中国电源学会专家委员会主席、中国科学院计算技术研究所研究员张广明老师就UPS供电系统演变趋势为大家答疑解惑。以下是文字实录：

　　我今天讲的是供电系统，供电系统是数据中心的重要组成部分。我讲的东西又不是当前的产品、或者技术的应用，也是未来发展的趋势。具体来说，UPS供电系统是直流化的趋势。

　　那么我讲的内容可能是十年、二十年以后的状况，因为这个过程、涉及到技术的研究和试点的推广过程，涉及到用户、电源设备厂商、IT设备厂商。而不是一家想用就可以。涉及到多方面的。另外还涉及到规范的制定、标准的制定。再一个就是国际和国内的情况，现在不管是IT厂商还是设计厂商都是国际化的。所以我讲的可能是十年二十年以后的事了。

　　我讲的比较简单，有四个内容：计算机供电系统演变过程，第二对UPS发展的探讨，第三是系统设计，第四是方案。

　　中心的思想，作为一种应用型科学，它的发展是有其规律的，那么第一个讲的是计算机供电系统演变过程。这个图如果在二十世纪六七十年代的时候，搞计算机的人都很清楚，在座一些老同志都搞过，当时我们搞的是第一个图，肯定是交流供电，里面的电源因为当时耐压水平比较低，转换成低压的过程中前面一定要加变压器，作为交流降压的设备，后面有多种形式，镇流、低压开关。

　　到了七八十年代的时候，这个时候开始供电系统交流部分加UPS了，对UPS设备提出了要求，1976年尼克松访华的时候国外已经有很大的UPS带过来了。但是计算机的电源前面有个变压器，所以UPS必须交流来做，历史发展过程注定了UPS输出是要交流的。这是历史决定的。

　　到了七十年代、八十年代以后，这个时候，电源行业有一个二次革命，很多同志经历了这个过程，半导体器械水平的提高，去掉了输入变压器，现在开关电源都没有变压器，应该说为直流输入创造了条件，IT设备具备了直流输入的条件，但是交流系统、UPS仍然是交流输出的。因为本来就是交流输出的，这时候有一个习惯的思维、有一个大家的观点问题，还有一个标准问题，有各方面的问题，所以一直到四十多年，一直交流输出到今天，这是一个发展的过程。

　　第二，直流化变革的趋势，我着重讲一下这个问题。现代数据中心UPS供电系统不是整个交流供电系统，UPS供电系统就是用这个图表示，这是一个非常典型的图，这里的电压电流都表示了它的状况，我们用四句话说明这个系统的特点，第一UPS本身两次能源的变化，ACBC、ACAC，交流变直流直流再变交流。两个电流源，UPS本身又是一个电源。第三备用电源要经过最薄弱的环节对负载供电。负载供电的可靠性取决于谁呢？不管是备用能源供电都取决于设备，所以UPS设备的可靠性决定了当前数据中心供电的可靠性。

　　因为有很多问题，所以UPS技术在不断变化，这些技术的变化围绕着主要的两个方面进行：第一交流输入的治理，这是UPS体会最深，他们也是一代一代发展过来的，由6脉冲发展到12脉冲，然后又在研制单加一个机器，现在有所谓的超级机。

　　这个过程是二三十年的发展过程到了今天。

　　接下来就是可靠性，数据中心的可靠性取决于UPS的可靠性，它的技术发展和研究也就在这个时候花了很大的力量，做的事包括，一个是模块化，搞模块化UPS，还有系统冗余结构，提高可靠性，还有智能管理，再有一个是整个的集成化系统。所有的UPS供电厂家，大概都在这方面做文章。

　　系统发展的结果是什么呢？用几句话来衡量：基本状态是系统不断复杂化，设备堆积结构臃肿、成本不断盘升、效率难以有效提高，五花八门难以标准化。这就是当前系统的基本状况。

　　那么存在的问题是多方面的了：我们罗列起来可以分六类问题，第一是可靠性问题，第二是胁迫性干扰问题，第三是能耗问题，第四是标准化问题，第五是可扩展灵活性问题，第六是维护性难度问题。

　　把上面的情况讲了以后，就是六个值得思考的问题：第一可靠性是值得思考的问题，为什么是最主要的问题呢？因为UPS设备本身可靠性不高，如果从来不坏的话，好多事就没有了。第二胁迫治理问题，胁迫是供电系统和设备本身带来的。第三能源效率主要，所谓地下的是复杂性带来的，特别是设备容量利用低带来的，因为UPS设备的普遍的能源利用率只有20%到30%，所以效率不可能提高，建造成本、维护难度、适应性、标准化这些是不言而喻的，这种状况下肯定很难有所提高的。

　　那么结论是什么呢？可靠性提高越来越困难，最主要的是可靠性问题，但是可靠性的提高在传统的供电系统基础上越来越困难。其次需要的资金越来越庞大，冗余系统、2N系统、2N+1系统，越来越复杂。使用传统的设计不可能兼得高可用性、高效率。

　　这些问题难以解决，因为产生问题的原因始终得存在，这些问题是供电方案固有的问题。

　　第二我们探讨一下供电制式的变化。第一是备用能源方法的探讨。传统的备用能源电池要经过UPS的DCDC给负载空间，问题就在这里。所以我们认为是系统功能设计策略的误区。也是历史性的。现在反过来我们思考，认为是一个误区。

　　首先这样做电池的能量不能充分发挥，电池的可靠性也就很难发挥，电池搞得再好也没有用，电池供电的可靠性取决于它。这是一个系统功能设计策略的误区。这里有一些数据。降低了很多。

　　再有我们讲一些故障的特征，如果直流供电UPS对负载空间的可靠性，实际上等于备用电池的可靠性，电池可靠整个系统全部可靠。我不管是事件故障还是UPS系统故障都可以用电池把它隔离开，电池是唯一衡量可靠性的标准。

　　可是为什么用电池直流供电可靠性就会提高呢？因为大家知道电池并不是非常可靠的，为什么系统里用它供电可靠性可以提高呢？这里引用另外一个概念，就是可预见非突发性故障和非不预见故障的讨论。

　　什么叫可预见性非突发性故障呢？电池所有的故障包括电池漏液、电池容量不足、均匀性差等等，都是直观可见的，或者很容易被测量到的。要么就是很容易被测量到。

　　第二所有的故障有一个渐变的过程，发生的故障很长，故障不是突发性的，如果发现电池外壳变形，不要管，再有十天半个月没有事，可以安排计划停电维护它、更换它。所以电池具备这种特征。

另外一种叫不可预见突发性故障，像我们的主机APS、SPS等其他的，系统的管理只能衡量工作状态，比如电压多少、电流多少、外壳温度多少，只能是这样。至于电路板上哪一点有虚焊、哪一个组建失效是无法测量的，但是一旦出故障就会导致系统瘫痪，是突发性的。故障主要是具备这种特征的故障，是最让人担心的。

　　那么我们在研究电池可靠研究的时候，从来不把人为因素加入。但是对于电池具备可预见非突发性故障可以把人为因素加入。只有在事件停电的时候、电池供电的时候，这个短时间内是不可修复的。如此之外都可以在线修复。就人为的干预。所以我们在可靠性里就等于电池本身可靠性定上一个冗余的可靠性环节。这个冗余环节只有事件在的时候，只要事件有这个环节就在，通过人为的干预、人为的参与可以保证电池始终是新的、始终是好的。

　　比如我们原来48伏，为什么说可靠性高，并不是48伏的电池模块可靠性，因为48伏直接对负载空间，随时维护电源，所以可靠性非常高。

　　所以结论是什么呢？可靠性研究通常是忽略人为因素的。其次在直流UPS系统中对负载供电可靠性完全取决于备用电池。电池故障具备可预见非突发性故障，直流UPS对负载可见可用性是传统交流UPS输出不可能达到的。所以提高可用性是UPS直流输出变革的根本原因。

　　为什么强调这一点呢？因为有时候说用直流可以节能。节能是它的副产品，而且也是第二位的。提高可用性才是最根本的。

　　第三，关于如何选择直流电压，因为现在全世界都在研究这个，都在使用。如何选择直流电压？大家的答案五花八门。我这里提出的直流电压选择的原则，第一不要求IT输出开关做明显的变化，因为变革时间很长，十年二十年，肯定面临着IT设备同时适用两种，交流输入、直流输入。这种情况下最关键的是什么呢？直流输入电压必须等于交流输入以后的镇流电压。传统的IT设备是300伏，新的IT设备都是380伏，将来总趋势可能是380伏。

　　其次要简化设备，重复变化的事，如果不选这个电压，不选最老的设备，300伏或者最新的设备，交流输入仍然是两次变换，从交流UPS的ACDC改成ACBC、还是简化不了。

　　第三对IT设备的适应能力，包括几个方面，第一是传统的IT设备如果不变的话对交流输入电压不检测，IT设备开关电源工作范围要保证工作在最佳状态下必须选用老的设备300伏、新的设备380伏，如果低于300伏所有开关电源要半蹲着干活，这样肯定要疲劳的，所以寿命会降低，寿命降低不是一两年能够看出来的，但是隐患绝对存在。

　　还有电池也要得到充分的发挥，如果老的设备不变，现在勉强的给电压，如果工作的电压偏低的时候，那么电池正常的时候供电，一点停电电池马上下降就超过范围，所以电池利用率大大降低。这个大家可以看出来。还有节能和安全问题，电压越高安全性越好。这是选用的原则。

　　总的来说已经在做研究，提出意见或者提出要求的，或者工作研究的，就是380伏的有法国电信、华为技术、爱立信、还有因特尔、IBM、中国移动、微软。300伏韩国电信、320NEC。我们国家在某个大型数据中心，两兆瓦的数据中心，用直流的今年已经第四年了，非常可靠。78台UPS，用得非常好。

　　第四，关于供电方案的选择，供电方案的选择，因为有这么几个原则，第一把提高系统可靠性作为第一要求，关键是备用电池直接供电，尽可能减少转换级数。重视直流配电，最后从整个系统角度设计UPS。原来很多设计理念都是很成功的、很宝贵的，直流供电不等于研究直流电源就等于直流供电了。一定要从系统角度研究。

　　最后总结一下方案，这是传统的交流的、交流的电池在这儿，把里面也做出来了，IT设备一共是四次变换。特点是能源四次变换，第二两个胁迫源，第三电池不能直接保护，第四系统复杂、成本高效率低。传统系统交流系统都加入，典型的是75%，已经在运行的数据中心供电系统效率在75%左右，高的在80%，低的在70%以下。

　　作为直流方案，第一个方案这边改成一次变换，这边也改成一次变换，开关点也变成一次变换，UPS也改成一次变换。第二是电池直接保护负载。这个容量可以做得很大，系统很简单，成本低、效率非常高。但是缺点在哪呢？直流配电困难。有的厂家在直流供电的时候，就直接直流进去，这个不行的。IT设备里开关电源有三个，一个是开关一个基点保护一个保险，这三个必须换，不换的话早晚出事。

　　现在提出来第二个方案，就是把前面第一张图发展过程列在这儿。第一张图一开始有输入变压器，后面输出低压，第二张加了UPS，UPS必须是交流；第三开关点里去掉UPS，保留了交流输出。现在就要到直流输出的时候了，第二种方案就是要去掉它的时候，把开关电源做成UPS，这个原来的系统就是0了。

　　这样做的结果是什么呢，第一就是供电质量由开关电源来做，这个大家没有什么可怀疑的，现在所有的IT设备开关电源都非常成熟、质量非常好。我们的笔记本到处插，只要有电就行。开关电源在工业指标上是没有问题的，抗干扰能力很强，效率也是可以的。第二开关电源的成本体积、重量都会低于，因为在一个计价里都会低于IT设备每个里面都有一个小的开关电源，把它集中到基架的开关电源，成本、体积、重量都要降低。

　　这样还有一个好处IT设备肯定是受欢迎的，IT设备里器件都拿出来了，所以设备里不再有这样的高压器件。肯定欢迎这样做。

　　由一个基架里开关电源的12伏加一个电池。现在的开关电源一般直接给12伏，至于3伏、5伏是IT设备电路里自己做的。不是形成一组电压，就是12伏。

　　第二个方案仔细设计一下，当前供电系统有一个特点，不能靠电池维持系统运行，智能系统如果没有电，整个系统也要瘫痪，电池的可用时间在两三分钟，两三分钟制冷要瘫痪，这样电池可以做两分钟、四分钟，12伏4分钟，如果一个基架以这个单元3千瓦一个，这样体积也不大。

　　特点：第一能源也是两次变化，包括IT设备里；第二电池之间的负载空间，符合高可用性的要求；第三是容量可以做到五到二十千瓦，模块化的结构。优点是什么呢？没有直流配电的问题，直流化过程中最大的难点是直流配电问题。其次PUE定义的效率，是交流空间的效率，由PUE效率99%，因为这时候供电系统有两个开关、一个总开关。再加上线缆，由PUE定义的，现在可以到99%