高压直流访谈
- 1. 采访提纲采访提纲采访提纲采访提纲 采访对象：李典林 采访时间：1 月 15 日之前 采访方式：电话采访，邮件采访均可 采访者：《网络世界》记者 周源 --------------------------------------------------------- 1. 高压直流供电技术的优点和弊端？能提供高压直流供电与传统 UPS 供电在投资上的对比结 果吗？ 答：高压直流技术主要有两个电压规格，一个是国内主流的 240V，以及国外主推的 380V，其中 240V 高压直流供电技术可以兼容绝大多数的现有交流 220Vac 设备（也是 240V 电压等级存在的 基础和意义，目的是为了兼容现有的标准交流电源无需定制，后续会多处强调这个），即目前绝 大多数的标准交流输入设备不用任何改造就可直接采用 240V 直流供电，且配套的 240V 直流配电 系统接近成熟电力系统用的 220V 直流，因此推广起来难度和阻力会小很多；而 380V 高压直流需 要专门定制 380V 输入的直流电源（数据中心内有几十上百种不同厂家不同类型的设备，要完全 定制所有设备对绝大多数用户来讲几乎是不可能的），且配套的 380V 配电系统目前还不够成熟， 因此 380V 的生态暂未就绪，推广难度较大，目前的使用面很窄，因此本文如果没有特殊说明， 高压直流仅指的是 240V 直流系统。 高压自河流供电技术的优点很多，和传统的 UPS 技术相比起来，主要的优点表现在下面几 点：1、源于最新开关电源技术、采用功率 MOS 的高压直流比采用晶闸管的传统 UPS 效率更高， 体积更小；2、电池直接挂在输出母线上，可靠性更高，且可在线扩容、不掉电割接等；3、拓扑 简单，可靠性高；4、模块化设计，边成长边投资；5、热插拔维护，像更换硬盘一样更换故障模 块，运维不用依赖于厂家的服务。6、节能休眠技术可以大大提升轻载下的系统效率，减少机房 初期的能耗；7、高压直流的输入功率因数高、谐波小，且输出负载率可以比 UPS 高，可降低柴 发容量等；8、高压直流技术衍生出来的新的分布式供电架构，会颠覆传统 UPS 的靠硬件多重冗 余来保障可靠性的高投入低能效模式。9、高压直流比传统 UPS 要更安全，因为输出浮地，即便 误碰到单极母排电压，触电电压也比交流要低近 1 倍，且交流 220Vac 的正弦波峰值电压高达 314V，也高于高压直流 270V 的电压。 高压直流技术的不足，主要体现在下面的几个方面：1、高压直流的国家级标准暂未出台， 国家级标准的缺失影响该技术在部分行业的推广使用；2、目前 IT 设备厂家对高压直流观望中， 暂时不愿意承诺提供设备的维保等服务；3、极少部分设备采用了交流频率检测、辅助电源单极 供电等，会出现设备虽不损坏但不能正常开机等小概率事件；4、部分交流电机驱动类设备暂时 不支持高压直流，需要配逆变器等。 高压直流供电与传统 UPS 供电在投资上的对比分别从设备投资（capex）和运营电费（opex） 两方面做比较。对于设备投资来看虽然不同用户差异较大，从节省投资成本 30%以上到差别不大 等，但意见较为一致的是采用高压直流肯定会比采用 UPS 会减少投资，首先，高压直流设备沿袭 了通信电源和电力电源的成熟开关电源技术基础，技术门槛相对 UPS 会低一些，而且可选的供应 商更多，因此即便是在作为新事物初期的价格就已经比传成熟的 UPS 要低了，暂且不论未来成熟 后还有较大的价格下降空间。其次，从机房的整体配电上考虑，传统的 UPS 供电有复杂的 UPS 输入低压配电、谐波补偿电容柜、旁路并机柜、隔离变压器、输出配电柜等等复杂的配电结构 及大量的昂贵功率线缆的投资，而高压直流只有输入配电和输出配电，虽然直流输出配电部分比
- 2. 交流输出配电部分贵一些，但就总体而言，会比传统 UPS 的建设投资少不少。还有，目前高压直 流的建设价格和传统 UPS 建设的价格差距不太大的一个原因是，目前电信运营商的高压直流电源 系统参考了通信基站的长时间电池备份，比如长达 1 个小时以上等，而电池投资往往很大，因此 如果缩短电池备份时间和 UPS 备份时间持平，那么高压直流系统的设备投资比传统 UPS 投资肯定 有明显的优势。最后，传统的 UPS 由于是集中式大容量供电，因此设备投资必须按终期来一次性 建设，因此前期投资很大，而高压直流采用了分布式的较小容量设计，且每套系统内还采用了模 块化的设计，因此电源系统可以较为灵活的分期投资，系统内的电源模块数量也可以根据业务需 要逐步采购扩容，边成长边投资，减少前期的资金压力。 我们再从运营成本上看，首先，传统的 UPS 系统为了高可靠采用了 2*N 甚至 2*（N+1）的冗 余配置，因此其负载率通常很低，而通常负载率越低效率较差，所以大多数 UPS 的正常供电效率 只有 80%多，即便号称有 94%高效率的 UPS 往往其运行的效率都只有 90%左右甚至不到。而高压 直流系统的电源模块颗粒度较细，且模块数量可根据业务的需求灵活建设调整，一开始就可以保 持在较高的负载率来实现高效率，比如目前的高压直流系统效率很容易做到 94%甚至更高。其次， IDC 机房建成到设备装满需要个较长的时间，那么在机房投入运行之后的很长时间内，整个 UPS 的负载率都会长期较低，而 UPS 的设备空转轻载的功耗是很大的，因此这部分很大的能耗都白白 浪费掉。而高压直流系统因为电池直接挂输出母排上，可以采用成熟的节能休眠技术，从机房开 始投入运行到接近满负荷都可以保持在最高的 94%左右效率上，一开始就实现了高效率。关于低 载损耗再举个简单的例子，UPS 的空载功耗可能高达十几千瓦，而高压直流系统休眠后的空载功 耗只有几百瓦，浪费的能源差几十倍。最后，从高压直流技术衍生出的新的供电架构可以容易实 现更高的供电效率，可以很容易实现 97%以上，甚至接近 100%的供电效率，而这些是传统的 UPS 方案难以实现的，或者即便为了追求高效率也需要牺牲系统的可靠性来达到。 2. 高压直流供电技术何时能大面积普及？会彻底取代目前的 UPS 供电方式吗？目前有哪些因 素制约高压直流供电技术大规模采用？ 答：高压直流技术从 07 年左右开始研究到目前已经开展了 5 年时间，据不完全统计，截至 目前全国已经有近 10 万台设备运行在高压直流供电环境下，应该说已经有了较大规模的开 展和运营经验的总结，特别在 2011 年和 2012 年出现了大规模增长的迹象，出现了一次采 购好几十套到上百套直流系统的应用的大规模 IDC 出现，而且目前这个增长势头更为迅速。 中国电信等运营商也开展了多次高压直流规模集采，不管是运营商还是互联网公司都非常 看好高压直流供电的未来方向，因此将会在 2013 年会看到更多更大规模的应用。 高压直流技术虽然有前面提到的种种优点，但如前面所述，高压直流技术因为国标级标准 尚未出台（虽然中国电信集团在 2011 年和 2012 年分别出了两个版本的高压直流通信行业 标准，国家标准也在积极筹备整理中，但截至目前尚未正式发布），且部分 IT 设备厂家不 承诺维保等原因等，这些原因也或多或少制约着高压直流技术在更大规模的开展。 但高压直流技术会彻底替代 UPS 供电方式吗？个人认为不会，但认为高压直流会逐步侵蚀 UPS 的市场空间，甚至 48V 通信电源的市场空间，而且这个趋势会比想象中的要来得更快。 3. 相关的标准发展到什么程度？ 答：2009 年，《通信用 240V 直流供电系统技术要求》（YDB 037-2009）发布；2010 年，中国电信《通信用 240V 直流供电系统节能试点技术指导意见》发布；2011 年 CCSA 行 标《240V 直流电源系统》（YD/T2378—2011）发布，中国电信集团在 2012 年底还发布两项 通信用 240V 直流供电系统企业标准。高压直流相关国家标准也在积极筹备整理中，但截至 目前尚未正式发布。工信部的同事也参与了国际 ITU 联盟的一些相关高压直流标准的讨论， 并且积极推动把 240V 高压直流作为全球高压直流一个重要标准写进相关规范，详细可参考
- 3. 泰尔实验室齐曙光先生的文章《通信用直流技术与标准国内外应用情况》。 4. 数据中心用户如果打算采用高压直流，有些什么注意事项？ 答：1、设备引入前需咨询设备厂家能否支持高压直流，或开展设备的高压直流适应性测试； 2、配电方面建议采用直流空开，对于大功率设备，如单电源电流达到 8A 以上，不建议直 接带电热插拔，此时可以先断开直流空开，或者设备先关机，然后再拔电源线插头；3、如 果总输出大电流直流空开昂贵，可以采用熔断器+微断空开组合的模式来供电。4、建议安 装高压直流输出绝缘监测仪，及时发现正负极对地出现绝缘度降低的情况，提高安全性。 5. 您知道国内外哪些数据中心采用了高压直流？他们的实际经验？ 答：国内的数据中心采用高压直流技术，最早应该是以江苏电信盐城公司赵长煦主 任等老一代技术专家开始实践试点并小规模应用，然后逐步推广到江苏全省、浙江、广 东、湖南、山东等地电信公司；业界还有一个比较值得介绍的是阿里巴巴杭州东冠机房， 是国内第一个较大规模采用 240V 高压直流及机架集中供电技术的互联网公司数据中 心。腾讯、华润集团、江苏广电等都已采用 240V 供电技术，百度等也都将采用；这些 高压直流的实际运行经验上看都取得了较好的节能效果，数据中心的可靠性也有明显提 高，而且大大降低了 IDC 运维人员的压力。 从 2007 年开始至 2012 年 6 月底，中国电信全网用 240V 直流电源系统数已达到 450 个， 直流总容量超过 24 万安培，功率为 70000KW,相当于交流 UPS 容量 85000KVA 的供电能力。 使用 240V 直流电源的 IT 设备已超过 80000 台，应用范围分布于 20 多个省（区、市）74 个 地区。系统节电率 12%：中国电信年度节电有 2500 万度，通信行业年度节电可达 3800 万度。 节约建设投资：按照一个 240V1000A 直流系统与“1+1”300KVA 系统比较，中国电信将累计 节省建设投资 5300 万元，全行业将累计节省建设投资达 8200 万元（引自中国电信集团数 据）。 国外的数据中心主要采用了 380V 的供电架构，但因设备电源需要 100%定制，所以远未形成 气候，比如使用较大规模的 NTT 公司也只有 6 套系统试点，总功率才 470KW。最近 ABB 与 IO 公 司达成协议，合作开发采用直流电的新型数据中心模块，但规模不详，应该也不是很大，其 他的一些试验和试点如下图。
- 4. 6. 采用高压直流，对现有设备有什么要求？ 答：98%的服务器设备都可以不用任何改造就可以支持高压直流，详细的原理可参考拙作《交 流设备的高压直流适应性测试》，但仍建议设备采用高压直流供电之前进行完整的高压直 流适应性测试。在中国电信实际应用统计发现，可用 240V 直流电源的 IT 设备占 IT 总数量 ＞98%，不可用数量＜2%，这是因为不可用产品多为早期 IT 型号，在网使用数量已经很少 了，目前只有 dell、HP 等公司的很少部分服务器中的几款电源不支持高压直流。 此外将现有交流设备直接用 240V 高压直流供电之前需要注意的一些地方是：1、把船 型开关或者纽子开关固定在 ON 位置无法动作，防止大电流情况下出现波动导致拉弧；2、 采用万用表欧姆档测量设备输入 L、N 两极的电阻，检查是否存在短路或者是电源内部存在 绕组变压器。当测量值大于 100KΩ等时，可以进行直流加电。3、通常 IT 设备交流电源的 输入范围都很宽，大大超过高压直流设备的供电电压范围，但为了避免出现极少量的过欠 压保护等异常，建议分别做高、低电压启动等。4、大功率电源设备避免直接带电热插拔， 比如电源功率达 2500W 以上设备，最好能软件关机后再下电，应急时候可以先分断断路器 再操作；5、对极少数功率很小的通信设备，内部电源模块有可能采用的是半波整流，如输 入直流电源后不能开机，可能是设备制造厂安装时将设备内部“L”和“N”接反，可将测 试的直流电源正、负极对调，再尝试启动，如能正常启动，说明该设备采用的是半波整流 方式。对于此种设备，可将该设备电源线正、负极或对应插座正、负极对调，并作不同颜 色的明显标识。 7. 高压直流的普及，对现有的 UPS 设备厂商是不是一个冲击？ 答：肯定是个冲击，现在越来越多的用户看到高压直流较 UPS 带来的种种好处，而且应用 也越来越成熟，比如在数据中心行业国内三大运营商和互联网企业等都有不少高压直流机 房已经投入运行且带来良好效果，很多新建的 IDC 就不再采用传统的交流 UPS 来供电而改 用高压直流技术，而且会在越来越多的市场中碰到。 随着新能源的不断普及和推广，且为了降低供电风险，电源系统也逐步从原有的集中式大 UPS 转向分布式直流供电。从电源的角度来看太阳能、风能以及电池储能技术，高压直流是 数据中心最好的选择，由于没有复杂的交流并网技术，只需将变化的转子发电用简单整流 稳压并储能，利用两者电压差调节就可以实现风电和其他供电路由的无缝切换或者同时供 电，达到部分离网免费供电的目的。未来的数据中心和绿色能源会结合得更为紧密。 8. 现有的 UPS 设备厂商如何应对高压直流供电趋势？ 答：首先 UPS 厂商应积极应对高压直流供电的变化趋势，从成本和可靠性等方面不断提升 UPS 产品的性价比，虽然已经不能阻止高压直流的步伐，但仍可从成熟性方面获得部分市场。 其次，虽然 UPS 设备厂商也看到了传统 UPS 的一些不足，也推出了一些类似高压直流技术 的解决方案，如模块化高频 UPS 等技术，部分解决了传统 UPS 负载率低、分期建设难、可 扩展性差等问题，但由于多模块的交流高频 UPS 涉及复杂的交流并机、异常转旁路、故障 自动安全退出等技术，且并机板的单点、电池挂接在逆变器前逆变损坏风险、难以实现节 能休眠等，包括价格等和高压直流技术都难以媲美，因此这些技术都难以取代高压直流技 术，但在过渡的阶段内仍有一定应用。第三、开发高压直流逆变器设备，或者开发支持高 压直流输入的电机类设备，如空调压缩机、电机马达等，填补部分高压直流供电的短板。 第四，朝着新能源的方向转型，比如太阳能、风能、电池等混合能源控制器等。 9. 数据中心服务器、存储、网络等设备厂商如何应对高压直流供电趋势？好像服务器电源有 个 SSI 标准？将 SSI 电源的供电改为直流供电后完全可用
- 5. 答：设备厂商应该看到高压直流供电的趋势，并且积极研究应对，推出承诺支持高压直流 供电的产品，抢占有利形式。服务器电源是有个 SSI 标准，由 intel 主导推出的，还有另 外一个 ATX 标准，其实设备支持高压直流与否和 SSI 标准或者 ATX 标准关系并不是很大， 只要 IT 设备采用的是开关电源技术，并可做到回路上无并联对直流电压呈现短路状态的感 性电子元器件，电源回路上无串联对直流电压呈现开路状态的容性电子元器件，无对交流 频率监测的要求等通常都是可以直接支持高压直流的。 10. 我看过你的《高压直流之路》提到的是 240V，我看到别的资料好像是觉得 270V 比较好，究 竟是 240V，还是 270V 业界是不是还没有一个公认的说法？ 答：这个将正常工作电压为 270V 的电源系统叫为 240V 高压直流的叫法的确有些让人误解， 其实两者是一回事，240V 是额定电压，270V 是默认电压，类似通信电源的 48V 是额定(rated) 电压,而 54V 是默认电压(defult)电压，为了便于大家理解，可以将通信电源系统的电压乘 以 5 倍就可以得到高压直流的相应电压。之所以有这两个电压值是因为电池而来的，通常 我们常说的 2V 电池，其浮充电压是 2.25V，均充电压是 2.36V，那么对应于通信电源系统 的浮充电压是 54V 和 56.6V；对应于高压直流电源，则额定电压为 240V，默认电压为 270V， 均充电压为 282V，因此不管是 240V，270V，还是 282V，其实都是一个电压等级，只是处于 240V 高压直流系统的不同状态而已。 11. 您是国内较早从事高压直流产品研发的，目前业界对这块的研究是不是已经很成熟了，是 不是没什么可说的了？ 答：尚未很成熟，特别是配电部分，比如大家经常关心的大电流直流拉弧问题，电池欠压 保护问题、是否有必要采用专门的直流 PDU、直流熔丝、直流继电器、直流电源插座线缆等， 我想这些都很需要不断深入探讨，这也是参与本次采访的主要目的，希望能有更多的人来 了解高压直流技术，使用高压直流技术，并且不断研究其应用和建立标准。 但今天之所以没有深入研究这些问题的原因还是因为目前采用了 240V 这个电压等级， 这个电压等级就是为了兼容现有的交流开关电源，用户希望设备完全可以兼容交流 220Vac 输入和 270Vdc 直流输入无需专门定制。很多用户的 IT 设备经常需要不断搬迁来搬迁去， 可能是交流机房，也可能是高压直流机房，希望不受交直流机房的限制等，因此要求电源 线缆、电源插座插口、甚至包括 PDU 等能都沿用交流 220Vac 的行业标准。 推广 240Vdc 的目的是为了不定制，如果又需要定制则还不如直接走 380Vdc 的路子， 因此只要风险可以控制在一个很低的水平（目前在运行的近 10 万台交流设备罕有听说因为 使用了高压直流带来的事故，甚至因为高压直流电压恒定，且有电池滤波等，设备可靠性 还比交流供电更高），但带来的收益远远大于带来的风险，那么用户会认为是值得去做的。 市电是交流的？高压直流就是变为直流？交流转直流？UPS 设备是交流转交流？ 答：1、市电是交流的。 2、高压直流就是将市电变为直流，但中间经过了交流转直流再稳压输出，其实和 UPS 一样，也 是三级转换，只是从 220Vac 或 380V ac 预稳压到 400Vdc 再降压到 240VDC 输出。而 UPS 是 220Vac 或者 380Vac 预稳压到 400VDC 左右再逆变回 220Vac。
- 6. 3、对于IT 设备侧的电源，交流输入设备内部也是类似,将220Vac 预稳压到400Vdc再降压到12Vdc 输出,因此我们的供电路径其实是经过了很多重的交流转直流、直流转交流、交流再整流成直流 的多重过程，这个过程中能量浪费较多，因此国外推的 380V 高压直流方案是希望 IT 设备内部能 定制一个电源，直接将 380Vdc 直接降压到 12V，这样减少 IT 设备内的电压变换级数来减少能耗。 但考虑到数据中心内部设备种类很多，无法满足所有设备的完全定制，这也是 380Vdc 的高压直 流难以推广的原因。 240V 的高压直流方案，虽然由于 IT 设备内仍采用了交流供电的电源，IT 内部的转换级数没有减 少，会比定制的 380Vdc 转 12V 的电源效率稍微低一点点，但由于不用做任何设备定制等，推广 难度大大降低。