数据中心的高压直流之路

1、数据中心的高压直流之路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%负教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UP

2、S环节带来的总能耗达18%,很不节能。(a) ITS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,甚至計(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，并增加了运维的烫杂度。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，那么往往会采用并模式，同样由于UPS自

3、身结 构的复杂性，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。l：PS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IPS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

4、块设计并机复杂引起的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，也无法实现轻载下的节能休眠等功能，因此不是很好的解决并林 来St 第ME配 电拒A第1 电柜童5 设备的配关诧设A * 11电的关薈 设备色記由负钱同mtssk -+uHenr；n机系统所的供电ifcdPSe机容星为2 0-800KVA)电?B 1A .并机办法。(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高压逍流解决方案的一些特 点。240V

5、 Or 380VServer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；2s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釆用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。B.高压直流杀统的效率曲线（图7）= 区坷为高压耳流常规工作的员就率因间图了 高压宜流系统的数率曲线亠高伍亘沅电源系统来用有频幵关电源模堤，抹 备份配旨，遇希

6、可让整忻?英块 工作在50%80%的员载率区间，系统效率高。如果载率校假，还可启动模决效 能百理功雜，提高模块旳负载率，也可大大捉高豕绒的效率。根据实际改造对比, 在相同的员载情况下，高质直沆供邑系统比UP供电系统节能至少15%o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

7、电 池放电來做缓冲，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O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，低载下节能非常明显。并且最新的髙压直流系统休眠控制策略还具有同步老休眠节能模式与均分负载模式的对比：休眠节能功能可使系统在任何负载条件下，工作在最佳效 率区间内。休眠节能模式I均流模式节省功率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

8、数据，我们可以看到节能和节省投资非常明显。序号Btlft荷卓供电iT4ik节电率说明填写吿田所在地币A * 量e填易目前的JUt*估算供亀的IT设备估算和原UPS 比粒与94WS比较技奋效果1北京1260030ZW11022.50*2古林11600303上海139004015012.00*4江苏137822430100954%1079624%19.22X5浙JT56242013317086安徽2?3R01911020.00%7江西226002514619%50.00*8湖北4624009740%9451222.50%9广西128004020%50016%10复庆112401255%5015X3

9、0,00%11四川46200095120020.00X12贵州11500177820020120.0OT合计36110338701547159153、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，整体结构非常淸爽，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

10、、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l：PS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Case 1:Vp=+135VPEVn=-135Vl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的高压直流系统

11、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样，两者是5倍的 关系）,根据人体正常电阻约为6300 ohnis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 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（再次强烈不建议拿自己

12、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。安全电流和安全电压J_人体对电流的反应通过电渝的性质交渝50ft别刃女刃女何感觉不太痛苦5.23.51.10.6仃痛苦感觉624196痛苦难忍肌肉不自山74501610.5呼吸用难.肌肉收缩906023153.高

13、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，以及有电池亶挂母线作为备份。虽然可以有较高的 可靠性，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，可以釆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

14、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？设备机架列头柜图2双系统双路供电配电结构示意图一路市电一路高压直流方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

15、，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

16、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，而高压亶流技术则 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

17、l：PS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可靠性：2N UPS 可靠性：(10.99999)*仃099999) 10 个 9一路市电一路高压直流可靠性：1- (1-0.9986)*(1-0.9999999) 10个9我们发现一路市电一路高压直流方案的可靠性和2N的UPS配置差别不大，基本是一个量 级的。那么鉴于此这种方式可以省去一路IPS的投资，而且省去那一路的UPS带来的电费也相 应可以省掉，意味着可以带来capex和opex的大大节省，下

18、面我们再来好好算这笔帐：假定一个大型数据中心有10万台服务器，每台服务器按200W功耗计算，在相同的可靠性 下计算。先来算capex：传统2N UPS方案，按单机800KVA的UPS来算(若按400KVA系统算，会省钱更多)， 每台含电池 120W 算，需要投资 120VV*2*10 万-路市电一路高压直流方案，按单机140KVV的高压直流系统，每台含电池30W,需更投 资 30VV*l*10W*0.2KVV/ (140KW*0.85) =5042VVO节约投资3288W,这里暂且还没考虑2N UPS方案下需要低配、旁路、隔离变压器、谐波 治理、STS等等配电环节的额外投资，因此总体算下来，capex方面可以减少投资5000W以上。而且这里计算的高压直流价格偏高