IT設(shè)備采用240V高壓直流供電，我國(guó)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室測(cè)試到進(jìn)了信息行業(yè)應(yīng)用5年多了。截止目前，在電信運(yùn)營(yíng)商和一些大型互聯(lián)網(wǎng)公司的數(shù)據(jù)中心內(nèi)，已經(jīng)有數(shù)以十萬(wàn)計(jì)的IT設(shè)備跑在240V高壓直流下可靠運(yùn)行幾年了，并且表現(xiàn)出很好的可靠性及節(jié)能效果。目前240V高壓直流技術(shù)的可行性已經(jīng)得到較好驗(yàn)證，相應(yīng)的理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也在不斷研究和總結(jié)中，240V直流供電技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)熱點(diǎn)，并在不斷改變傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心供電以UPS為主的格局，也以遠(yuǎn)超380V高壓直流技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模，正逐步流行中國(guó)并國(guó)際。

　　240V高壓直流技術(shù)衍生于傳統(tǒng)220V電力操作電源，并吸收了48V通信電源的各種優(yōu)點(diǎn)，和傳統(tǒng)的UPS技術(shù)相比起來(lái)，主要的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在下面幾點(diǎn)：1、源于最新開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，采用功率MOS高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的240V高壓直流可高達(dá)96%以上效率，比采用晶閘管的傳統(tǒng)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、拓?fù)浜?jiǎn)單，可靠性高;4、模塊化設(shè)計(jì)，按需配置、邊成長(zhǎng)邊投資;5、模塊熱插拔，像更換硬盤一樣更換故障模塊，運(yùn)維可以不用依賴于廠家的服務(wù)。6、節(jié)能休眠技術(shù)可以大大提升輕載下的系統(tǒng)效率，減少機(jī)房初期的運(yùn)行能耗;7、高壓直流的輸入功率因數(shù)高、諧波小，且輸出負(fù)載率可以比UPS高，可降低柴發(fā)容量等; 8、高壓直流比傳統(tǒng)UPS要更安全，因?yàn)檩敵龈〉?，即便誤碰到單極母排電壓，觸電電壓也只有135V，比交流要低近1倍，且交流220Vac的正弦波峰值電壓高達(dá)314V，也高于高壓直流270V的電壓。9、相比較目前的高頻模塊化UPS技術(shù)，240V高壓直流的技術(shù)成熟度、模塊可靠性及并機(jī)簡(jiǎn)單、熱插拔等方面也有很大的優(yōu)勢(shì)。10、最后，最重要的一點(diǎn)是，和380V高壓直流等其他電壓等級(jí)的直流技術(shù)相比， 240V高壓直流可以直接使用在絕大多數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)交流設(shè)備上，IT設(shè)備不用定制電源及設(shè)備，更容易推廣，也更為容易被接受。

　　前面我們介紹了很多240V高壓直流技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，如果只是采用240V直流系統(tǒng)來(lái)給數(shù)據(jù)中心來(lái)供電，那這還只是標(biāo)準(zhǔn)用法。目前業(yè)界以騰訊為首等互聯(lián)網(wǎng)公司提出的基于240V高壓直流技術(shù)衍生出來(lái)的市電+240V高壓直流供電架構(gòu)，正進(jìn)一步改變傳統(tǒng)UPS等靠硬件多重冗余來(lái)保障可靠性的高投入低能效模式。

　　對(duì)于目前大多數(shù)的雙電源服務(wù)器，可以采用如上圖所示的采用一市電直供，另外一來(lái)自240V高壓直流的供電架構(gòu)。服務(wù)器電源內(nèi)部自動(dòng)均流，市電和240V高壓直流各承擔(dān)一半負(fù)載。由于市電直供支可以達(dá)到近100%的供電效率，而240V高壓直流供電效率可以在全負(fù)載范圍內(nèi)為94%-96%，這樣均分負(fù)載情況下的綜合供電效率高達(dá)97%-98%，比傳統(tǒng)的UPS供電架構(gòu)效率高出很多。對(duì)于少量的單電源服務(wù)器，為保障其供電可靠性，可以直接掛接在240V高壓直流支上。最后，如果能在服務(wù)器電源上做些主從設(shè)置，或者目前部分廠家的服務(wù)器具備支持休眠一個(gè)電源的功能，那么這種主從模式下，市電主供、高壓直流系統(tǒng)休眠后備，綜合供電效率更是高達(dá)99%，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的超高效率。

　　前面介紹了很多240V高壓直流系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，以及市電+240V高壓直流240V高壓直流供電架構(gòu)的高效率，甚至提出未來(lái)市電主供高壓直流后備的思，但這些是否以數(shù)據(jù)中心的可靠性為代價(jià)呢?下面部分我們重點(diǎn)來(lái)分析該供電架構(gòu)的可靠性研究。

　　240V高壓直流區(qū)別于傳統(tǒng)交流UPS的一個(gè)重要特點(diǎn)是將電池直接掛接在了直流輸出上，而UPS的電池是在交流逆變環(huán)節(jié)之前。對(duì)于前者，如果高壓直流系統(tǒng)出現(xiàn)了異?；蛘吖╇娔芰Σ粔?，還可以依賴電池持續(xù)供電;但對(duì)于后者，如果UPS的逆變環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，或者UPS設(shè)備異常轉(zhuǎn)到靜態(tài)旁上，那么電池是無(wú)法提供持續(xù)供電的。這也是市電+240V高壓直流技術(shù)相比較傳統(tǒng)N+1的UPS可靠性更高的原因，相當(dāng)于有了市電直供(來(lái)自第一市電)、240V高壓直流(來(lái)自第二市電)以及電池(短時(shí)備電)三個(gè)供電源的同時(shí)，因此供電可靠性會(huì)很高。

　　我們知道240V高壓直流系統(tǒng)內(nèi)部是以模塊化的方式組成的，由顆粒度較細(xì)的N+1或者N+X(X為冗余電源模塊的數(shù)量)的多個(gè)電源模塊并機(jī)構(gòu)成，相比較模塊化高頻UPS架構(gòu)，直流模塊的并機(jī)只涉及模塊均流，只需調(diào)壓，非常簡(jiǎn)單;而交流UPS模塊的并機(jī)需要幅度、頻率和相位一致才能可靠并機(jī)，因此240V高壓直流模塊可以很安全的去熱插拔增加或者更換故障模塊。且由于電池直接掛接在240V高壓直流輸出母線上，那么就給整流模塊提供了一個(gè)非?？煽康墓?jié)能休眠條件，電源系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際負(fù)載的情況自動(dòng)需要的模塊數(shù)量，而關(guān)閉其他冗余的整流模塊，實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)94%以上的高效率，這對(duì)于機(jī)房初期負(fù)載率不高情況下有非常明顯的節(jié)能效果，相當(dāng)于市電+240V高壓直流供電架構(gòu)在機(jī)房的投產(chǎn)初期就可以實(shí)現(xiàn)綜合效率97%以上，這比傳統(tǒng)UPS方案在低負(fù)載率下的供電效率提升了很多。如果節(jié)能休眠期間，出現(xiàn)負(fù)載的波動(dòng)和沖擊，直掛輸出母線的電池可以提供一個(gè)很好的緩沖或者吸收作用，電源系統(tǒng)再休眠模塊，了供電的可靠性和高效性。因此在市電主供直流后備模式下，高壓直流系統(tǒng)不承擔(dān)負(fù)載基本可以完全休眠，采用高效率模塊只需消耗很少的能耗，綜合供電效率可以達(dá)到99%以上，且可靠性仍有很好保障。

　　上一部份我們做了一些市電+高壓直流供電架構(gòu)可靠性的定性分析，得出接近三個(gè)供電源保障的市電+240V高壓直流系統(tǒng)(N+X模塊并機(jī))要比N+1架構(gòu)的UPS可靠性要高，那么是否可以接近2N UPS的供電可靠性呢?我們下面再繼續(xù)定量分析。上圖為傳統(tǒng)UPS和高壓直流供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)比，明顯后者要更為簡(jiǎn)單且更為清爽，相對(duì)出現(xiàn)故障的概率要小。參照上圖的系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)(僅是理論數(shù)據(jù)用于推算，不代表真實(shí)可靠性數(shù)據(jù))，結(jié)果如下：

　　這里市電直供支的可靠性按99.9%來(lái)計(jì)算(目前絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心所在的國(guó)內(nèi)一線、二線城市電網(wǎng)的可靠性數(shù)據(jù)都高于此值)，得到的結(jié)論是市電直供+240V高壓直流架構(gòu)的可靠性和2N UPS架構(gòu)的可靠性差別不大，基本是一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可靠性是很有保障的。

　　下面我們繼續(xù)分析在類似可靠性等級(jí)基礎(chǔ)上的兩種供電架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電及占地面積等方面的比較，下圖是2N UPS和市電+240V高壓直流從低壓側(cè)到服務(wù)器的供電拓?fù)?。再選取目前數(shù)據(jù)中心應(yīng)用最為廣泛的400KVA這一容量等級(jí)來(lái)比較，考慮目前UPS輸出功率因數(shù)為0.8-0.9的典型值，折算成360KW，相當(dāng)于同樣功率的單套1200A的高壓直流系統(tǒng)。即兩套400KVA的2N UPS和一360KW市電+另外一360KW的240V HVDC混合供電架構(gòu)做對(duì)比，兩者容量基本一樣，供電可靠性也基本處以一個(gè)等級(jí)，具備可比性。

　　由于變壓器及及其前級(jí)基本一樣不再比較，這里分別從變壓器輸出柜、不間斷電源系統(tǒng)、電源輸出配電柜、末端列頭柜等多級(jí)配電由來(lái)進(jìn)行對(duì)比，定量分析配電柜的造價(jià)成本及配電柜數(shù)量，后者會(huì)影響到機(jī)房空間占用面積及場(chǎng)地租金等成本。

　　如上圖，對(duì)于400KVA的UPS，變壓器輸出側(cè)(變壓器輸出總開(kāi)關(guān)沒(méi)畫(huà)出)給到UPS需要兩個(gè)800A左右的框架斷器，一個(gè)給到主，另外一個(gè)給旁，占用整個(gè)低壓配電柜。這里還沒(méi)有考慮UPS諧波治理額外需要的濾波器等配電柜，也沒(méi)考慮可能的手動(dòng)維修旁柜等，因此兩套UPS占用2個(gè)整低壓配電柜，每個(gè)低壓配電柜內(nèi)部包含2個(gè)800A的大框架斷器。而對(duì)于市電+240V HVDC供電架構(gòu)，市電直供支直接由低壓母線個(gè)低壓配電柜直接輸出多到各個(gè)列頭柜，比如該低壓配電柜內(nèi)有5個(gè)250A的抽屜式塑殼開(kāi)關(guān)，輸出5直接直聯(lián)到5個(gè)市電直供的列頭柜。而高壓直流系統(tǒng)只需要1個(gè)800A的框架斷器，占用半個(gè)低壓配電柜，剩余1個(gè)800A框架開(kāi)關(guān)預(yù)留給另外一套高壓直流系統(tǒng)用。此外，為考慮負(fù)載均衡等，兩套變壓器會(huì)交錯(cuò)同時(shí)各帶一半的市電直供負(fù)載和高壓直流系統(tǒng)負(fù)載。綜上，在低壓側(cè)，2N的UPS系統(tǒng)只需要2個(gè)整低壓配電柜，共4個(gè)800A的框架斷器;而市電+240V HVDC系統(tǒng)在低壓配電部分會(huì)占用半個(gè)低壓配電柜，計(jì)1個(gè)800A框架斷器，以及1整個(gè)低壓配電柜，帶5個(gè)250A的塑殼斷器。

　　對(duì)于不間斷電源系統(tǒng)，考慮同樣大小的負(fù)載及同樣15到30分鐘時(shí)長(zhǎng)的后備電池時(shí)間，理論上電池的安時(shí)數(shù)應(yīng)該是基本一樣的，同樣電池占用場(chǎng)地也基本一樣，這里不再深入比較。再考慮不間斷電源系統(tǒng)本身，不同廠家的電源系統(tǒng)可能略有不同，但差異不會(huì)很大取典型值，對(duì)于400KVA的UPS通常都有1個(gè)輸入配電柜、2個(gè)主機(jī)柜及1個(gè)主輸出開(kāi)關(guān)共4面柜子，對(duì)于1200A的240V高壓直流也類似有1個(gè)輸入配電柜、2個(gè)整流柜及1個(gè)輸出熔絲配電柜共4面柜子。因此，不管是電池還是不間斷電源系統(tǒng)的機(jī)柜數(shù)量及占地面積兩者差異不大，各占用了4個(gè)不間斷電源系統(tǒng)柜。但這個(gè)配電層，市電直供支無(wú)需任何開(kāi)關(guān)及配電柜。因此，對(duì)于2N的UPS架構(gòu)占用了8個(gè)機(jī)柜位，而市電+240V HVDC架構(gòu)只占用4個(gè)機(jī)柜位。

　　對(duì)于輸出配電柜部分，由于UPS通常都帶有輸出配電柜，因此每套400KVA的UPS輸出通常都需要一個(gè)800A或者630A的框架斷器，以及5個(gè)左右的250A抽屜柜到每個(gè)列頭，所以每套UPS的輸出配電柜部分會(huì)占用2個(gè)配電柜位，計(jì)1個(gè)800A的框架斷器及5個(gè)250A的塑殼斷器。兩套2N的UPS系統(tǒng)共需要4個(gè)配電柜位、2個(gè)800A框架斷器及10個(gè)250A的塑殼斷器。而對(duì)于市電+240V高壓直流系統(tǒng)，市電直供支無(wú)需配電柜及開(kāi)關(guān)，同樣對(duì)于240V高壓直流系統(tǒng)，由于其輸出配電部分已經(jīng)包含在電源系統(tǒng)的輸出熔絲柜內(nèi)了，所以也不需要額外輸出配電柜及輸出開(kāi)關(guān)等。

　　到最后的列頭柜層面，基于同樣總功率及單機(jī)柜功率密度來(lái)測(cè)算，2N的UPS和市電+240V HVDC兩個(gè)方案在列頭柜數(shù)量及配電開(kāi)關(guān)數(shù)量方面可以認(rèn)為基本一樣，只是會(huì)在配電空開(kāi)及線纜方面會(huì)有些差異，造價(jià)有所不同。直流空開(kāi)比交流空開(kāi)貴，因此配電空開(kāi)造價(jià)市電+240V架構(gòu)會(huì)貴一些。在線纜投資方面，UPS系統(tǒng)因?yàn)樵黾觾商纵敵雠潆姽窦熬€纜，以及手動(dòng)維修旁線V HVDC因?yàn)槭菃蜗喙╇姡邏褐绷鬏敵龅搅蓄^柜的單相線NUPS的三相傳輸線纜成本稍高些，但總功率一樣，耗銅量差別不會(huì)很大，我們定性認(rèn)為市電+240V HVDC的線N UPS的線纜總投資。

　　從前面各級(jí)配電部分進(jìn)行分拆對(duì)比，我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)從傳統(tǒng)UPS供電，到240V 高壓直流供電，再到市電直供技術(shù)，其配電結(jié)構(gòu)層級(jí)是不斷精簡(jiǎn)的，分別從四級(jí)配電精簡(jiǎn)到配電直至市電直供的兩級(jí)配電。而且配電越來(lái)越靠近負(fù)載末端，從集中式系統(tǒng)逐步向分布式系統(tǒng)演進(jìn)，還可以大大減少線纜投資及傳輸過(guò)程損耗，這個(gè)變化會(huì)帶來(lái)很大的投資減少及運(yùn)營(yíng)簡(jiǎn)化，也是未來(lái)數(shù)據(jù)中心發(fā)展的趨勢(shì)，這里不再展開(kāi)。

　　綜上討論，我們對(duì)比了供電能力均為360KW的2N UPS的配電架構(gòu)和市電+240V HVDC的配電架構(gòu)，得到如下的投資成本對(duì)比。結(jié)果表明市電+240V HVDC架構(gòu)會(huì)比2N UPS架構(gòu)節(jié)省較大投資，且占用了更少的機(jī)房面積。

　　前面分析了很多一次性投資成本CAPEX及占地面積的比較，對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，更長(zhǎng)的生命周期會(huì)在運(yùn)營(yíng)階段，而運(yùn)營(yíng)成本構(gòu)成中很大一塊是電費(fèi)，下面繼續(xù)分析OPEX中的用電成本，對(duì)于360KW的系統(tǒng)，這里按320KW的實(shí)際負(fù)載來(lái)估算，分別比較2N UPS和市電+240V HVDC在8年生命周期內(nèi)的總電費(fèi)差異。

　　我們知道UPS系統(tǒng)的效率往往隨著負(fù)載率的提升而增加，如果UPS系統(tǒng)長(zhǎng)期處于輕載狀態(tài)，那么運(yùn)行的實(shí)測(cè)效率并沒(méi)有達(dá)到的最高效率點(diǎn)。對(duì)于2N UPS架構(gòu)，每套UPS的負(fù)載率往往只有30%-40%之間，雖然選用了最高效率為94%的UPS，但實(shí)際的運(yùn)行效率很可能只有90%左右。而對(duì)于240V高壓直流系統(tǒng)，由于有電池直接掛接母線，那么高壓直流系統(tǒng)是允許節(jié)能休眠的，會(huì)自動(dòng)需要工作的電源模塊數(shù)量，并使電源系統(tǒng)在任何負(fù)載情況下都可以工作在最高效率點(diǎn)附近，即高壓直流可以在全負(fù)載范圍內(nèi)都達(dá)到94%以上效率，而市電直供支基本是100%供電效率，因此市電+240V HVDC綜合供電效率為97%。 如下圖比較(效率數(shù)據(jù)只是示意)：

　　由于每千瓦IT都需要經(jīng)過(guò)不間斷電源系統(tǒng)供電，因此320KW的IT負(fù)荷經(jīng)過(guò)90%效率的2N UPS架構(gòu)每年浪費(fèi)的電費(fèi)(按每度電8毛RMB估算)高達(dá)22.43萬(wàn)元，而市電+240V HVDC只浪費(fèi)6.73萬(wàn)元。此外，電力室內(nèi)的不間斷電源設(shè)備產(chǎn)生的熱量需要額外的空調(diào)系統(tǒng)帶走，還需考慮這部分空調(diào)能耗產(chǎn)生的電費(fèi)，為簡(jiǎn)化分析按電力空調(diào)的散熱能效COP為4估算。這樣320KW的IT負(fù)荷在數(shù)據(jù)中心8年的生命周期內(nèi)，僅僅計(jì)算不間斷電源系統(tǒng)效率損耗及電力室空調(diào)能耗，2N UPS供電架構(gòu)浪費(fèi)電費(fèi)224.32萬(wàn)，而市電+240V HVDC只浪費(fèi)電費(fèi)67.28萬(wàn)，節(jié)省了157萬(wàn)元的運(yùn)營(yíng)電費(fèi)。

　　綜上所述，在類似可靠性及輸出能力的2N配置400KVA UPS和容量為360KW的市電+240VHVDC供電架構(gòu)，在帶320KW負(fù)載的模型下。市電+240V HVDC供電架構(gòu)比傳統(tǒng)的2N UPS架構(gòu)減少投資44萬(wàn)(不含電池及配電線個(gè)配電柜(不含電池室約節(jié)省了57%的配電柜占用面積)。還在機(jī)房運(yùn)營(yíng)的8年生命周期內(nèi)，節(jié)省運(yùn)營(yíng)電費(fèi)157萬(wàn)。折算成TCO，僅僅在CAPEX及OPEX的電費(fèi)部分就節(jié)省投資200萬(wàn)。

　　如果對(duì)于10萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器的一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心，僅僅是采用了市電+240V HVDC技術(shù)在8年時(shí)間內(nèi)就可以節(jié)省TCO高達(dá)1.2億元，非?？捎^，包括帶來(lái)的運(yùn)維簡(jiǎn)化等，該技術(shù)很值得在業(yè)界推廣使用。

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　　比特CIO俱樂(lè)部周刊以大量高端CIO沙龍或?qū)ｎ}研討會(huì)以及對(duì)明星CIO的深入采訪為依托，匯聚中國(guó)500強(qiáng)CIO的集體智慧。旨為中國(guó)杰出的CIO提供一個(gè)良好的互融互通 、促進(jìn)交流的平臺(tái)，并持續(xù)提供豐富的資訊和服務(wù)，探討信息化建設(shè)，推動(dòng)中國(guó)信息化發(fā)展引領(lǐng)CIO未來(lái)職業(yè)發(fā)展。

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