編者按：隨著IT技術的發展，當代數據中心對機房基礎設施的可用性、適應性和總擁有成本提出了更高的要求，作為數據中心基礎物理設施的UPS供電系統，其設計理念和配置方法也在發生著明顯的變化。日前，《電源世界》采訪了中國電源學會專家委員會主席張廣明先生，就新形勢下如何科學地規劃設計數據中心供電系統等問題做了深入交流和探討。同時，張主席與陳冀生先生共同撰寫的“現代數據中心供電系統規劃設計”一文將分為10期，連續刊載于本刊，相信文中敘及的新穎論點和理念能帶給讀者和相關從業者不少啟發借鑒作用。

    《電源世界》：最近，您和陳冀生先生共同撰寫了“現代數據中心供電系統規劃設計”一篇文章，內容很豐富，共分10個專題，請談談您寫這篇文章的初衷，主要研究和解決什么問題？

    張主席：不停電供電概念的出現和UPS設備的產生，至今已經歷了五十多年的歷程，在這個漫長的過程中，隨著IT技術的發展，特別是當代數據中心對機房基礎設施的可用性、適應性和總擁有成本提出了更高的要求，作為數據中心基礎物理設施的UPS供電系統，其設計理念和配置方法也在發生著明顯的變化。供電系統設計理念的變化概括起來有“研究工作從單臺設備向整個供電系統變化”、“對系統可靠性的研究向可用性研究變化”、“提高供電系統的適應性”、“集成一體化設計理念”、“系統模塊化設計成為供電系統設計的基本原則”等五個方面，這些變化反映了數據中心供電系統技術進步的進程，并全面地指導著供電系統的規劃、方案設計、產品開發、設備選型、安裝與維護管理的全過程。供電系統所有的這些變化都是緊緊圍繞著IT技術的進步和當前存在的問題進行的，變化過程的一個突出特點是其漸進性，新技術新產品的產生到被廣大用戶認可并接受通常是一個漫長的過程，這個過程有時需要產品的一個或兩個生命周期才見分曉。

    這個過程之所以如此漫長，除了產品技術本身需要一個成熟過程外，還有用戶對新技術、新理念、新設計方法的實踐認知過程。在這個過程中，傳統的設計觀念、對新技術新產品的誤解和誤導、相關過時的標準條款等，都會成為新技術新產品新理念推廣應用的束縛因素。所以，加強新技術新產品新理念的宣傳、討論和技術交流是非常必要的。

    為此，我和陳冀生先生聯合撰寫了“當代數據中心供電系統規劃設計”這篇文章（共10個專題），旨在全面介紹現代數據中心對供電系統要求、存在的問題、新的設計理念和規劃設計方法，并對高頻機、模塊化UPS、直流UPS、數據中心節能等業內的熱點議題作了專題分析介紹。陳冀生先生長期從事數據中心供電系統規劃設計研究和UPS設備的開發工作，對系統模塊化設計理念和供電方案有很深的造詣。由他和他帶領的團隊開發的系列模塊化UPS，在功率等級、技術性能方面都處于領先水平，并在數據中心領域得到了越來越多的認可和應用。

    《電源世界》：您在文章的前兩篇講的主要是當代數據中心供電系統存在的問題和規劃設計方法，您能扼要地講講在當代數據中心供電系統規劃設計方面存在著什么問題嗎？

    張主席：在現代數據中心建設的整個過程中，規劃設計是最重要的一個環節，規劃設計階段要考慮并確定的因素包括：數據中心業務定位、建設規模、選址、可持續發展能力、可用性級別、經濟性和總擁有成本、可服務性等。應該說，規劃設計指導和規定了數據中心建設的整個過程，實際上對設備選型、施工安裝和運行維護等都做了嚴格明確的規定；數據中心的絕大多數問題都起源于規劃設計。當前不科學的非規范化的規劃設計主要表現在兩個方面：一是，憑主觀臆斷確定數據中心規模、預算、建造進度、能耗預期指標PUE；二是，在功能和技術可行性不明確的情況下，首先從工程細節和設備采購入手。要知道過早強調硬件設備會使項目陷入冗長的技術討論中，而通常這種按照老方法建造的數據中心只能支持老技術，并得出老的結果。錯誤的開始給許多數據中心設計和建設項目帶來巨大麻煩，如何避免高昂的代價，如何避免這些問題，關鍵是要有并嚴格遵守的正確的規劃設計程序。

    數據中心規劃設計流程包括五個階段：確定商業需求目標功率容量（預算范圍、擴展計劃、關鍵功能、總體效率、IT需要）；基礎物理設施規劃（選址、機房布局、供電方案、制冷方案、其它）；確定用戶要求（選擇性傾向、約束條件、預算、升級策略、可用性級別、效率和能源利用要求）；制定項目計劃書；制定工程設計計劃。在這個過程中，要特別注意選擇性傾向與約束條件的區別，約束條件例如自然環境、資源條件、配套環境、安全狀況、建設成本等是不可逾越不可改變的物理條件，而用戶的選擇性傾向則可能包含了許多傳統觀念、片面的經驗、錯誤的誤導和誤解，過分地強調和照顧選擇性傾向可能會給數據中心設計和建設帶來巨大麻煩，付出高昂的代價，最終建成一個性能低下的不符合用戶最初確定的目標的數據中心。

    《電源世界》：據我們了解，在業內對高頻機UPS和工頻機UPS的優劣和應用前景存在著激烈的爭論，請您談談自己的看法。

    張主席：最初的UPS輸出逆變器都是帶有變壓器的。應該說，采用輸出變壓器是UPS逆變器輸出電路形式所決定的，而變壓器的存在卻是弊大于利。UPS電路技術演變過程的突出問題是：是否必須用變壓器以及如何配置變壓器。UPS電路技術的進步直接取決于功率半導體器件的進步，50年前UPS問世時，使用的是可控硅（晶閘管），UPS輸出帶4個不同接線形式的變壓器，到雙極型功率晶體管以及電子控制級的IGBT等功率半導體器件的出現，UPS經歷了輸出4個變壓器到1個變壓器的演變過程。應該說，輸出變壓器是工頻機UPS不可分離的構成部分，而且它的作用也很簡單：系統升壓和在輸出端產生三相四線輸出的零線。也就是說，沒有輸出工頻變壓器，工頻機UPS就無法正常運行，也不能對單相負載供電。在UPS供電系統中，UPS設備的一個至關重要的功能是當輸出過載或者UPS逆變器故障時，要自動轉靜態旁路供電，另外，在系統中還設置了維護旁路，當UPS需要維護時可手動轉維護旁路向負載供電。執行這兩個操作時，都是由旁路輸入三相四線電壓直接向負載供電，所以，系統的零線與負載端的零線必須短接在一起。這就決定了帶輸出變壓器的UPS根本不具備系統隔離功能。

    隨著半導體器件水平的提高和UPS電路技術的進步，就出現了高頻機電路結構的UPS，這種電路結構之所以不再需要輸出變壓器，一是在輸入端采用高頻IGBT整流技術，不僅完成了系統升壓功能，還極大地改善了輸入特性，輸入功率因數可提高到0.99；二是在輸出端采用了半橋逆變電路形式，電路本身提供了單相負載需要的輸出零線。當新的電路結構本身具備升壓和產生輸出零線這兩個功能時，輸出變壓器自然也就沒有存在的必要了。高頻機（無輸出變壓器）UPS的性能優勢是針對工頻機（帶輸出變壓器）UPS由于自身的電路結構而不可能達到的固有缺點而言的，包括成本、效率、重量和體積等，當然還包括在設備電氣性能方面的改進和提高。這些與當前社會提倡的降低能源損耗、節省資源（銅和鐵）消耗、提倡綠色產品的趨勢是一致的。

    值得注意的是，業內對這兩種電路結構UPS爭論的焦點是可靠性問題，就當前情況來看，工頻機和高頻機的可靠性都達到了較高的水平，我認為關鍵是使用者對產品可靠性要求的期望值是多大。下面的例子或許可以說明這一問題：馬車與飛機相比，誰都知道馬車的安全性永遠比飛機高。但是，當今的社會人們還是選擇了飛機，難道是人們為了舒適和效率而不顧生命安全嗎？不是的，人們所以選擇飛機是飛機的安全系數已經超過了人們對安全要求的期望值。當前的器件和電路技術決定了帶輸出變壓器UPS和不帶輸出變壓器UPS的可靠性都達到了很高的水平，都超過了人們的期望值，盡管我們不能說不帶輸出變壓器UPS的可靠性比帶輸出變壓器UPS的可靠性還高，但我們有充分的根據說，不帶輸出變壓器UPS的可靠性已經不是問題。

    《電源世界》：很多UPS廠商都在開發模塊化UPS，但在推廣應用中卻存在不同看法，用戶選用時也就顧慮重重，請您談談您的觀點，用用前景如何？

    張主席：這要從應用的需要談起，現代信息系統對基礎設施可用性的基本要求可用三句話表達：一是，該系統必須能連續工作；二是，一個能連續工作的系統必然是一個能夠修復和可快速修復的系統；三是，一個能修復和可快速修復的系統要求組成該系統的所有子系統都必須有模塊化功能。

    模塊的基本特征是：系統中一個功能定義明確的可獨立運行的單元；結構上可整體安裝、拆卸、更換、移動；相同單元可冗余并機運行。一個螺帽，一條電纜，它們都有獨立功能，但系統運行后，由于工具和物理空間原因，無法再對其拆卸，則該螺帽或電纜就不再具備模塊化功能，也就是說它是不可修復的。一臺復雜的UPS設備，它有冗余并機功能，可在線維護、拆卸、擴容、移動、運進運出更換，則這臺UPS就具備模塊化功能；一個集裝箱數據中心是一個最復雜且集成度最高的模塊，它也具備模塊化的一切特征。

    以上講的是廣義的模塊化定義，系統模塊化設計是數據中心機房基礎設施設計的重要理念和基本策略，數據中心機房設計建造中的很多問題都與系統模塊化程度有關。供電系統和設備的設計者首先把模塊化設計概念應用到可靠性最低的UPS設備中，這就是模塊化UPS。由于模塊化UPS同時具備冗余容錯和可拔插快速修復功能，所以，我們把模塊化UPS歸結為可用性級別最高的模塊化系統。

    用戶的疑慮在于他們發現模塊化UPS比單機1+1冗余并機的UPS系統的設備故障率高，因此得出模塊化UPS可靠性差的概念。其實這是個認識問題，是看問題的方法和觀念存在偏差。我們可以從兩個方面作出解釋和分析：

    第一，要全面地看模塊化UPS的性能優勢。為此，我們首先看一下模塊化UPS的體系結構。應該說模塊化UPS就是從單機N+1冗余并機發展來的，但它是集成化的N+1冗余并機系統，同時具備可拔插快速修復功能。它把單機N+1冗余并機的輸入輸出配電、維護旁路、集中靜態旁路、并機系統管理等集成在一起，因而帶來諸多優勢：一是，集成化的優勢，省去了現場安裝、調試等工作，減少人為錯誤，可明顯地提高系統調試質量，無需再單獨購置和安裝并機需要的設備，提高部署速度，可縮短建設周期、縮短故障修復時間（發生故障后不再有設備供應上的推諉問題），可優化系統配置，節省機房設備安裝的物理空間，并提高管理維護水平、降低運營費用；二是，可熱插拔快速修復的優勢，故障修復時間是單機冗余系統的1/8～1/10，可明顯地提高系統可用性，又因為故障模塊是整體更換和回廠修復，可大幅度降低在故障率；三是，提高系統擴展能力，可按需要擴展系統容量，降低設備和備件成本，明顯地提高設備工作效率，簡化規劃、設計、安裝流程，降低非設備資本成本。

    第二，要明確數據中心供電系統可靠性的定義。數據中心的主體是IT設備，衡量供電系統是否可靠的判定標準應該是是否因供電系統和設備的故障而使IT設備運行受到影響。模塊化UPS并聯運行的模塊數量多，相對于UPS單機而言，其模塊故障率自然高，這與UPS單機1+1冗余并機的設備故障率比UPS單機高出一倍是同一個道理，為了提高系統的可靠性，人們寧可采用設備故障率高的1+1冗余并機（N+1系統或2N系統）而不采用單機（N系統）。因此，我們必須清楚這樣一個道理：在冗余容錯系統中，設備故障不等于系統故障，設備故障率也不再等于系統可靠性。

    《電源世界》：當前電信系統在大力推廣直流UPS供電系統，這是一種全新的技術，請您談談其應用前景如何？

    張主席：自從上世紀90年代末計算機及內置電源普遍采用無輸入工頻變壓器的高頻開關電源后，業內就開始討論UPS直流輸出給IT設備供電問題，并作了大量設備和系統的研究，也有多篇論文和發明專利發表。應該說，UPS輸出直流化是一種必然趨勢，優點很多，而真正能促使這一變革付諸實現的原因是直流UPS供電可大幅度提高系統的可靠性。在傳統的交流UPS供電系統中，備用電池是通過UPS可靠性的薄弱環節（輸出逆變器）向負載供電的，備用電池是UPS設備的一個重要組成部分，如果UPS供電系統故障，則市電輸入和備用電池這兩路能源都失去作用，所以，UPS供電系統的可靠性就等于整個供電系統的可靠性。而UPS直流輸出系統則不然，此時備用電池可直接向IT負載供電，整個供電系統的可靠性相當于“市電+UPS系統與備用電池”的冗余并聯，其結果必然能大幅度提高整個供電系統的可靠性。

    對直流UPS的研究開發，最關鍵的是正確的選擇直流輸出電壓值，應該說，直流UPS的輸出電壓值不是由供電系統規劃設計者或UPS廠商決定的，而是IT設備決定的。IT設備的機內開關電源的直流母線電壓有兩種，其中一種是由簡單全波整流做AC/DC變換的是300V，目前這種設備已經被高輸入功率因數的PFC電路替代，其直流母線電壓是380V。直流電壓選擇不當會帶來一系列不利因素，包括影響IT設備壽命（脫離最佳工作狀態）、系統復雜性和成本（能否減少UPS和開關電源的轉換次數）、備用電池的利用率、節能效果等。根據當前研究機構、行業和著名IT廠商的研究報告和發布的信息來看，選擇380V的有臺達電子、法國電信、華為技術、艾默生、愛立信、NTT數據、環境研究所、英特爾、IBM、戴爾、微軟、伊頓等，選擇300V的是韓國電信，選擇320V的有富士通、NEC、日立。

    談到直流UPS的研究和應用前景，我的看法簡單歸結于以下幾點：1、UPS輸出直流化改革的難度并不在于直流UPS設備本身；2、這種變革要由供電設備廠商和IT設備廠商共同參于；3、對IT設備的開關電源做相應的變更工作，包括開關電源的輸入開關、保險絲、繼電保護等要改為直流器件，初期可能要求IT設備同時適應交流220V和直流380V輸入，最終是重新定型開關電源，去掉AC/DC變換，只保留DC/DC變換；4、研究和試用是個漫長的過程，通過設備研發、技術改進和試運行，來論證這種變革的技術可行性，通過較長時間的運行實踐，考察系統（包括IT設備）的適應性、可靠性、降低成本和節能效果等，有些問題（IT設備的可靠性和壽命）要通過設備運行的一個生命周期才能看出，有些問題要通過一定設備量經過一定時間運行的統計數字才能得出結論，標準更要在以上問題得出結論并在業內得到普遍認可的情況下才能制定。總之，UPS輸出直流化是數據中心供電系統的一次重大變革，目前已進入改變觀念、技術研發、方案論證和系統試運行階段，這是一個可喜的開端。<