数据中心机房高压直流供电技术研究
中国电信股份有限公司广州研究院 孙文波 侯福平 赖世能
摘要：本文分析了现有IDC 机房采用交流供电方式所存在的问题，并提出了采用直流供电方式的可行性。在详细分析了直流供电电压的选择以及直流供电的优点和一些可能存在的问题的同时，结合实际情况，对高压直流供电系统的设计提出了相关建议。
关键词：交流 直流 供电 IDC 电压
1 概述
近年来由于web2.0、P2P、网络视频业务的兴起和大量风险资金的注入，使得IDC 业务有了很大的提升，其市场规模也随之增长。根据中国IT 实验室、《中国计算机报》和互联网观察中心发布的《中国IDC 产业发展研究报告》显示，2006年我国IDC 市场规模达到了23.1亿元。随着短信、语音、网络视频等多网融合的应用，以及电子商务的日益火爆，2007年中国的IDC 市场规模已经达到了36亿元。据互联网观察中心预测，2010年，中国IDC 市场规模预计将达到100亿元。现在国内已经出现的大型IDC 园区里，运行着数千台服务器，耗电功率更是达到了上千kW，如何安全可靠的为IDC 机房设备供电已经成为IDC 产业进一步发展的重要难点。
2 IDC 供电现状
2.1 现有供电方式
当前，一般的IDC 服务器设备要求交流电源输入，即220V，50Hz的单相交流电源。IDC机房的服务器、路由器、磁盘阵列等网络设备的电源系统我们称之为交流UPS 系统。交流UPS 系统由整流器、逆变器、蓄电池和静态开关等组成。在市电正常时，市电交流电源经整流器变换为直流电供给逆变器，同时给蓄电池充电，逆变器将直流电变换为50Hz 交流电供给负载。在停电时，蓄电池放出电能，通过逆变器变换为交流电，供给负载。为了提高设备供电的可靠性，通常采取了多台UPS 冗余并机的方式，如1＋1系统。根据客户的重要性，一般分为两种供电方式，一种是单套（N+1）UPS系统，这种供电方式比较普遍，广泛用于各种数据中心机房，但供电回路中存在单点故障点，安全可靠性无法提高。另一种是两套（N＋1）UPS系统并联冗余供电系统，这种供电方式安全可靠性非常高，适用于一些高端客户，但前提是服务器必须具有两个电源，可以两路输入。
2.2 存在问题
2.2.1 交流UPS 供电的缺点
因为交流电的电压方向、幅值每时每刻都在发生变化，当采用多台UPS 并机输出时，就必须保证并机的每台机输出的相位、频率、幅值相同。在需要切旁路时，为了保障不间断供电，就必须保持对市电的相位、频率、幅值的跟踪和同步，当市电发生大范围变化时，其各种参数总会在一定范围内波动，因
此UPS 系统也在不断的调整输出参数。这种设计在理论上没有问题，但在实际中，随着市电的不断变化，以及电子元器件的老化，尤其是采集模块的零点漂移，往往就会在切换时造成中断。这种中断在以往的案例中屡见不鲜，给数据中心的设备运行带来了巨大的影响。
2.2.2 交流UPS 电源资源的浪费
由于并机的复杂性，尽管众多厂家声称可多台并机，有的甚至可以达到8台。但在实际投产中，UPS 并机系统并机的台数都不会太多，一般1＋1或者2＋1，也就是2～3台。而为了保持系统的冗余，在一台机器出现故障时系统依然能够供电，这就要使得每台UPS 在平时的负荷率保持很低的水平，如对于一套UPS（1＋1）系统为50％，2＋1系统为66％，如果再考虑到负荷的可能突变，同时减少设备的故障率，这时系统就必须要保持一定的裕度，按系统80％的容量计算，实际上每台UPS 的负荷率只有40％～55%左右。而为了提高供电可靠性采用的两套（N＋1）UPS系统，每台UPS 的负荷率就更低了，以两套1＋1系统为例，为了保证冗余，实际每台的平时最大负荷率只有20％～25％。
2.2.3 安全供电存在单点故障瓶颈
因为UPS 输出的是交流电，而作为备用蓄能的蓄电池，输出的是直流电，因此，UPS系统的蓄电池电能不能直接供给负载，必须通过逆变模块输出。这样，供电的持续性就取决于UPS 系统的稳定性，如果逆变模块损坏，即使蓄电池有充足的电量，也不能供电给负载。
当然，对于传统电信专用设备，我们一直采用直流48V 开关电源供电，多年来的运行经验表明，直流开关电源供电的可靠性确实比交流UPS 供电高很多，因此采用直流电源为服务器供电也是大家放心的选择。可是直接采用传统电信设备用48V 直流电源为大型IDC 机房供电，存在功率、电流受到限制的不足，仍然无法解决IDC 机房安全供电问题，因此人们开始考虑采用220V 以上的高压直流电源为大型IDC 机房供电的可行性。
3 高压直流供电
如果要在大型IDC 机房采用高压直流供电，首先要考虑现行的服务器是否能够输入直流电压，以及理想的直流电压幅值的多少。
基本原理
现在IDC 机房的服务器内部一般使用高频开关电源，把外部输入的交流电转化为内部电子电路所用的直流电。计算机设备的高频开关电源的基本工作原理如下图。
图1 服务器电源基本工作原理图
将上图简化，如图二，实际上在交流输入的时候，在正半周，电流的走向是从A —>2—>C—>D—>4—>B，在负半周的时候，电流的走向是从B —>3—>C—>D—>1—>A，整流管1、3和2、4轮流导通。理论计算，U O =0. 92U i ，因此，标称是220V 交流输入（即U i ＝220）的设备，在CD 输出的直流电压Uo ≈280V 。
一般服务器的电源输入电压要求是220V ±10％，即198V ～242V ，因此，Uo 的值的范围是252V ～308V 。这个值是电源的标称电压，实际上，CD 后端的DC/DC变换器是通过调节开关脉冲的占空比即开关管的导通时间来控制输出直流电的电压的，因此，电压范围是可以高于308V 。
当采用直流电压直接输入AB 时，由于电压不变相，整流管2、4长期导通。如图三，这样，电压从AB 端直接传到CD 端。若不考虑整流管的自身损耗，则U i ≈U o
图2 服务器电源工作原理简图 图3 服务器电源直流供电简图
3.1 直流电压的确定
3.1.1 工作电压对整流管发热的影响
在交流输入时，作为整流的四只二极管可以在一个周期内轮流导通一次，而在直流输入时，只有两只二极管长期导通，这样，二极管的发热量大大增加，因此，如果要采用直流电压，输入电压就不能太低，电压大约计算如下：
根据功率恒定
U 交•I 交•0. 9＝U 直•I 直―――――――式 1
0.9为功率因数。
整流管发热W 热
W 热=I 2•R 整流管•t ―――――――式 2
因为交流供电时4只二极管两两轮流导通，比直流供电时时间少了一半。即
2W 交热=I 交•R 整流管•t 2―――――――式 3
2W 直热=I 直•R 整流管•t ―――――――式 4 联立可得：
122•U 直＝0. 92•U 交 2 ―――――――式 5
一般服务器最低交流输入电压是198V，代入上式可得U 直＝252V。
为确保电源能长期工作，厂家也建议为服务器供电的直流电压尽量不要低于260V。
3.1.2 电源模块存在高电压保护电路的问题
一般服务器产品的额定电压都是220V，因此，有些服务器的电源在设计时会有高电压保护线路，当输入电压太高时，电源就会保护而不起动，这样就使输入的直流电源电压不能太高。这种有电压保护的电源一般保护电压设置在280V 左右。
3.1.3 直流电压等级的选择
（1） “低压”等级
220V 直流电源目前市面上已有广泛使用，如电力的操作电源。220V 为标称电压，再考虑到2V、6V、12V 电池个数，选108只2V 电池（或者36只6V，18只12V），因此平时工作电压为240V，电池供电时，电压范围（194～240V），2V蓄电池的放电终止电压1.8V。以这种方式供电给服务器，虽然可以使用，但是由于电压较低，容易使整流管过热，长期使用易产生故障。因此必须在供电回路中增加升压装置，使在服务器端输入的电压符合服务器的要求，如270V。如图四，该升压装置串联在供电回路中，实时监测输出电压，并根据直流电源端的电压变化调整自身输出的电压，保持对负载端输入电压的恒定。
该供电模式可以直接在现有的IDC 机房使用，对服务器设备无需任何改造。缺点是在回路中增加了升压环节，增加了单点故障点。
图4 “低压”供电模式
（2） “中压”等级
考虑“低压”供电模式中存在升压装置的致命缺陷，结合整流管对最低电压的要求，采用标称电压276V 的“中压”供电模式。该种供电模式下，电池组配备2V138只电池（也可采用6V46只电池或者12V23只电池）。平时电池处在浮充状态，供电电压为308V。在电池供电时，最低电压为248V。
这种供电电压，基本符合图四所示的CD 端的电压Uo ＝ 252V～308V ，服务器能正常工作。但是，由于输入到服务器电源的电压可能高于280V，对于一些有输入电压检测保护的服务器电源，可能会由于输入电压太高而保护，不能启动工作。
（3） “高压”等级
该供电模式采用标称电压380V 或者以上，这种供电模式不适用现有的服务器设备，是对未来机房建设以及服务器设计的前瞻准备，因此，要采用这种供电模式，需要服务器厂商的配合。
表1 三种供电模式比较
额定电压
电压范围
优点
缺点 低压 220(V) 194～240(V) 可直接对现有服务器供电 增加了升压装置，等于增加了单点故障点 中压 270(V) 248～308(V) 不需升压 部分有过压保护的服务器可能不能使用 高压 380(V) 342～424(V) 电缆耗铜量减少 目前在用的服务器不能使用。需服务器厂家配合重新
设计电源。属前瞻性设计
4 高压直流供电的优缺点
4.1 高压直流供电的优点
4.1.1 供电可靠性大大提高
采用直流供电最大的优点在于提高了供电的可靠性。这点可以从以下三个方面体现：一是采用直流供电，蓄电池可以作为电源直接并联在负载端，当停电时，蓄电池的电能可以直接供给负载，确保供电的不间断。二是直流供电只有电压幅值一个参数，各个直流模块之间不存在相位、相序、频率需同步的
问题，系统结构简单很多，可靠性大大提高。三是交流UPS 系统虽然可以提高冗余度来提高安全系数，但是由于涉及到同步问题，每个模块之间必须相互通信来保持同步，所以还是存在并机板的单点故障问题。而直流模块没有这些问题，即使脱离控制模块，只要保持输出电压稳定，也能并联输出电能。
4.1.2 工作效率提高
和交流UPS 系统相比，直流供电省掉了逆变环节，而一般逆变的损耗在5％左右，因此电源的效率得以提高。其次，由于服务器输入的是直流电，也就不存在功率因数及谐波的问题，降低了线损。最后由于并机技术简单，可以采用大量的模块并联，使每个模块的使用率可达到70％～80％，比起交流UPS 系统提高了很多。
4.1.3 系统可维护性增强
现在的交流UPS 系统，涉及到复杂的同步并机技术，整机的维护只能依靠厂家，更不要说是扩容问题。当出现紧急情况时，我们的维护人员的办法并不多，只有等待厂家派技术人员过来解决，正是因为 这些先天的不足造成了对安全供电存的较大隐患。而采用直流供电，就如现在一直使用的－48V直流系统一样，系统由模块组成，虽然电压增高了，但只要做好安全防护措施，维护人员是可以自己进行维护的。
4.1.4 扩容便捷
由于采用模块化结构，现在一个模块的容量一般在10KW 左右，只要预留好机架位置，扩容是非常方便的。同时在建设时，可以根据服务器的数量逐渐增加模块数，使每个模块的负载率可以尽量的提高，这对于节能也是非常有好处的。
4.1.5 不存在“零地”电压等不明问题的干扰
因为是直流输入没有零线，因此，也就不存在“零地”电压，避免了一些不明的故障，维护部门也无需再费时费力去解决“零地”电压的问题。
4.2 高压直流供电的缺点
4.2.1 对配电开关灭弧性能要求高
对于交流电，电流在周期内会有过零点，当短路时，过零点的存在使开关断开时产生的电弧容易灭弧。而如果是直流电，就不存在过零点，灭弧相对困难。因此配电所需的开关性能要求更高，会相应增加建设成本。
4.2.2 电缆线径的增加
按目前的配电结构，从UPS 输出到楼层配电柜，采用的是三相四线供电，如果采用高压直流供电，则是一相两线供电，在相同电压下输送同等功率下，电缆的消耗量将会有所增加。
如下式6，如在相同的电缆数（4根），相同电流下，输送的功率比是
P 交
p 直
cosφ为功率因数，取0.9 =⋅380⋅I cos ϕ296. 2 ≈2⋅U 直⋅I U 直―式 6
从上式6可以看到，如果直流供电电压高于296.2V，电缆耗铜量是不会比交流供电多的。因此，对于“低压”模式，供电电压保持在270V 左右，因此耗铜量增加10％左右；对于“中压”模式，平时正常运行电压308V 左右，耗铜量基本相同，但是由于在电池放电时电压会降到250V，因此电缆需考虑加大，和交流供电相比增加15％左右。对于“高压”模式，运行的电压比较高，耗铜量可以减少20％左右。
表2 直流供电耗铜量和交流供电比较
电缆耗铜量
4.2.3 其它问题
虽然采用直流供电有很多好处，但是由于目前的服务器电源设计对电压的要求，无论是采用何种电压模式，都存在一定的缺陷。如低压模式必须加升压装置，中压模式有些服务器可能不能使用等。
从理论上讲，服务器电源使用直流电压输入是没有问题的，但还不能保证实际使用中会发生一些意外，比如可能存在某些服务器电源的特别设计而不能使用直流电，或者长时间使用会不会增加服务器的故障率等，这都要经过实际使用的检验。
再就是如果使用直流电源，当服务器设备损坏时，服务器厂家对该故障的认可，有可能会因我们使用直流电源供电不符合其设计要求而推卸责任。 低压模式 ＋10％ 中压模式 ＋15％ 高压模式 －20％
5 实际应用中高压直流电压的选择
对于高压直流供电中的“低压”等级，即采用220V 电压，该供电方式实现了全程直流供电，且电源设备已在市面上广泛的使用，拥有成熟的技术和丰富的维护经验，从根本上提高了供电的可靠性，而且可以直接在现有服务器上使用。但是，由于供电电压比较低，需要用到升压装置，该升压装置需串连在供电回路中，这无形中增加了故障点，尤其是当升压装置出现故障时，有可能造成负载中断，还是存在一定的风险。对长远发展来看，也不理想。
对于“高压”等级，即采用380V 以上电压，全程直流供电，不需要增加其他装置，蓄电池可以直接供电到服务器，具有很高的可靠性。而且由于供电电压比较高，在配电方面可节省铜材，是一种比较理想的供电模式。但是由于电压太高，目前的服务器基本不能使用。所以，这只是属于前瞻性设计。如果业内达成共识，发展这种模式，是一种比较有发展潜力的供电模式。
鉴于“低压”模式220V 电压太低，需要升压装置，而高压模式380V 电压太高，不适用现在的服务
器，所以，综合各种情况，“中压”等级，即270V 是一种比较理想的选择。上文已分析过，该供电模式的电压适用于现有的大部分服务器，可以直接供电给服务器，只对某些存在过高电压保护电路服务器不能使用的情况，但是综合来说，采用该种电压是现在最有优势的：首先该种供电电压可以直接供给现有的服务器使用，蓄电池做为保障后备供电可直接供给负载，符合我们采用直流供电的初衷，从根本上改变了原有的UPS 供电模式，中间无需再增加其他供电设备。
其次，如果从长远发展来看，选用380V 以上的“高压”比较合适（可以节省投资），但是因为现在市面上的服务器都不能使用该种电压，因此在IT 业界尚未达成共识，并推出适应“高压”直流的服务器之前，采用“中压”是比较合适的。最后，对于存在一些不能使用的服务器，我们可以通过市场的合理引导来逐步推广，先建一个直流供电机房，将能用该种电压供电的服务器先使用这种方式供电，当客户认识到直流供电的优势时，就会慢慢接受这种供电方式，并在采购时也会采用这种服务器，从而推动直流供电模式的发展。
因此，综合现有的情况考虑，采用“中压”（即270V）供电模式是比较可行的。
6 总结
通过以上分析可看出，采用高压直流供电可以大大提高供电的可靠性。至于采用哪种电压等级比较理想，则需要根据目前的实际使用的服务器情况和未来服务器电源技术发展的趋势来确定。由于数据中心机房服务器采用直流高压供电是当前世界各国研究的热点问题，我们建议在目前的数据中心高压直流技术应用试点工程中采用270V 电压等级为宜，但也应继续跟踪研究380V 电压等级在数据机房的应用前景。