1、IT Time Weekly 76 高压直流电源在数据中心机房的应用综述 梁伟成 广州珠江电信设备制造有限公司，广州市白云区北太路 1633 号民营科技园科颖路 1 号，510540 ， 摘 要 ：本文主要论述了高压直流电源的发展背景，介绍了高压直流电源产品的起因，国外高压直流电源的发展流派和国内以中国电信为代表的 240V 和与中国移动为代表的 336V 的高压直流电源行业的 2 大系列。并论述了高压直流电源对比 UPS不间断电源在数据中心机房建设中的优点和不足之处，并对高压直流电源未来在数据中心机房中采取的应用方式的预测。最后以一个数据中心的高压直流电源配电设计案例作为给予读者认识高压直流
2、电源和工作应用参考。 关键词 ：电气工程；高压直流电源；综述；数据中心机房。 引言 随着社会科技进步，人们对数据的飞速增加的需求量，促进了通信行业在数据中心机房的建设压力，但庞大的数据市场，不可预估的数据增长趋势，也极大地刺激了通信行业、互联网行业在数据中心机房投入建设的决心，并付诸行动。 而在数据中心机房的配电建设中，采用原有的 UPS 方案已经不符合公司经营的盈利 目的 。传统 的 UPS电源，存在初始投资大 ， 后期 利用率 低、可靠性差、 运行 能效低和 维护困难等明显缺点。因此 ， 作为 UPS的替代产品 高压 直流电源 HVDC应运而生，并受到电源行业、通信 行业的重视。 在本文，
3、将通过高压直流电源的诞生背景、国内外高压直流发展分支和优劣、高压直流电源与 UPS 电源对比和数据中心配电设计案例四大部分，完全地论述高压直流的应用前景，为进入该行业或有兴趣的读者提供参考。 1.现高压直流电源HVDC的诞生背景 通信行业和大部分电信设计院在数据中心 IDC 机房的配电建设，习惯性地采用 UPS 不间断电源 作为供电方案，而世界上大部分服务器厂商也是采用交流电源，但 UPS 电源 一直以来都存在以下问题： 1、可靠性不高。 UPS 要先经过交流整流成直流，给备用电池充电，同时整流后的直流再逆变成交流输出，这样双重转换， 故障点较高，而且备用电池不是直接连接在负载端，只要 UPS
4、 逆变电路故障， 则整个UPS 系统均无法输出电能。 2、 建设成本高。 由于 1 点的原因，所以用户在设计 UPS 配电 方案时，多数采用双机并行备份，设置有些用户采用四机备份的方式来确保 UPS 的可靠 性。这就造成 UPS 的过度裕量和过度投资问题。每台 UPS都需要一套独立的后备电池，所以无论是设备投资或是建筑投资都比较大。 图 1 UPS双机并机系统 3、运行能效低。由于 UPS 采用并机系统，2 台系统同时工作，则平均负载率少于 30%，如果采用 4机并行系统，单机负载率甚至少于 15%。在 这种负载率下， 整个 UPS 的效率极为低下，长期在 80%附近。 4、维护可行性差。UP
5、S 出现故障，大部分需要厂家进行维修，用户或代为公司无法插手。 因此，运营商在经济压力和安全压力双重压力下，不得不寻求一种新颖的，但又有一定技术基础的替IT Time Weekly 77 代方案，而既从 220V 直流 操作电源脱胎而出，电气性能要求参考 48V 直流通信电源的高压直流通信电源就应运而出，成为运营商的节能先锋和推广动力。 2.国内外高压直流通信电的发展过程 2.1 国外高压 直流 通信 电源的发展 情况 1999 年，在 在 21 届 INTELEC 99（哥本哈根）会议：法国电信首次提出了高压直流概念。 随后日本 NTT 公司提出了 270V 的高压 直流试验电压值。 200
6、3 年， 25 届 INTELEC 03 （横滨）会议：瑞典 POWERBOX， NETPOWER， ERICSSON 等公司提出采用 300VDC 系统供电的建议。 2005 年，在 27届 INTELEC 05 （柏林）会议：法国电信提出采用 300-400VDC 的建议 。 在 2007 年， 29届 INTELEC 07 （罗马）会议，美国 INTEL 公司提出在电信和数据中心采用 400VDC 配电；瑞典 NETPOWER LABS AB 等介绍了 9kW HVDC UPS 350VDC 运行一年的经验。 2.2 国内高压 直流通信 电源 的发展情况 中国电信，在 2007 年在 江
7、苏电信开始试点 240V（工作电压 204-288V）高压直流通信电源产品。 并在2011 年首次启动集团采购。并主导了 YD/T 2378-2011通信用 240V 电源 系统标准的产生。 中国移动，在 2008 年已经启动 336V（工作电压 300V-400V）， 并 于 2013 年首次启动集团采购，现正申请 336V 标准的 审批。 中国电信采用 240V 电压 等级，主要是为适应中国电信存量较大的原有的 220VAC 服务器的 UPS 电源改造，为适应原有的 220VAC 交流服务器电源， 所以输入电压规格设置在 204-288VDC 范围内，以兼容 220VAC服务器电源的输入整
8、流后电压。 220VAC 的整流 后电压公式： 2DC ACVV= （式 1） 全球范围服务器的输入范围一般是 90265V rms，代 入式 1 的结果是 127 374VDC,所以 电信 240V 规格 电压完全适应原服务器电源的工作范围。 中国移动因原有数据中心机房数量少，所以 220VAC 服务器也相对较少，所以中国移动没有旧有 UPS改造的压力，直接可应用更高电压的 336VDC 高压直流电源。 图 2 高压直流通信电源电气图 3. 高压直流通信电源与UPS的各方面参数对比 高压直流通信电源对比 UPS 的优点可在 可靠性，建设成本、运行能耗和维护安全四方面体现。 现详述如下。 3.
9、1 高压 直流通信电源 （ HVDC）与 UPS 的可靠性比较 以 100KVA 的 UPS 和 100KW 的 HVDC 为例说明。 3.1.1 双机 并机 100KVA 的 UPS 可靠性 移动双机并机模式，采用 2 台 100KVA 的 UPS 并联运行，假设其负载率为 60%，则单机 负载率为 30%。假设单机 UPS 可靠性 R（t） 为 0.99,则双机并机系统的可靠性计算公式如下： 1X1() 1 1 ()XNXNXCR t Rt+= （式 2） IT Time Weekly 78 N+X双机 并机系统，N 是冗余为 1， X 主用为 1， 和为 2； R（t ） 单击可靠性，为
10、 0.99。 计算结果为： 2222( ) 1 1 0.99CRt= 2( ) 0.9999Rt= 3.1.2 100KW 的 HVDC 的可靠性 100KW 的高压直流通信电源，假设负载率为 60%， 并假设单机可靠性 R（t ）皆为 0.99。 如采用 12KW/20A 的 240V 模块，系统共 需要 10 个模块 （1 个冗余模块） ， 当负载率为 60%，即 60KW时，需要 5个模块，其余 5 个模块为冗余模块。 根据式 2 可 得结果为： 610610( ) 1 1 0.99CRt= 10( ) 0.99999999979Rt= 如采用 15KW/37.5A的 336V 模块 ，
11、系统共需要 8 个模块 （ 1个冗余模块） ， 当负载率为 60%，即 60KW时，需要 4个模块，其余 4 个模块为冗余模块。 根据式 2 可 得结果为： 5858( ) 1 1 0.99CRt= 8( ) 0.9999999944Rt= 3.1.3 三种电源的可靠性 比较 见表 1 表 1 三种电源的可靠性比较 配电方案 可靠性数值 R(t) 双机并机 UPS 0.9999 240V高压直流通信电源 0.99999999979 240V高压直流通信电源 0.9999999944 可靠性比较（240V） （1-0.9999）/（1-0.99999999979）=476190 倍 可靠性比较（
12、336V） （1-0.9999）/（1-0.9999999944）=17857 倍 由此可见， 无论是 336V 高压直流通信电源，还是 240V 高压直流通信电源，其可靠性都远远超过双机并机 UPS 电源。 3.2 UPS 和高压直流运行能耗比较 一般 UPS单机 负载百分比如下表 负载 100 90 80 70 60 50 40 30 20 效率 91 90 90 89 88 86 84 80 75 240V高压直流通信电源（以珠江电信产品为例） 负载 100 90 80 70 60 50 40 30 20 效率 95 95 95.1 95.2 95.1 95 94.7 94 93.9 3
13、36V高压直流通信电源（以珠江电信产品为例） 负载 100 90 80 70 60 50 40 30 20 效率 95.5 95.6 95.8 95.8 96.0 95.9 95.7 95.4 95.0 说明：负载为比率% ，效率为比率% 。 IT Time Weekly 79 同样以 100KVA 的 UPS 和 100KW 的高压直流通信电源为例， 假设负载率为 60%，可计算出两者之间的运行能耗。见下表： 表 2 UPS和高压 直流通信电源运行能耗对比 双机并机 UPS 240V电源 336V电源 单机带载比率 30% 60% 60% 整机效率 80% 95.1% 96% 年耗电量（度）
14、 657000 552681 547500 电费 1.5元/度 985500 829021 821250 年节省电费 / 156479 164250 节能率 / 15.87% 16.67% 从上数据可以看出， 1 个 100KW 的数据中心机房的设备用电量电费，如采用高压直流通信电源供电， 1年节省的电费就已经可以与高压直流通信电源的购买价格持平了。 3.3 双机 并机 UPS 和高压直流通信电源的建设成本比较 两者建设成本的差异有三方面： 双机并机 UPS，初期投资为 2 套同容量的 UPS，并有 2 组备用电池。 而高压直流通信电源初期投资只需要一套同容量的电源系统，和 2组备用电池。单从
15、 系统组成配置来说，就已经增加了一套 UPS 的价格。 在配置上多了一套 UPS，另外因为 UPS 使用 384V 的后备电池组，如采用 2V 电池，数量为 192 节 ，而 240V 高压直流通信电源同样情况下只需要 120 节，336V 高压直流通信电源同样情况下只需要 168 节，高压直流通信电源在建筑成本方面一样比 UPS 少。 因为 UPS 日常工作效率低，多损耗的功率将导致空调的功耗增大。同样与上文表 2 为例，空调功耗对比见表 3。 表 3 空调功耗对比 双机并机 UPS 240V电源 336V电源 单机带载比率 30% 60% 60% 年耗电量（度） 657000 552681
16、 547500 损耗效率 20% 4.9% 4% 损耗电量（度） 131400 27081 21900 空调增加功率 22.5KW 3 2.5 3.4 UPS 和高压直流通信电源的维护性对比 UPS 电路复杂，如出现故障，需厂家专业人员维护，而高压直流通信电源模式与- 48V 通信电源类似。 双机并机 UPS 扩容性基本为零， 而高压直流通信电源采用模块化设计， 只要安装分架有足够位置，即可随时可扩展容量。 4 数据中心机房高压直流通信电源配电设计案例 以一个 400m2的数据中心机房为例，服务器机柜尺寸为 1100mm600mm,扣除操作活动空间和 配电列 柜空间，大概可以容纳 125 个服
17、务器机柜，总容量达 500KW，考虑使用裕量 20%，为 400KW。 设定服务器机柜额定容量为 4KW/个。 机房空调功率计算公式如下： 根据经验法“功率及面积法”： IT Time Weekly 80 12TQ QQ= + QT机房总空调 功率，W ； Q1设备负荷（ =设备功率0.8 ）， W； Q2环境负荷，W( 0.18KW/m2机房 面积) 。 Q1=12540.80.8=320KW；（使用 时考虑 20%裕量） Q2=0.18KW/m2400=72KW； QT=392KW。 照明功率： 按照 20W/m2 计算，为 40020=8KW。 电池容量 C计算公式： 1.251 (t
18、25)ITCK= + (式 2) I负载电流，当电池放电时， 按 2V 放电电压计算， 240V 电源， I240=400KW/240V=1667A； 336V 电源，I336=400KW/336V=1190A； T放电时间，数据中心机房为 2小时； K放电系数，当放电为 2 小时，取值 0.6； 温度系数，取 0.01； t温度参考值，取 15。 将数据代入式 2，得， 2401667 21.25 90000.55 1 0.01 (15 25)C Ah= + 3361190 21.25 60000.55 1 0.01 (15 25)C Ah= + 按照 0.2C10充电电流， 则 240V
19、电源电池充电总电流为 1800A， 需要 40A 模块 45 个， 336V 电源充电总电流为 1200A，需要 37.5A 模块 32 个 。 因此，采用 240V 高压直流电源，系统总容量为 1340KW，如考虑 20%裕量，为 1675KW，如采用 300KW的系统，需要 6 套（有一套不用满容量） 。 采用 240V 高压 直流电源，系统总容量为 1280KW，如考虑 20%裕量，为 1600KW，如采用 300KW 的系统，需要 6 套（ 有一套不用满容量） 。 结论 本文综述了高压直流通电电源的发展背景， 国内外的发展状态。并 在可靠性、运行能耗、建筑成本和可靠性四方面与 UPS
20、进行全方面的对比， 证明了高压直流通信电源的各方优点，最后通过一个数据中心机房的设计案例简单介绍了高压直流通信电源的选择方法。 参考文献 1. 杜秋.IDC 机房高压直流供电系统的发展和应用技术EB/OL.2014 年 6月. 2.通信用 240V直流供电系统M.出版地（北京）：北京邮电大学出版社，2011. 作者简介：梁伟成（1980-），男，助理工程师，通信电源，E -mail： .电话:18502077342 高压直流电源在数据中心机房的应用综述作者： 梁伟成作者单位： 广州珠江电信设备制造有限公司，广州市白云区北太路1633号民营科技园科颖路1号，510540刊名： IT时代周刊英文刊名： IT Time Weekly年，卷(期)： 2014(z2)引用本文格式：梁伟成 高压直流电源在数据中心机房的应用综述期刊论文-IT时代周刊 2014(z2)
