信委員會數據中心工作組專家、騰訊IDC架構師 朱華

而在記者采訪中，那些還沒有采用高壓直流技術的企業用戶，也普遍表現出對該技術的肯定和強烈的興趣。例如，中國石油物探技術研究院地球物理信息中心高級工程師包紅林表示：“我們在建設數據中心一期項目時，本來是計劃采用高壓直流的，但因為場地設計等原因最終沒采用，二期建設中應該會采用。”263網絡通信公司網管中心經理李旺也表示，如果以后進行大范圍的機房改造，他們會考慮高壓直流。

據相關部門不完全統計，截至目前，全國已經有近10萬臺設備運行在高壓直流供電環境下。特別在2011年和2012年出現了大規模增長的跡象，出現了一次采購好幾十套到上百套直流系統的大規模IDC。

“目前，這個增長勢頭更為迅速。不管是運營商還是互聯網公司都非常看好高壓直流供電的未來方向，因此在2013年我們將會看到更多更大規模的應用。”李典林說。

行文至此，我們必須向讀者回答，高壓直流究竟是怎樣一種技術，是什么優點使得它能夠以星火燎原之勢，迅速從實驗室走向市場？

壓倒性優勢

在當前數據中心里，UPS電源是主要的供電設備。但UPS存在可靠性差、轉換效率低、輸入電流諧波大等一系列缺點，經常導致故障，其中，“UPS開關切換失靈”甚至被列入三大電源技術故障之一。

在此背景下，一個嶄新的供電技術——高壓直流供電進入人們的視野，用它來取代UPS電源的呼聲也越來越高。

所謂高壓直流供電，就是采用高壓直流電源直接對采用220V交流輸入電源的設備供電。

李典林表示，目前高壓直流技術主要有兩個電壓規格，一個是國內主流的240V，以及國外主推的380V。其中240V高壓直流供電技術可以兼容絕大多數的現有交流220Vac設備，即目前絕大多數的標準交流輸入設備不用任何改造就可直接采用240V直流供電，且配套的240V直流配電系統接近成熟電力系統用的220V直流，因此推廣起來難度和阻力會小很多；而380V高壓直流需要專門定制380V輸入的直流電源（數據中心內有幾十上百種不同廠家不同類型的設備，要完全定制所有設備對絕大多數用戶來講幾乎是不可能的），且配套的380V配電系統目前還不夠成熟，因此380V的生態暫未就緒，推廣難度較大，目前的使用面很窄，因此本文中的高壓直流僅指的是240V直流系統。

需要說明的是，高壓直流供電是針對直流48 V低壓而言的，標稱電壓基本都在400 V以下。這點與電力行業的電壓劃分是不同的，根據國內電力行業的劃分，1000 V以下的電壓為低壓，1000 V以上的稱為高壓。因此，數據中心領域的高壓直流供電按照電力行業的劃分仍屬于低壓應用，但在數據中心行業，仍沿用高壓直流供電的說法。

就原理而言，UPS是將220Vac或者380Vac交流電預穩壓到400VDC左右，再逆變回220Vac。而240V高壓直流其實也是三級轉換，只是從220Vac或380V ac預穩壓到400Vdc再降壓到240VDC輸出，也就是交流轉直流后不再逆變回交流。（參見直流供電與UPS供電原理圖）

圖1 UPS供電與240V高壓直流供電原理

和傳統的UPS技術相比起來，高壓直流供電技術的優點很多，主要表現在下面幾點：

1、與最新開關電源技術、采用功率MOS的高壓直流比采用晶閘管的傳統UPS效率更高，體積更小；

2、電池直接掛在輸出母線上，可靠性更高，且可在線擴容、不掉電割接等；

3、拓撲簡單，可靠性高；

4、模塊化設計，邊成長邊投資；

5、熱插拔維護，像更換硬盤一樣更換故障模塊，運維不用依賴于廠家的服務。

6、節能休眠技術可以大大提升輕載下的系統效率，減少機房運行初期低負載時的能耗；

7、高壓直流的輸入功率因數高、諧波小，且輸出負載率可以比UPS高，可降低柴發容量等；

8、高壓直流技術衍生出來的新的分布式供電架構，如市電加高壓直流供電等技術，會顛覆傳統UPS的靠硬件多重冗余來保障可靠性的高投入低能效模式。

9、高壓直流比傳統UPS要更安全，因為輸出浮地，即便誤碰到單極母排電壓，觸電電壓只有一百多伏，比交流220Vac要低近1倍，且交流220Vac的正弦波峰值電壓高達314V，也高于高壓直流270V的電壓。

10、高壓直流和傳統集中式供電的UPS相比更適合分布式供電，較小容量靠近末端IT負載，線纜傳輸損失小，且故障影響面較小，電源系統也可以分布投資，不用按終局提前采購。

如果簡單地概括高壓直流供電的主要優勢，那就是更可靠、更安全、更低投入。

關于直流供電在可靠性方面的體驗，李典林表示：“目前國內有近10萬臺交流設備都運行在高壓直流環境下，很少聽說因此帶來了事故。”

節能則是吸引用戶采納直流供電的重要原因之一。表1清晰體現了高壓直流在節能方面的顯著優勢。根據中國電信集團截止2012年6月底的數據，按照一個240V 1000A直流系統與“1+1”300KVA系統比較，中國電信因為實施高壓直流已經累計節省建設投資5300萬元。

此外，高壓直流技術更利于用戶采納太陽能、風能等綠色新能源技術，李典林解釋說：“因為高壓直流沒有復雜的交流并網技術，只需將變化的轉子發電用簡單整流穩壓并儲能，利用兩者直流電壓差調節就可以實現風電和其他供電路由的無縫切換或者同時供電，達到部分離網免費供電的目的。所以，高壓直流會讓未來的數據中心和綠色能源會結合得更為緊密。”

表1：數據中心高壓直流電源與傳統UPS投資比較

資料來源：中電達通

阻力點分析

雖然高壓直流供電技術具有許多優點，但是它同樣存在一些內在或外在的不足制約著它的發展。

首要的問題就是高壓直流的國家級標準還暫未出臺，國家級標準的缺失影響該技術在部分行業的推廣使用。不過，朱華帶來了好消息，他說：“目前國標已經在制定，預計2013年底能夠發布。”

實際上國內相關機構一直在推動相關標準的發展：2009年，《通信用240V直流供電系統技術要求》（YDB 037-2009）發布；2010年，中國電信《通信用240V 直流供電系統節能試點技術指導意見》發布；2011年中國通信標準化協會行標《240V直流電源系統》（YD/T2378—2011）發布；中國電信集團在2012年底還發布了兩項通信用240V直流供電系統企業標準。此外，工業和信息化部電信研究院泰爾實驗室齊曙光在《通信用直流供電技術與標準國內外研究應用情況》一文中透露，工信部的工作人員也參與了國際ITU聯盟的一些高壓直流標準的討論，并且積極推動把240V高壓直流作為全球高壓直流一個重要標準寫進相關規范。

其次， IT設備廠家普遍對高壓直流處于觀望態度，暫時不愿意承諾提供設備的維保等服務。這意味著一旦用戶在高壓直流環境下的IT設備發生故障，其售后服務以及損失賠償上得不到保障，容易引起法律問題。

目前市場上唯一公開宣稱支持高壓直流的服務器設備廠商是中興。該公司如此介紹其服務器新品CoCore E9000：“CoCore E9000在電源設計方面提供了獨創的設計，首創支持高壓直流，而且是同時支持交流的110伏、220伏和直流的240伏和336伏四種電源規格。”

不過，一木獨秀不是春，戴爾（中國）公司服務器高級市場經理李毅表示：“高壓直流主要是電信運營商在主導推動，但在IT數據機房里，設備復雜，包括UPS、精密空調、服務器、網絡和存儲等設備，多數服務器、存儲廠家也還都沒有直接宣稱支持直流電，只有在網絡設備上有48V直流支持，整個直流機房建立需要整個設備產業鏈的支持，而不僅僅是電信運營商推動。”

戴爾（中國）公司服務器高級市場經理 李毅

李毅亦坦承目前該公司的主要服務器也沒有對240V高壓直流進行正式認證過，但戴爾將“密切注視市場的需求并會做出相應的解決方案。”高壓直流國標如果今年年底能出臺，無疑會加速IT設備廠商對直流供電的支持。

此外，極少部分設備采用了交流頻率檢測、輔助電源單極供電等，會出現設備雖不損壞但不能正常開機等小概率事件。還有，部分交流電機驅動類設備暫時不支持高壓直流，需要配逆變器等。

根據中國電信實際應用統計，可用240V直流電源的IT設備占IT總數量大于98%，不可用數量小于2%。這2%的概率雖小，還是需要用戶在切換到高壓直流系統之前做大量細致的設備適應性測試工作。

公云網彭勇在其博客《機房高壓直流供電帶來的問題》中分享了該公司實際使用高壓直流的經驗心得。他們發現，越高端、越新的設備容易有電源問題，因為越是高端設備或者新的設備，電壓規范越是細致，電壓保護也更加嚴格，而兼容機的電源一般都沒有問題。因此，彭勇建議說：“對于核心交換機等重要設備，一定需要和廠商確認是否能夠正常工作，當然廠商的普通技術支持可能都沒有聽說過高壓直流，你要有耐心和他詳細解釋，并且保證對方已經清楚理解，不要理解成48V的低壓直流。”

傳統UPS廠商何去何從？

高壓直流技術的興起無疑對傳統UPS設備廠商帶來了巨大的沖擊。李典林認為高壓直流會逐步侵蝕UPS的市場空間，甚至48V通信電源的市場空間，而且這個趨勢會比想象中的要來得更快。朱華則告訴記者：“因為高壓直流的技術門檻低，已經初步形成生產鏈，目前高壓直流的生產廠商很多，代表廠商有愛默生、中恒、動力源、奧特訓、中達、英可耐、伊頓等等。”

一些傳統UPS設備的主流廠商實際上也在積極應對這個趨勢，施耐德數據中心解決方案部門產品經理劉海峰告訴記者，近一兩年，他的主要工作之一，就是收集國內國外不同用戶對高壓直流的理解和態度，以及他們在采用高壓直流時究竟怎么做的。而做市場調研的目的，則是為了進行產品規劃和研究，“我們更多地從整體解決方案考慮，不同高壓直流解決方案相互差異在哪里。為了滿足用戶的需要，施耐德也不排除考慮推出壓直流產品。”劉海峰說。

施耐德數據中心解決方案部門產品經理 劉海峰

那么，高壓直流會徹底取代傳統UPS供電嗎？

劉海峰和李典林均表示應該不會徹底取代。“從供電結構上來說，直流傳輸的損耗較大，因此傳輸范圍有限，在遠距離的供電環境，如園區環境，直流不可能取代交流。而且，UPS市場比較成熟，產品也比較完善。”劉海峰解釋說。

對于現有UPS設備廠商如何應對高壓直流供電趨勢，李典林則給出了如下幾點建議：

首先，UPS廠商應積極應對高壓直流供電的變化趨勢，從成本和可靠性等方面去不斷提升UPS產品的性價比，雖然已經不能阻止高壓直流的步伐，但仍可從成熟性方面獲得部分市場。

其次，雖然UPS設備廠商也看到了傳統UPS的一些不足，也推出了一些類似高壓直流技術的解決方案，如模塊化高頻UPS等技術，部分解決了傳統UPS負載率低、分期建設難、可擴展性差等問題，但由于多模塊的交流高頻UPS涉及復雜的交流并機、異常轉旁路、故障自動安全退出等技術，且并機板的單點、電池掛接在逆變器前逆變損壞風險、難以實現節能休眠等，包括價格等和高壓直流技術都難以媲美，因此這些技術都難以取代高壓直流技術，但在過渡的階段內仍有一定應用。

第三，傳統UPS設備廠商可開發高壓直流逆變器設備，或者開發支持高壓直流輸入的電機類設備，如空調壓縮機、電機馬達等，填補部分高壓直流供電的短板。

第四，朝著新能源的方向轉型，例如太陽能、風能、電池等混合能源控制器等。

總體來說，這是一個由客戶推動的市場變化，產業鏈的每個玩家都不得不遵從順勢而為這個亙古不變的道理，一輪新的勢力格局正在各種明爭暗斗中悄然滋生，這個領域未來會上演多少“新王立、舊王死”的故事？讓我們拭目以待。

【鏈接】現有交流設備直接用240V高壓直流供電的注意事項：

1. 把船型開關或者紐子開關固定在ON位置無法動作，防止大電流情況下出現波動導致拉弧。

2. 采用萬用表歐姆檔測量設備輸入L、N兩極的電阻，檢查是否存在短路或者是電源內部存在繞組變壓器。當測量值大于100KΩ等時，可以進行直流加電。

3. 通常IT設備交流電源的輸入范圍都很寬，大大超過高壓直流設備的供電電壓范圍，但為了避免出現極少量的過欠壓保護等異常，建議分別做高、低電壓啟動等。

4. 大功率電源設備避免直接帶電熱插拔，比如新增單個電源功率達2500W以上設備，最好能軟件關機后再下電，應急時候可以先分斷斷路器再操作。

5. 對極少數功率很小的通信設備，內部電源模塊有可能采用的是半波整流，如輸入直流電源后不能開機，可能是設備制造廠安裝時將設備內部“L”和“N”接反，可將測試的直流電源正、負極對調，再嘗試啟動，如能正常啟動，說明該設備采用的是半波整流方式。對于此種設備，可將該設備電源線正、負極或對應插座正、負極對調，并作不同顏色的明顯標識。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的数据中心新动力——高压直流技术应用现状及前景分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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