引言：

一個典型的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)，由中壓配電、變壓器、低壓配電、不間斷電源（Uninterruptible power supply，UPS）、末端配電以及發(fā)電機等設(shè)備組成，其中，UPS的主要作用，是在市電電源中斷、發(fā)電機啟動之前，確保所帶的負載持續(xù)供電，因此，UPS系統(tǒng)包含了儲能設(shè)備，如蓄電池或飛輪；此外，傳統(tǒng)UPS還具有隔離市電側(cè)浪涌、電壓驟升驟降等作用。

UPS系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心供電連續(xù)性的重要保障，UPS系統(tǒng)的可靠性直接影響數(shù)據(jù)中心的可靠性，同時，在絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心，UPS系統(tǒng)的損耗可占IT設(shè)備能耗的10%以上。因此，提高UPS系統(tǒng)的可靠性，同時降低其損耗，就成為數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)架構(gòu)演變的主旋律。

一、傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)

目前，數(shù)據(jù)中心內(nèi)應(yīng)用最廣的不間斷電源還是傳統(tǒng)UPS，它主要由整流AC-DC、逆變DC-AC和靜態(tài)旁路3部分電路組成，DC母線上掛接蓄電池，輸入AC正常時，經(jīng)整流和逆變兩次轉(zhuǎn)換后為負載供電，同時為蓄電池浮充，輸入AC中斷時，蓄電池由浮充轉(zhuǎn)放電，經(jīng)逆變器為負載供電，對負載來說，感受不到輸入端電源的中斷。

1.1 UPS設(shè)備的發(fā)展

從結(jié)構(gòu)上看，UPS設(shè)備可以分為后備式、在線互動式、雙轉(zhuǎn)換在線式、Delta 轉(zhuǎn)換在線式等類型，其中前兩種主要用于小容量負載（≤5kVA），Delta轉(zhuǎn)換在線式技術(shù)受專利保護，因此，大型數(shù)據(jù)中心主要采用雙轉(zhuǎn)換在線式UPS設(shè)備。

傳統(tǒng)的雙轉(zhuǎn)換在線式UPS設(shè)備采用可控硅整流，主要的問題是諧波電流畸變率（THDi）高(10-30%)，轉(zhuǎn)換效率低(85-92%)。

隨著電力電子器件的發(fā)展，呈現(xiàn)出IGBT取代可控硅整流的趨勢，IGBT整流的優(yōu)勢是取消變壓器，因而降低了成本，同時有比較好的輸入特性，在較寬的負載范圍內(nèi)，可以將THDi控制在5-10%之間，最大的好處是效率的提升，通常在87-95%之間。目前，IGBT整流型UPS的可靠性比可控硅整流型略低。

1.2 UPS系統(tǒng)的發(fā)展

由于UPS設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此自身容易發(fā)生故障，設(shè)備冗余可以提高可用性，UPS系統(tǒng)便有了N、N+X、2N、”市電+U電“等架構(gòu)。

N系統(tǒng)滿足基本需求，沒有冗余的UPS設(shè)備。它的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，硬件配置成本低廉；由于UPS工作在設(shè)計滿負荷條件下，因此效率較高。其缺點是可用性低，當UPS發(fā)生故障，負載將轉(zhuǎn)換到旁路供電，無保護電源；在UPS、電池等設(shè)備維護期間，負載處于無保護電源狀態(tài)；存在多個單故障點。

N+X并聯(lián)冗余系統(tǒng)是指由N+X臺型號規(guī)格相同且具有并機功能的UPS設(shè)備并聯(lián)組成的系統(tǒng)，配置N臺UPS設(shè)備，其總?cè)萘繛橄到y(tǒng)的基本容量，再配置X臺（X＝1～N）UPS冗余設(shè)備，允許X臺設(shè)備故障退出檢修。相對于“N”系統(tǒng)，“N+X”系統(tǒng)在UPS配置上有了一定的冗余，系統(tǒng)可靠性有所提高，同時帶來了系統(tǒng)配置成本的增加、系統(tǒng)負荷率的降低以及效率降低。N+X系統(tǒng)在成本增加不多的前提下提高了可用性，因此，在數(shù)據(jù)中心得到了廣泛的應(yīng)用，但是該系統(tǒng)在UPS輸出端仍然存在單故障點，實際項目中由此造成的系統(tǒng)宕機屢見不鮮。

為了消除單點故障，高等級數(shù)據(jù)中心通常采用2N冗余系統(tǒng)。該系統(tǒng)是指由兩套或多套UPS系統(tǒng)組成的冗余系統(tǒng)，每套UPS系統(tǒng)N臺UPS設(shè)備的總?cè)萘繛橄到y(tǒng)的基本容量。該系統(tǒng)從交流輸入經(jīng)UPS設(shè)備直到雙電源輸入負載，完全是彼此隔離的兩條供電線路，也就是說，在供電的整個路徑中的所有環(huán)節(jié)和設(shè)備都是冗余配置的，正常運行時，每套UPS系統(tǒng)僅承擔總負荷的一部分。這種多電源系統(tǒng)冗余的供電方式，克服單電源系統(tǒng)存在的單點故障瓶頸，對于少數(shù)單電源設(shè)備的情況，可通過安裝小型STS設(shè)備，保證其供電可靠性。采用2N冗余系統(tǒng)可用性得到明顯提高。2N冗余系統(tǒng)的缺點也非常明顯，設(shè)備配置多、成本高，通常情況下效率比N+X系統(tǒng)更低。

“市電+U電”供電架構(gòu)由百度提出并在2011年其自建M1數(shù)據(jù)中心規(guī)模應(yīng)用，它在N+1系統(tǒng)基礎(chǔ)上做了改進，UPS設(shè)備配置不變，將服務(wù)器等雙電源設(shè)備的其中1路改由市電直接供電，消除了單點故障，可靠性較N+1系統(tǒng)大大提高，同時，UPS系統(tǒng)的損耗降低為原先的50%。UPS系統(tǒng)整體效率提升至95%以上。

 圖1.2.1 N+1冗余系統(tǒng)和“市電+U電”系統(tǒng)

1.3 UPS ECO模式

前文已經(jīng)提到，雙轉(zhuǎn)換在線式UPS配置有靜態(tài)旁路，當正常情況下負載由旁路供電，交流輸入中斷后再切換至逆變由電池供電的運行模式，被稱為ECO模式，又稱為經(jīng)濟運行模式，某些UPS廠家將此模式也稱為ESS（節(jié)能系統(tǒng)）、SEM（超級節(jié)電模式）、VFD（基于電壓和頻率的模式），等等。

由于正常情況下電能不再經(jīng)過整流和逆變兩次轉(zhuǎn)換，因此，整機效率有所提升，不少廠家聲稱的ECO模式效率高達99%，但是實測數(shù)據(jù)與此相差較大。圖1.3.1是5種型號UPS ECO模式效率的實測數(shù)據(jù)。（注：圖中“工頻”表示可控硅整流機型，“高頻”表示IGBT整流機型）

 圖1.3.1 UPS ECO模式實測效率曲線

對上述6個型號UPS在逆變工況和ECO工況實測效率做平均后的對比如圖1.3.2。可見，不同產(chǎn)品ECO-逆變效率提升差異較大，30%負載率下，某些工頻機效率僅提升2.69%，某些高頻機效率提升可達5.89%，整機效率高達98%。

 圖1.3.2 UPS ECO和逆變模式實測效率對比曲線

UPS ECO模式帶來了效率的提升，其代價是IT負載由市電供電，UPS必須不斷監(jiān)視市電狀態(tài)，并在發(fā)現(xiàn)問題且當該問題尚未影響負載時，迅速切換到逆變器供電。這個聽起來簡單，但實際操作起來非常復(fù)雜并且需要承擔很多風險以及潛在的負面影響。

經(jīng)過對主流的3種品牌6個型號UPS實測的ECO和逆變切換時間，在大約100次切換中，UPS最大切換時間為6.6ms，滿足IEC 標準 62040-3，UPS要求服務(wù)器等設(shè)備在瞬時斷電10ms內(nèi)時應(yīng)能維持正常工作；以及ITIC標準，服務(wù)器等設(shè)備在瞬時斷電20ms內(nèi)時能維持正常工作的要求。采用UPS ECO模式不需要改變服務(wù)器電源，可以取得類似Facebook DC 48V離線供電的節(jié)能效果。

二、直流（HVDC）不間斷電源系統(tǒng)

盡管所有國家的市電都是交流，但是IT設(shè)備內(nèi)部都采用直流供電，這就為直流供電提供了可能。事實上，通信行業(yè)采用直流48V供電已經(jīng)有幾十年的歷史，電力行業(yè)也長期采用直流220V作為斷路器等設(shè)備的操作和控制電源。

傳統(tǒng)UPS設(shè)備存在效率低、可靠性差、靈活性和擴展性差、故障后不易修復(fù)等問題，所以業(yè)內(nèi)一直在尋找替換UPS的方案。

國外早在上世紀90年代就提出高電壓直流供電的方案，如1999年日本代表INTELEC上發(fā)布《290V直流供電系統(tǒng)是電信和數(shù)據(jù)高效和可靠的供電系統(tǒng)》。真正有效的推動直流供電大規(guī)模應(yīng)用，卻發(fā)生在國內(nèi)，2007年，中國電信結(jié)合DC48V和DC220V系統(tǒng)，提出DC240V系統(tǒng)并應(yīng)用在江蘇省自用的數(shù)據(jù)機房。隨后，中國移動提出了DC336V的系統(tǒng)。

圖2 是現(xiàn)有主流的高壓直流供電系統(tǒng)圖，與通信行業(yè)48V直流系統(tǒng)架構(gòu)基本一致。與傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)換在線式UPS系統(tǒng)的主要區(qū)別，是取消了逆變環(huán)節(jié)，蓄電池掛接在直流母線，與整流器并聯(lián)，同時為IT設(shè)備供電。由于直流電源拓撲簡單，因此故障率較UPS有所降低，因采用模塊化設(shè)計，可在線維護。

 圖2 現(xiàn)有典型高壓直流供電系統(tǒng)圖

2.1 DC240V or DC336V，電壓等級的選擇

采用高壓直流供電架構(gòu)遇到的第一個問題就是電壓等級的選擇。涉及系統(tǒng)效率、元器件耐壓、配電設(shè)備耐壓、配電線路的金屬消耗、與蓄電池的匹配、對現(xiàn)有IT設(shè)備電源的匹配等因素，最重要的因素是對IT設(shè)備的兼容。

DC336V系統(tǒng)浮充電壓為380V，采用單體2V電池168只，適用于有PFC電路的IT設(shè)備或?qū)橹绷麟娫囱兄频腎T設(shè)備，其優(yōu)點是配電線路的金屬消耗量小，轉(zhuǎn)換效率高。其主要缺點是對現(xiàn)有IT設(shè)備的兼容性不如240V直流系統(tǒng)。

DC240V系統(tǒng)浮充電壓為270V，采用單體2V電池120只，對現(xiàn)有IT設(shè)備的兼容性最好，由于電壓較低，因此對人身的安全性較好，其主要缺點是配電線路的金屬消耗最大，與DC336V相比，電源轉(zhuǎn)換效率較低。

DC240系統(tǒng)在國內(nèi)從提出到實施落地已經(jīng)超過7年，保守估計，目前應(yīng)有數(shù)以十萬計的IT設(shè)備運行在DC240V系統(tǒng)下，其可行性得到較好的實踐檢驗。其效率可以通過元件的選擇以及采用離線架構(gòu)（后文詳述）彌補，將電源與負荷就近布置也可以抵消配電線路金屬的消耗。綜合考慮，建議選擇DC240V。

2.2 DC240V 系統(tǒng)的IT設(shè)備兼容性

IT設(shè)備電源模塊的前端一般是一個橋式整流電路，從原理上看，輸入由AC220V替換為DC240V可以工作，另外，中國電信等公司也做過一些IT設(shè)備DC240V供電兼容性的測試，有些資料宣稱兼容性達98%以上。

不論原理如何，也不論其他公司兼容性測試數(shù)據(jù)有多高，當決定選用DC240V直流供電后，必須進行系統(tǒng)的兼容性測試，建議的測試內(nèi)容至少包括：正常電壓、反復(fù)上下電、極性反接、誤接地、欠壓保護、緩慢上電、長時間工作7項內(nèi)容。

一項對34款服務(wù)器、17款交換機所做的兼容性測試中，共有8款服務(wù)器電源、1款交換機電源不支持，服務(wù)器電源不兼容率高達24%；5款I(lǐng)T設(shè)備不支持正負極反接，這個需要在確定接口極性時特別注意；還有1款服務(wù)器在長時間（不小于3個月）測試中出現(xiàn)性能不穩(wěn)定，經(jīng)常宕機情況。有些雙電源服務(wù)器的2個電源模塊分別由不同的廠家提供，會有1個兼容另1個不兼容的情況。不做相關(guān)的測試，很難發(fā)現(xiàn)其中的問題，當大規(guī)模上線后再遇到問題，恐怕為時已晚。

2.3 從在線（Online）到離線（Offline），節(jié)能到極致

與雙變換在線式UPS應(yīng)用類似，高壓直流目前也以在線應(yīng)用為主。所謂在線（Online），是指交流電能始終經(jīng)HVDC整流后為IT設(shè)備供電，通常有6%以上的損耗；所謂離線（Offline），是指正常情況下市電直供IT設(shè)備，HVDC僅為蓄電池提供浮充，市電中斷后，轉(zhuǎn)由蓄電池供電，在這種架構(gòu)下，正常情況為IT設(shè)備供電的電能不經(jīng)過HVDC轉(zhuǎn)換，此部分損耗幾乎可以忽略。因此節(jié)能效果顯著。圖2.3.1 – 2.3.3顯示了傳統(tǒng)UPS、HVDC Online、HVDC Offline在系統(tǒng)效率上的差異。

三、分布式不間斷電源系統(tǒng)

UPS或HVDC通常采用集中式供電方案，集中式系統(tǒng)的優(yōu)點是可以實現(xiàn)資源共享，降低成本，其缺點是系統(tǒng)故障范圍大，影響面廣。

UPS也有小型機分布式供電方案，但是多套分布式小型機系統(tǒng)與1套集中式大型UPS系統(tǒng)相比，小型機的數(shù)量多，故障點多，成本高，因此大中型數(shù)據(jù)中心不會采用分布式UPS系統(tǒng)。

盡管有如上問題，但是對于分布式不間斷電源系統(tǒng)的探索，從來沒有停止過。

3.1 DC12V 分布式系統(tǒng)

谷歌是最早進行服務(wù)器自研定制的互聯(lián)網(wǎng)公司，同時也最早放棄了集中式UPS電源方案，轉(zhuǎn)將蓄電池分布到每臺服務(wù)器電源直流12V輸出端。詳見圖3.1。

 圖3.1 谷歌DC12V分布式供電架構(gòu)

市電正常時，進入服務(wù)器電源轉(zhuǎn)換成DC12V為服務(wù)器主板供電，同時為蓄電池提供浮充電源，市電停電后，由DC12V母線并聯(lián)的蓄電池繼續(xù)給主板供電，直到柴油發(fā)電機啟動后回復(fù)交流供電。谷歌早期采用鉛酸電池供電，因服務(wù)器內(nèi)部高溫導(dǎo)致鉛酸電池故障率高，后改為鋰電池方案。蓄電池的后備時間為分鐘級（通常為1-3分鐘）。

此方案的優(yōu)點是大大簡化了IT設(shè)備前端供電系統(tǒng)，缺點是服務(wù)器電源需要深度定制。

3.2 DC48V 分布式系統(tǒng)

Facebook于2011年公開了其自建數(shù)據(jù)中心的資料，供電系統(tǒng)采用DC48V離線備用系統(tǒng)。詳見圖3.2。

 圖3.2 Facebook DC48V分布式供電架構(gòu)

Facebook為每6個9kW的機柜配置1個鉛酸蓄電池柜，輸出為DC48V，服務(wù)器電源采用AC277V和DC48V雙輸入，市電正常時作為主用，市電中斷后由蓄電池輸出DC48V為服務(wù)器供電。蓄電池后備時間為45秒。此方案的系統(tǒng)效率與240V HVDC Offline方案及DC12V分布式系統(tǒng)相當。

3.3 DC240V 分布式系統(tǒng)

隨著業(yè)內(nèi)對數(shù)據(jù)中心能耗關(guān)注日益增強，國內(nèi)近幾年出現(xiàn)了一種新型的分布式DC240V電源設(shè)備，同樣采用離線方案，市電正常時，直接輸出市電電源，市電停電后，由內(nèi)部鋰電池提供DC240V輸出。

這種方案的優(yōu)勢是IT設(shè)備無需定制，只要兼容DC240V供電即可。其缺點是電源內(nèi)部存在AC220V和DC240V的切換，系統(tǒng)可靠性降低；鋰電池串聯(lián)數(shù)量多，單只電池故障會影響系統(tǒng)的可靠性。

從實際應(yīng)用效果看，某互聯(lián)網(wǎng)公司租用的數(shù)據(jù)中心一年中發(fā)生十幾起電源故障，證明此架構(gòu)還需完善。

四、總結(jié)和展望

根據(jù)以上討論，可以看出數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)架構(gòu)呈現(xiàn)如下兩種趨勢：

第一，從在線到離線。UPS ECO模式、DC48V電池備用、DC12V電池備用、DC240V電池備用等本質(zhì)上都是將電源離線，從而降低電源成本和運行損耗。

第二，從集中到分布。隨著鋰電池等新型儲能設(shè)備的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)時代服務(wù)器快速部署、靈活擴展的需要，不間斷電源設(shè)備正在從集中到分布。

供電架構(gòu)只有更好，沒有最好，選擇與業(yè)務(wù)匹配的技術(shù)才是最佳選擇。對于追求穩(wěn)定可靠的銀行客戶，UPS雙總線架構(gòu)可能是穩(wěn)妥的選擇；對于追求低成本、快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，將更青睞于分布式鋰電池方案。

另一種格式的總結(jié)和展望：

過去，計算機作為一種非常嬌貴的設(shè)備，雙轉(zhuǎn)換在線式UPS消除了市電電能質(zhì)量問題，但帶來了6-10%的電能損失以及其自身可靠性低的問題。

通過冗余可以提高系統(tǒng)可靠性，UPS發(fā)展出主備供電、N+1冗余并機、雙總線、分布冗余等方案，相應(yīng)帶來的是成本和能耗的進一步增加。

為了避免UPS設(shè)備故障率高的問題，國內(nèi)提出并已規(guī)模部署了直流240V電源系統(tǒng)，大部分IT設(shè)備可以直接兼容直流供電。

UPS ECO模式是一種離線供電方案，雖然效率較高，但是解決不了UPS設(shè)備故障率高和不便于維護的問題。

Facebook提出了48V直流電源設(shè)備離線運行的方案，降低了電源設(shè)備投資和損耗。48V系統(tǒng)的缺點是電壓低，電流大，配電設(shè)備容量大，配電距離近，不僅投資高，而且蓄電池需靠近服務(wù)器機柜布置。

國內(nèi)蓄電池的品質(zhì)差，易產(chǎn)生漏液、著火等故障，因此這種方案直接應(yīng)用于國內(nèi)風險非常大。百度提出了240V高壓直流離線應(yīng)用的技術(shù)方案，蓄電池安裝在專門的電池室，有效控制了安全風險，同時電源設(shè)備成本節(jié)省70%，電源效率提高到99.5%。

DC12V分布式鋰電池方案可以簡化前端供配電系統(tǒng)，加快部署速度，但是國內(nèi)動輒15分鐘以上的后備時間與谷歌分鐘級（據(jù)估計3分鐘左右）的后備時間相比，鋰電池的配置增加3-5倍，相應(yīng)成本和安全風險都成比例增加。

隨著國內(nèi)數(shù)據(jù)中心前端配電系統(tǒng)及發(fā)電機自動控制系統(tǒng)的完善以及運營水平的提升，蓄電池的后備時間一定會縮短，分布式鋰電池供電系統(tǒng)將在互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)數(shù)據(jù)中心迎來春天。

作者簡介：

朱永忠，現(xiàn)任平安科技(深圳)有限公司基礎(chǔ)架構(gòu)首席總監(jiān)、云計算發(fā)展與政策論壇用戶委員會副主任。曾在百度歷任系統(tǒng)部高級經(jīng)理、副總監(jiān)、總監(jiān)、高級總監(jiān)，加入百度之前供職于中國最大的商業(yè)數(shù)據(jù)中心服務(wù)提供商——世紀互聯(lián)(Nasdaq:VNET).擁有十多年數(shù)據(jù)中心建設(shè)、運營和管理經(jīng)驗，是百度數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的總設(shè)計師、規(guī)劃師和推動者。在百度的七年時間中，永忠組建和培養(yǎng)了國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域最強大的數(shù)據(jù)中心團隊，打造出中國互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域最領(lǐng)先的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施，為百度的大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略打下了良好的基礎(chǔ)。永忠是國內(nèi)數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的頂尖技術(shù)專家，身為中國數(shù)據(jù)中心專家技術(shù)委員會副主任委員，和工信部數(shù)據(jù)中心工作組特聘專家，主持和參與了多項行業(yè)標準及白皮書的編寫和審核工作，為過去幾年中國數(shù)據(jù)中心行業(yè)的大發(fā)展做出了突出貢獻。