数据中心新动力——高压直流技术应用现状及前景分析

2013-01-30 |  作者:周源 |  来源:cnw.com.cn |  查看原文

摘要数据中心高压直流是一个由客户推动的市场变化,产业链的每个玩家都不得不遵从顺势而为这个亘古不变的道理,一轮新的势力格局正在各种明争暗斗中悄然滋生,这个领域未来会上演多少“新王立、旧王死”的故事?让我们拭...

【《网络世界》专稿】

近期,一则中国电信的集采公告让高压直流再次成为业界的焦点:根据中国电信2012年第二批统谈统签类电源空调产品集采公告,本次集采,中国电信拟采购158台高压直流产品、76台大容量不间断电源产品和4台大容量模块化不间断电源产品。

一边是高压直流产品采购量的大增,一边是传统UPS设备采购的锐减,这让不少业内人士更加地坚信,高压直流产品将逐步取代传统UPS成为应用主流。

星火燎原

在追溯数据中心高压直流的发展历史时,记者发现,这项技术在我国应用的年头并不算长,我国是从2007年才开始进行相关的研究工作。

“最早应该是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、山东等地电信公司。” 腾讯网络平台部数据中心规划组高级工程师李典林告诉记者。

腾讯网络平台部数据中心规划组高级工程师 李典林

作为国内在高压直流技术方面首位“吃螃蟹”的用户,中国电信在该技术上的应用步伐可谓迈得飞快。中国电信集团数据则显示,截止2012年6月底,中国电信全网用直流电源(240V)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。使用直流电源(240V)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。

阿里巴巴杭州东冠机房则是国内第一个较大规模采用高压直流(240V)及机架集中供电技术的互联网公司数据中心。中国工程建设标准化协会信息通信委员会数据中心工作组专家、腾讯IDC架构师朱华告诉记者,腾讯目前有超过万台服务器应用在高压直流供电环境,在设计和即将投产规模预计超过10万台。此外,华润集团、江苏广电等都已采用高压直流供电(240V)技术。

中国工程建设标准化协会信息通信委员会数据中心工作组专家、腾讯IDC架构师 朱华

而在记者采访中,那些还没有采用高压直流技术的企业用户,也普遍表现出对该技术的肯定和强烈的兴趣。例如,中国石油物探技术研究院地球物理信息中心高级工程师包红林表示:“我们在建设数据中心一期项目时,本来是计划采用高压直流的,但因为场地设计等原因最终没采用,二期建设中应该会采用。”263网络通信公司网管中心经理李旺也表示,如果以后进行大范围的机房改造,他们会考虑高压直流。

据相关部门不完全统计,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。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大规模IDC。

“目前,这个增长势头更为迅速。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,因此在2013年我们将会看到更多更大规模的应用。”李典林说。

行文至此,我们必须向读者回答,高压直流究竟是怎样一种技术,是什么优点使得它能够以星火燎原之势,迅速从实验室走向市场?

压倒性优势

在当前数据中心里,UPS电源是主要的供电设备。但UPS存在可靠性差、转换效率低、输入电流谐波大等一系列缺点,经常导致故障,其中,“UPS开关切换失灵”甚至被列入三大电源技术故障之一。

在此背景下,一个崭新的供电技术——高压直流供电进入人们的视野,用它来取代UPS电源的呼声也越来越高。

所谓高压直流供电,就是采用高压直流电源直接对采用220V交流输入电源的设备供电。

李典林表示,目前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,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,因此本文中的高压直流仅指的是240V直流系统。

需要说明的是,高压直流供电是针对直流48 V低压而言的,标称电压基本都在400 V以下。这点与电力行业的电压划分是不同的,根据国内电力行业的划分,1000 V以下的电压为低压,1000 V以上的称为高压。因此,数据中心领域的高压直流供电按照电力行业的划分仍属于低压应用,但在数据中心行业,仍沿用高压直流供电的说法。

就原理而言,UPS是将220Vac或者380Vac交流电预稳压到400VDC左右,再逆变回220Vac。而240V高压直流其实也是三级转换,只是从220Vac或380V ac预稳压到400Vdc再降压到240VDC输出,也就是交流转直流后不再逆变回交流。(参见直流供电与UPS供电原理图) 图1 UPS供电与240V高压直流供电原理

和传统的UPS技术相比起来,高压直流供电技术的优点很多,主要表现在下面几点:

1、与最新开关电源技术、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,减少机房运行初期低负载时的能耗;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,如市电加高压直流供电等技术,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,触电电压只有一百多伏(+微信网络世界),比交流220Vac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。10、高压直流和传统集中式供电的UPS相比更适合分布式供电,较小容量靠近末端IT负载,线缆传输损失小,且故障影响面较小,电源系统也可以分布投资,不用按终局提前采购。

如果简单地概括高压直流供电的主要优势,那就是更可靠、更安全、更低投入。

关于直流供电在可靠性方面的体验,李典林表示:“目前国内有近10万台交流设备都运行在高压直流环境下,很少听说因此带来了事故。”

节能则是吸引用户采纳直流供电的重要原因之一。表1清晰体现了高压直流在节能方面的显著优势。根据中国电信集团截止2012年6月底的数据,按照一个240V 1000A直流系统与“1+1”300KVA系统比较,中国电信因为实施高压直流已经累计节省建设投资5300万元。

此外,高压直流技术更利于用户采纳太阳能、风能等绿色新能源技术,李典林解释说:“因为高压直流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,利用两者直流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。所以,高压直流会让未来的数据中心和绿色能源会结合得更为紧密。”

表1:数据中心高压直流电源与传统UPS投资比较 

资料来源:中电达通

阻力点分析

虽然高压直流供电技术具有许多优点,但是它同样存在一些内在或外在的不足制约着它的发展。

首要的问题就是高压直流的国家级标准还暂未出台,国家级标准的缺失影响该技术在部分行业的推广使用。不过,朱华带来了好消息,他说:“目前国标已经在制定,预计2013年底能够发布。”

实际上国内相关机构一直在推动相关标准的发展: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年中国通信标准化协会行标《240V直流电源系统》(YD/T2378—2011)发布;中国电信集团在2012年底还发布了两项通信用240V直流供电系统企业标准。此外,工业和信息化部电信研究院泰尔实验室齐曙光在《通信用直流供电技术与标准国内外研究应用情况》一文中透露,工信部的工作人员也参与了国际ITU联盟的一些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。

其次, IT设备厂家普遍对高压直流处于观望态度,暂时不愿意承诺提供设备的维保等服务。这意味着一旦用户在高压直流环境下的IT设备发生故障,其售后服务以及损失赔偿上得不到保障,容易引起法律问题。

目前市场上唯一公开宣称支持高压直流的服务器设备厂商是中兴。该公司如此介绍其服务器新品CoCore E9000:“CoCore E9000在电源设计方面提供了独创的设计,首创支持高压直流,而且是同时支持交流的110伏、220伏和直流的240伏和336伏四种电源规格。”

不过,一木独秀不是春,戴尔(中国)公司服务器高级市场经理李毅表示:“高压直流主要是电信运营商在主导推动,但在IT数据机房里,设备复杂,包括UPS、精密空调、服务器、网络和存储等设备,多数服务器、存储厂家也还都没有直接宣称支持直流电,只有在网络设备上有48V直流支持,整个直流机房建立需要整个设备产业链的支持,而不仅仅是电信运营商推动。”

戴尔(中国)公司服务器高级市场经理 李毅

李毅亦坦承目前该公司的主要服务器也没有对240V高压直流进行正式认证过,但戴尔将“密切注视市场的需求并会做出相应的解决方案。”高压直流国标如果今年年底能出台,无疑会加速IT设备厂商对直流供电的支持。

此外,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。还有,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。

根据中国电信实际应用统计,可用240V直流电源的IT设备占IT总数量大于98%,不可用数量小于2%。这2%的概率虽小,还是需要用户在切换到高压直流系统之前做大量细致的设备适应性测试工作。

公云网彭勇在其博客《机房高压直流供电带来的问题》中分享了该公司实际使用高压直流的经验心得。他们发现,越高端、越新的设备容易有电源问题,因为越是高端设备或者新的设备,电压规范越是细致,电压保护也更加严格,而兼容机的电源一般都没有问题。因此,彭勇建议说:“对于核心交换机等重要设备,一定需要和厂商确认是否能够正常工作,当然厂商的普通技术支持可能都没有听说过高压直流,你要有耐心和他详细解释,并且保证对方已经清楚理解,不要理解成48V的低压直流。”

传统UPS厂商何去何从?

高压直流技术的兴起无疑对传统UPS设备厂商带来了巨大的冲击。李典林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。朱华则告诉记者:“因为高压直流的技术门槛低,已经初步形成生产链,目前高压直流的生产厂商很多,代表厂商有爱默生、中恒、动力源、奥特训、中达、英可耐、伊顿等等。”

一些传统UPS设备的主流厂商实际上也在积极应对这个趋势,施耐德数据中心解决方案部门产品经理刘海峰告诉记者,近一两年,他的主要工作之一,就是收集国内国外不同用户对高压直流的理解和态度,以及他们在采用高压直流时究竟怎么做的。而做市场调研的目的,则是为了进行产品规划和研究,“我们更多地从整体解决方案考虑,不同高压直流解决方案相互差异在哪里。为了满足用户的需要,施耐德也不排除考虑推出压直流产品。”刘海峰说。

施耐德数据中心解决方案部门产品经理 刘海峰

那么,高压直流会彻底取代传统UPS供电吗?

刘海峰和李典林均表示应该不会彻底取代。“从供电结构上来说,直流传输的损耗较大,因此传输范围有限,在远距离的供电环境,如园区环境,直流不可能取代交流。而且,UPS市场比较成熟,产品也比较完善。”刘海峰解释说。

对于现有UPS设备厂商如何应对高压直流供电趋势,李典林则给出了如下几点建议:

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去不断提升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,传统UPS设备厂商可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,例如太阳能、风能、电池等混合能源控制器等。

总体来说,这是一个由客户推动的市场变化,产业链的每个玩家都不得不遵从顺势而为这个亘古不变的道理,一轮新的势力格局正在各种明争暗斗中悄然滋生,这个领域未来会上演多少“新王立、旧王死”的故事?让我们拭目以待。

【链接】现有交流设备直接用240V高压直流供电的注意事项:

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,比如新增单个电源功率达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。

 

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