超前推进电源标准建设，助力超级数据中心发展

□ 文 余 斌 鞠昌斌 王超

0 引言

2020年在国内掀起“新基建”的热潮下，各云计算公司快速推进数据中心建设，配电容量高达100～200MW的超级数据中心开始出现。数据中心的大规模建设推动创新技术快速迭代和推广，以10kV交流输入的直流不间断电源、间接蒸发冷却空调为代表的一大批创新技术应用规模在迅速扩大，研发和推广应用周期不断缩短，技术迭代频率不断提高。

1 “新基建”形势下数据中心进入高速发展阶段

2020年3月4日，中共中央政治局会议提出“加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度”，数据中心建设骤然提速。2020年各互联网公司加大投入，用于云计算核心技术的研发和面向未来的数据中心建设。2020年主要互联网公司将建设多个百万级服务器规模的超大型数据中心，随之超级互联网数据中心开始出现。与传统数据中心相比，超级互联网数据中心具有鲜明的特点。

图1 某云计算公司数据中心俯瞰图

1.1 规模提升10倍以上

2016年开始，互联网云计算高速发展，互联网数据中心的规模也在快速增长，同时由于互联网数据中心对成本的要求极高，大型互联网数据中心开始选址在距离核心城市300～500km的远郊，在部分城市逐渐出现了具备极大规模、极低成本的超级互联网数据中心。常规数据机房或数据中心电力容量在1MW～10MW左右，云计算公司的超级互联网数据中心电力容量可达100～200MW，是传统数据中心规模的10倍以上。

以某云计算公司数据中心为例，该数据中心可容纳30万台服务器，设计电力容量160MW，是常规数据中心的16倍。目前各大云计算、互联网公司新建超级数据中心正在朝着百万服务器、200MW以上的规模发展。图1为某云计算公司数据中心俯瞰图。

图2 Google所有数据中心平均PUE

图3 不同SLA对数据中心服务中断时间的允许值

1.2 数据中心能耗下降20%以上

PUE（Power Usage Effec tiveness）是评价数据中心能源效率的重要指标之一，PUE=数据中心总能耗/IT设备能耗，其中数据中心总能耗包括IT设备能耗和制冷、配电等系统的能耗，PUE值大于1。PUE越接近1表明非IT设备耗能越少，即能效水平越好。目前新建数据中心的PUE一般为1.5（效率66.7%）左右，国内个别典型数据中心其年平均PUE最低可达1.1（效率90.9%），与国际先进数据中心相比接近Google数据中心PUE水平，数据中心的平均能耗下降26%。图2为Google所有数据中心平均PUE。

1.3 可靠性要求不断提高

当前，ToB（To Business）业务在各互联网公司业务中的占比不断上升，其对于业务的可用性、连续性要求远高于ToC（To Customer）业务。当前由单次故障引发的商业成本损失和品牌价值损失成为倒逼更高可用性要求的关键因素，“不接受任何一台机柜宕机”的要求成为业务对数据中心可用性的强需求。如何不断提高数据中心的可用性，满足业务极高需求，是当前数据中心设计、运维必须解决的关键问题。图3为数据中心常见服务级别协议（Service-Level Agreement，SLA）对服务中断时间的允许值。目前数据中心UPTIME Tier-IV级标准对可用性的要求达到99.995%，年允许中断时间不超过40分钟。

1.4 投资成本下降30%以上

根据市场调研，价格仍然是企业上云的第一考虑要素。各云计算公司云产品也经历了多次全行业的云产品降价。未来价格下降仍然是市场竞争的主要手段。云计算产品价格的不断下降给数据中心成本基线控制提出了更高的目标。

相比行业平均水平，大型云计算公司超级数据中心的机柜单千瓦建设成本已经下降30%以上，设施初投资已经达到一个较低的基线，传统技术方案下，设施投资短期难再有较大的降低。但行业竞争压力要求超级数据中心的机柜单千瓦建设成本基线必须继续下降。超级数据中心必须寻找成本更优的创新技术方案。

图4 四种不间断电源技术与IT设备颗粒度的对应关系

2 数据中心高速发展下，创新供、备电技术不断出现

数据中心行业的快速发展带动制冷、散热、电源、电池技术不断演进，不间断电源是技术发展的热点领域。不间断电源是保证数据中心IT负荷持续不间断运行的最后一道防线，是数据中心的咽喉部位。按照备电电池的分布位置及与IT设备对应关系分类，数据中心不间断供电技术有两种技术路线：集中式、分布式，其又分别有两种实现形式。集中式主要为交流不间断电源技术UPS（Uninterrupted Power Supply）和高压直流技术HVDC（High Voltage Direct Current），分布式主要为机柜级机架电源PowerShelf和服务器级不间断电源BBU。图4为四种不间断电源技术与IT设备颗粒度的对应关系。其中高压直流（HVDC）供电技术是目前互联网公司、电信运营商等广泛采用的主流供电方案。

高压直流技术起源于电信运营商48V通信电源技术和电力系统的110VDC、220VDC操作电源技术，核心思想是采用蓄电池直接为服务器供电，在提高服务器电源转换效率的同时，也提高了服务器供电的可靠性。其突出优点为易维护、成本低、高可用，满足了国内电信运营商和互联网企业的高可用的业务诉求。随着交流不间断电源技术的不断发展演进，也逐渐克服了难维护、成本高等缺点，互联网公司采用的HVDC技术与UPS技术差距缩小，HVDC技术亟需演进发展。

图5 IDC供配电链路简化和模块结构简化图

10kV交流输入的直流不间断电源技术在2018年首先由国内某互联网公司根据业务需求和数据中心特定场景研发成功并开始在内部试点，随后电信运营商、各互联网公司也开始试点应用。10kV交流输入的直流不间断电源技术是高压直流技术的演进，也是直流不间断电源技术的迭代与发展，主要从供配电链路和整流模块拓扑两个维度对原有系统进行优化设计。图5为IDC供配电链路简化和模块结构简化图。

供配电链路4合1：提升直流不间断电源的功率等级，将原有配电链路中的中压隔离柜、变压器柜、低压配电柜组、HVDC柜优化为一套10kV交流输入的直流不间断电源系统，从而将配电链路中的4个环节35面柜体整合为一套2N的10kV交流输入的直流不间断电源系统。从而简化了配电链路，提高了链路的供电效率，进而降低了成本。

整流模块拓扑5变2：传统的HVDC的模块拓扑具有5个环节，分别为三相功率因数校正（Vienna Topology）的整流、Boost和隔离LLC电路的逆变、隔离、整流环节。经过分析，优化为三相不控整流和Buck调压两个环节，大大减少了功率变换环节和器件，功率密度从1.8W/cm3提升到3.6W/cm3，提升一倍。从而实现了成本的降低和效率、可靠性的提升。

相比传统的供备电方式，采用10kV交流输入的直流不间断电源的数据中心具有明显的优势：更快的交付速度，数据中心的建设速度加快3个月以上。交付速度对互联网行业至关重要；更高的可靠性，服务器双侧直流供电，电源全部受到电池保护，抵抗外部电网电能质量变化；TCO更低，相比传统的供备电技术，单栋楼建设成本下降1000万元以上。全生命周期运行成本节省2000余万元，配电占地面积节省30%以上，实现更低建设成本。全楼多产出IT机柜50余面，带来更大的业务收益。

3 超前布局标准体系，为互联网创新技术快速推广提供标准支撑

随着互联网数据中心的创新技术迭代快、推广快，与之相比标准立项批复的节奏需要加快。中国通信标准化协会通信电源与局站工作环境技术委员会（CCSA TC4）跟踪新技术应用案例及实证数据，在总结试点经验和应用经验的基础上，在2019年12月在CCSA TC4提出《信息通信用10kV交流输入的直流不间断电源系统》通信行标立项。

此标准在产品技术、方案设计、工程验收、监控维保等多个方面进行规定，有针对性的解决前期试点中遇到的障碍。图6为10kV交流输入的直流不间断电源应用进展及标准进展。

图6 10kV交流输入的直流不间断电源应用进展及标准进展

10kV交流输入的直流不间断电源与传统的不间断电源不同，既包含常规低压备电部分，还集成了中压配电、变压器部分，横跨多个领域。

4 标准体系建设的意义

业务需求是牵引互联网基础设施技术进步的发动机，创新技术大规模应用才能为企业创造更大的价值。标准支撑是推动技术大规模推广应用的关键基础。

过去十年，是互联网电商、短视频等“ToC 业务”快速发展的十年，催生带动了数据中心领域朝着超大规模发展，催生的一大批创新技术保障了业务的快速发展。未来十年，更大规模的云计算等“ToB业务”必将以更快的速度发展，标准建设必将助力更多、更新的创新技术大规模推广，助力我国“新基建”的快速发展。