传统ups供电体系现在数据中心内使用最广癿丌连续电源仍是传统ups它首要由整流acdc逆发dcac和静态旁路3部分电路组成dc母线上挂接蓄电池输入ac正常时经整流和逆发两次转化后为负载供电一起为蓄电池浮充输入ac中止时蓄电池由浮充转放电经逆发器为负载供电对负载来说感叐丌到输入端电源癿中止

　　朱永忠，现任安全科技(深圳)有限公司根底架构首席总监。曾在百度历任 体系部高档司理、副总监、总监、高档总监，参加百度之前供职于我国最大的商 业数据中心服务供给商——世纪互联(Nasdaq:VNET).具有十多年数据中心建造、 运营和管理经验，是百度数据中心根底设施的总规划师、规划师和推进者。在百 度的七年时刻中，永忠组建和培养了国内互联网范畴最强壮的数据中心团队，打 造出我国互联网范畴最抢先的数据中心根底设施，为百度的大数据战略打下了良 好的根底。永忠是国内数据中心范畴的顶尖技能专家，身为我国数据中心专家技 术委员会副主任委员，和工信部数据中心作业组特聘专家，掌管和参加了多项行 业规范及白皮书的编写和审阅作业，为曩昔几年我国数据中心职业的大开展做出 了突出贡献。

　　电源体系在能耗、扩展性、牢靠性等方面迎来应战，HVDC 等新式不连续电源体系开端在 数据中心使用。

　　本文从 UPS、HVDC、散布式电源等设备本身特色，以及冗余、在线、离线等体系架 构的视点进行整理，提出数据中心不连续供电体系架构正在出现从在线到离线，从会集到分

　　源（Uninterruptible power supply，UPS）、结尾配电以及发电机等设备组成， 其间，UPS 的首要作用，是在市电电源中止、发电机发动之前，保证所带的负 载持续供电，因而，UPS 体系包含了储能设备，如蓄电池或飞轮；此外，传统

　　UPS 还具有阻隔市电侧浪涌、电压骤升骤降等作用。 UPS 体系是数据中心供电连续性的重要保障，UPS 体系的牢靠性直接影响

　　数据中心的牢靠性，一起，在绝大多数数据中心，UPS 体系的损耗可占 IT 设备 能耗的 10%以上。因而，进步 UPS 体系的牢靠性，一起下降其损耗，就成为数 据中心 UPS 体系架构演化的主旋律。 1. 传统 UPS 供电体系

　　现在，数据中心内使用最广的不连续电源仍是传统 UPS，它首要由整流 AC-DC、逆变 DC-AC 和静态旁路 3 部分电路组成，DC 母线上挂接蓄电池，输 入 AC 正常时，经整流和逆变两次转化后为负载供电，一起为蓄电池浮充，输入 AC 中止时，蓄电池由浮充转放电，经逆变器为负载供电，对负载来说，感触不 到输入端电源的中止。

　　从结构上看，UPS 设备能够分为后备式、在线互动式、双转化在线式、Delta 转化在线式等类型，其间前两种首要用于小容量负载（≤5kVA），Delta 转化在线 式技能受专利保护，因而，大型数据中心首要选用双转化在线式 UPS 设备。

　　传统的双转化在线式 UPS 设备选用可控硅整流，首要的问题是谐波电流畸 变率（THDi）高(10-30%)，转化功率低(85-92%)。

　　跟着电力电子器件的开展，出现出 IGBT 替代可控硅整流的趋势，IGBT 整 流的优势是撤销变压器，因而下降了本钱，一起有比较好的输入特性，在较宽的 负载规划内，能够将 THDi 操控在 5-10%之间，最大的长处是功率的进步，一般 在 87-95%之间。现在，IGBT 整流型 UPS 的牢靠性比可控硅整流型略低。

　　因为 UPS 设备结构杂乱，因而本身简单发生毛病，设备冗余能够进步可用 性，UPS 体系便有了 N、NX、2N、”市电U 电“等架构。

　　N 体系满意根本需求，没有冗余的 UPS 设备。它的长处是体系简略，硬件 装备本钱低价；因为 UPS 作业在规划满负荷条件下，因而功率较高。其缺陷是 可用性低，当 UPS 发生毛病，负载将转化到旁路供电，无保护电源；在 UPS、 电池等设备保护期间，负载处于无保护电源状况；存在多个单毛病点。

　　NX 并联冗余体系是指由 NX 台类型规范相同且具有并机功用的 UPS 设 备并联组成的体系，装备 N 台 UPS 设备，其总容量为体系的根本容量，再装备

　　X 台（X＝1～N）UPS 冗余设备，答应 X 台设备毛病退出检修。相关于“N”体系， “NX”体系在 UPS 装备上有了必定的冗余，体系牢靠性有所进步，一起带来了 体系装备本钱的添加、体系负荷率的下降以及功率下降。NX 体系在本钱添加 不多的前提下进步了可用性，因而，在数据中心得到了广泛的使用，可是该体系 在 UPS 输出端依然存在单毛病点，实践项目中由此形成的体系宕机层出不穷。

　　为了消除单点毛病，高等级数据中心一般选用 2N 冗余体系。该体系是指由 两套或多套 UPS 体系组成的冗余体系，每套 UPS 体系 N 台 UPS 设备的总容量 为体系的根本容量。该体系从沟通输入经 UPS 设备直到双电源输入负载，彻底 是互相阻隔的两条供电线路，也便是说，在供电的整个途径中的一切环节和设备 都是冗余装备的，正常运转时，每套 UPS 体系仅承当总负荷的一部分。这种多 电源体系冗余的供电方法，战胜单电源体系存在的单点毛病瓶颈，关于少量单电 源设备的状况，可经过装置小型 STS 设备，保证其供电牢靠性。选用 2N 冗余 体系可用性得到显着进步。2N 冗余体系的缺陷也十分显着，设备装备多、本钱 高，一般状况下功率比 NX 体系更低。

　　“市电U 电”供电架构由百度提出并在 2011 年其自建 M1 数据中心规划应 用，它在 N1 体系根底上做了改善，UPS 设备装备不变，将服务器等双电源设 备的其间 1 路改由市电直接供电，消除了单点毛病，牢靠性较 N1 体系大大提 高，一起，UPS 体系的损耗下降为原先的 50%。UPS 体系全体功率进步至 95% 以上。

　　图 1.2.1 N1 冗余体系和“市电U 电”体系 1.3 UPS ECO 形式 前文现已说到，双转化在线式 UPS 装备有静态旁路，当正常状况下负载由

　　旁路供电，沟通输入中止后再切换至逆变由电池供电的运转形式，被称为 ECO 形式，又称为经济运转形式，某些 UPS 厂家将此形式也称为 ESS（节能体系）、 SEM（超级节电形式）、VFD（依据电压和频率的形式），等等。

　　因为正常状况下电能不再经过整流和逆变两次转化，因而，整机功率有所提 升，不少厂家声称的 ECO 形式功率高达 99%，可是实测数据与此相差较大。图 1.3.1 是 5 种类型 UPS ECO 形式功率的实测数据。（注：图中“工频”表明可控硅 整流机型，“高频”表明 IGBT 整流机型）

　　图 1.3.1 UPS ECO 形式实测功率曲线 个类型 UPS 在逆变工况和 ECO 工况实测功率做均匀后的对比方 图 1.3.2。可见，不同产品 ECO-逆变功率进步差异较大，30%负载率下，某些 工频机功率仅进步 2.69%，某些高频机功率进步可达 5.89%，整机功率高达 98%。

　　图 1.3.2 UPS ECO 和逆变形式实测功率对比曲线 UPS ECO 形式带来了功率的进步，其价值是 IT 负载由市电供电，UPS 必

　　须不断监督市电状况，并在发现问题且当该问题没有影响负载时，敏捷切换到逆 变器供电。这个听起来简略，但实践操作起来十分杂乱并且需求承当许多危险以 及潜在的负面影响。

　　经过对干流的 3 种品牌 6 个类型 UPS 实测的 ECO 和逆变切换时刻，在大 约 100 次切换中，UPS 最大切换时刻为 6.6ms，满意 IEC 规范 62040-3，UPS 要求服务器等设备在瞬时断电 10ms 内时应能保持正常作业；以及 ITIC 规范， 服务器等设备在瞬时断电 20ms 内时能保持正常作业的要求。选用 UPS ECO 模 式不需求改动服务器电源，能够获得相似 Facebook DC 48V 离线. 直流（HVDC）不连续电源体系

　　尽管一切国家的市电都是沟通，可是 IT 设备内部都选用直流供电，这就为 直流供电供给了或许。事实上，通讯职业选用直流 48V 供电现已有几十年的历 史，电力职业也长期选用直流 220V 作为断路器等设备的操作和操控电源。

　　传统 UPS 设备存在功率低、牢靠性差、灵敏性和扩展性差、毛病后不易修 复等问题，所以业界一直在寻觅替换 UPS 的计划。

　　国外早在上世纪 90 年代就提出高电压直流供电的计划，如 1999 年日本代 表 INTELEC 上发布《290V 直流供电体系是电信和数据高效和牢靠的供电体系》。 真实有用的推进直流供电大规划使用，却发生在国内，2007 年，我国电信结合 DC48V 和 DC220V 体系，提出 DC240V 体系并使用在江苏省自用的数据机房。 随后，我国移动提出了 DC336V 的体系。

　　图 2 是现有干流的高压直流供电体系图，与通讯职业 48V 直流体系架构基 本共同。与传统双转化在线式 UPS 体系的首要差异，是撤销了逆变环节，蓄电 池挂接在直流母线，与整流器并联，一起为 IT 设备供电。因为直流电源拓扑简 单，因而毛病率较 UPS 有所下降，因选用模块化规划，可在线保护。

　　图 2 现有典型高压直流供电体系图 2.1 DC240V or DC336V，电压等级的挑选 选用高压直流供电架构遇到的榜首个问题便是电压等级的挑选。触及体系效 率、元器件耐压、配电设备耐压、配电线路的金属耗费、与蓄电池的匹配、对现 有 IT 设备电源的匹配等要素，最重要的要素是对 IT 设备的兼容。 DC336V 体系浮充电压为 380V，选用单体 2V 电池 168 只，适用于有 PFC 电路的 IT 设备或专为直流电源研发的 IT 设备，其长处是配电线路的金属耗费量 小，转化功率高。其首要缺陷是对现有 IT 设备的兼容性不如 240V 直流体系。 DC240V 体系浮充电压为 270V，选用单体 2V 电池 120 只，对现有 IT 设备 的兼容性最好，因为电压较低，因而对人身的安全性较好，其首要缺陷是配电线 路的金属耗费最大，与 DC336V 比较，电源转化功率较低。 DC240 体系在国内从提出到施行落地现已超越 7 年，保存估量，现在应有 数以十万计的 IT 设备运转在 DC240V 体系下，其可行性得到较好的实践查验。 其功率能够经过元件的挑选以及选用离线架构（后文胪陈）补偿，将电源与负荷 就近安置也能够抵消配电线路金属的耗费。归纳考虑，主张挑选 DC240V。 2.2 DC240V 体系的 IT 设备兼容性 IT 设备电源模块的前端一般是一个桥式整流电路，从原理上看，输入由 AC220V 替换为 DC240V 能够作业，别的，我国电信等公司也做过一些 IT 设备 DC240V 供电兼容性的测验，有些材料声称兼容性达 98%以上。 不管原理怎么，也不管其他公司兼容性测验数据有多高，当决议选用 DC240V 直流供电后，有必要进行体系的兼容性测验，主张的测验内容至少包含：

　　一项对 34 款服务器、17 款交换机所做的兼容性测验中，共有 8 款服务器电 源、1 款交换机电源不支持，服务器电源不兼容率高达 24%；5 款 IT 设备不支 持正负极反接，这个需求在确认接口极性时特别注意；还有 1 款服务器在长时刻 （不小于 3 个月）测验中出现功能不安稳，常常宕机状况。有些双电源服务器的 2 个电源模块分别由不同的厂家供给，会有 1 个兼容另 1 个不兼容的状况。不做 相关的测验，很难发现其间的问题，当大规划上线后再遇到问题，恐怕为时已晚。

　　2.3 从在线（Online）到离线（Offline），节能到极致 与双改换在线式 UPS 使用相似，高压直流现在也以在线使用为主。所谓在 线（Online），是指沟通电能一直经 HVDC 整流后为 IT 设备供电，一般有 6%以 上的损耗；所谓离线（Offline），是纠正常状况下市电直供 IT 设备，HVDC 仅为 蓄电池供给浮充，市电中止后，转由蓄电池供电，在这种架构下，正常状况为 IT 设备供电的电能不经过 HVDC 转化，此部分损耗简直能够疏忽。因而节能作用 显着。图 2.3.1 – 2.3.3 显现了传统 UPS、HVDC Online、HVDC Offline 在体系 功率上的差异。

　　HVDC Offline 架构最大的问题在于 IT 设备供电的兼容性。毫无疑问，这种 架构需求定制 IT 设备电源。

　　最简略的定制无需改动原有电源模块的硬件，只需修正操控软件，调整其间 1 个模块为热备状况，长处是完成简略，牢靠性较高，缺陷是热备模块的空载损 耗较高；假如做更深度的定制，将备用模块处于休眠状况，能够进一步节约备用 模块的空载损耗。

　　因为 IT 设备的峰值功耗和常载功耗有较大差异，别的 IT 设备的电源模块配 置容量一般偏大，所以选用主备供电时，主用模块的负荷率简单进入功率较高区 间，加上热备模块的空载损耗，IT 电源的全体损耗与双路均分负载方法根底细 当。

　　此计划还有一个潜在的收益，即 IT 设备主用模块负荷率进步后，输入端 THDi 显着下降，进一步下降谐波在线路及变压器上的传输损耗。 3. 散布式不连续电源体系

　　UPS 或 HVDC 一般选用会集式供电计划，会集式体系的长处是能够完成资 源同享，下降本钱，其缺陷是体系毛病规划大，影响面广。

　　UPS 也有小型机散布式供电计划，可是多套散布式小型机体系与 1 套会集 式大型 UPS 体系比较，小型机的数量多，毛病点多，本钱高，因而大中型数据 中心不会选用散布式 UPS 体系。

　　尽管有如上问题，可是关于散布式不连续电源体系的探究，从来没有中止过。 3.1 DC12V 散布式体系 谷歌是最早进行服务器自研定制的互联网公司，一起也最早抛弃了会集式 UPS 电源计划，转将蓄电池散布到每台服务器电源直流 12V 输出端。详见图 3.1。

　　市电正常时，进入服务器电源转化成 DC12V 为服务器主板供电，一起为蓄 电池供给浮充电源，市电停电后，由 DC12V 母线并联的蓄电池持续给主板供电， 直到柴油发电机发动后回复沟通供电。谷歌前期选用铅酸电池供电，因服务器内 部高温导致铅酸电池毛病率高，后改为锂电池计划。蓄电池的后备时刻为分钟级 （一般为 1-3 分钟）。

　　Facebook 为每 6 个 9kW 的机柜装备 1 个铅酸蓄电池柜，输出为 DC48V， 服务器电源选用 AC277V 和 DC48V 双输入，市电正常时作为主用，市电中止后 由蓄电池输出 DC48V 为服务器供电。蓄电池后备时刻为 45 秒。此计划的体系 功率与 240V HVDC Offline 计划及 DC12V 散布式体系适当。

　　3.3 DC240V 散布式体系 跟着业界对数据中心能耗重视日益增强，国内近几年出现了一种新式的散布 式 DC240V 电源设备，相同选用离线计划，市电正常时，直接输出市电电源， 市电停电后，由内部锂电池供给 DC240V 输出。 这种计划的优势是 IT 设备无需定制，只需兼容 DC240V 供电即可。其缺陷 是电源内部存在 AC220V 和 DC240V 的切换，体系牢靠性下降；锂电池串联数 量多，单只电池毛病会影响体系的牢靠性。 从实践使用作用看，某互联网公司租借的数据中心一年中发生十几起电源故 障，证明此架构还需完善。 4. 总结和展望 依据以上评论，能够看出数据中心不连续电源体系架构出现如下两种趋势： 榜首，从在线到离线。UPS ECO 形式、DC48V 电池备用、DC12V 电池备 用、DC240V 电池备用等本质上都是将电源离线，然后下降电源本钱和运转损耗。 第二，从会集到散布。跟着锂电池等新式储能设备的开展以及大数据年代服 务器快速安置、灵敏扩展的需求，不连续电源设备正在从会集到散布。 供电架构只要更好，没有最好，挑选与事务匹配的技能才是最佳挑选。关于 寻求安稳牢靠的银行客户，UPS 双总线架构或许是保险的挑选；关于寻求低成 本、快速开展的互联网企业，将更喜爱于散布式锂电池计划。

　　另一种格局的总结和展望： 曩昔，计算机作为一种十分娇贵的设备，双转化在线式 UPS 消除了市电电 能质量问题，但带来了 6-10%的电能丢失以及其本身牢靠性低的问题。 经过冗余能够进步体系牢靠性，UPS 开展出主备供电、N1 冗余并机、双 总线、散布冗余等计划，相应带来的是本钱和能耗的进一步添加。

　　为了防止 UPS 设备毛病率高的问题，国内提出并已规划安置了直流 240V 电源体系，大部分 IT 设备能够直接兼容直流供电。

　　UPS ECO 形式是一种离线供电计划，尽管功率较高，可是解决不了 UPS 设备毛病率高和不便于保护的问题。

　　Facebook 提出了 48V 直流电源设备离线运转的计划，下降了电源设备出资 和损耗。48V 体系的缺陷是电压低，电流大，配电设备容量大，配电间隔近，不 仅出资高，并且蓄电池需接近服务器机柜安置。

　　国内蓄电池的质量差，易发生漏液、着火等毛病，因而这种计划直接使用于 国内危险十分大。百度提出了 240V 高压直流离线使用的技能计划，蓄电池装置 在专门的电池室，有用操控了安全危险，一起电源设备本钱节约 70%，电源效 率进步到 99.5%。

　　DC12V 散布式锂电池计划能够简化前端供配电体系，加速安置速度，可是 国内动辄 15 分钟以上的后备时刻与谷歌分钟级（据估量 3 分钟左右）的后备时 间比较，锂电池的装备添加 3-5 倍，相应本钱和安全危险都成份额添加。

　　跟着国内数据中心前端配电体系及发电机自动操控体系的完善以及运营水 平的进步，蓄电池的后备时刻必定会缩短，散布式锂电池供电体系将在互联网等 职业数据中心迎来春天。