從一百多年前第一個電報發出開始,現代通信技術開始起步,相應地用于通信技術(CT)的電源同步發展,并隨著通信技術的發展逐步成熟完善。
　　
　　同樣的20世紀四十年代以來,隨著第一臺計算機的誕生,針對計算機和計算機集群的信息技術(IT)供電方案也開始發展,并與數據中心一起走過大半個世紀。當前CT和IT技術的發展到現在已經融合成為ICT技術,無法分開。
　　
　　在通信技術和信息技術發展中,除了技術本身遇到了無數的挑戰外,為其提供動力的電源也是經歷了無數風雨,不斷向前發展。本文目的在于希望通過簡要分析ICT電源和信息技術的發展過程,通過歷史的脈搏,梳理出電源發展的特點,并期望從中找到電源將來發展趨勢。
　　
　　一、直流通信電源的發展
　　
　　電話和電報剛開始實際使用時,基本處于點對點通信,每個終端自帶電源,如手搖發電機,干電池等。但是隨著通信量的增加,大面積敷設電話線變得不太現實,交換中心產生了。交換中心也從人工慢慢向自動交換機、程控交換機發展。當交換機出現的時候,通信的局站就有了雛形。交換機讓通信組網有了現實的基礎。
　　
　　隨著通信局站對電話機采用“共電”方式供電以后,通信局站的用電負荷除了需要給交換機供電外還需要給所有電話機供電,可以認為服務于通信設備的通信電源誕生了,從一開始誕生就對可靠性提出了極高的要求。通信局站作為電話通信的關鍵節點甚至是唯一節點,通信中斷就會帶來很大的負面影響。時至今日,通信局站的可靠性依然是及其重要的一個考核指標,無論是運營商,還是供應商為之付出了不懈的努力,也取得了豐碩的碩果,形成了穩定的高可靠性架構。
　　
　　1.1通信電源的初生
　　
　　由于電報和電話屬于手持設備,信號對于用戶而言都是易于直接接觸的,為了人身安全,采用了安全電壓直流48V(最高電壓不超過60V)?？紤]到減少對建筑鋼筋的電化學腐蝕,采用了正極接地-48V的電源系統對通信設備進行供電。
　　
　　通信電源發展初期,采用工頻變壓器的線性穩壓電源作為通信電源。線性穩壓電壓的輸出電壓穩定性非常好,能夠很好的滿足通信負載的使用要求。作為與市電連接的唯一通道,線性電源存在單點故障風險,電源故障直接導致負載斷電;當時市電不僅質量不高,而且并不能保證持續提供電源。因此如何保證市電異?；蛘?8V電源異常情況下的供電成為一種剛性需求。
　　
　　直流電有著天然的優勢,可以非常容易的在輸出端增加鉛酸電池這類二次電池,作為備電的一種解決方案。在市電異?；螂娫串惓r,通過鉛酸電池儲存電量對設備供電,盡量保證通信的連續性。
　　
　　通信電源初期使用的鉛酸電池多為富液電池,對環境溫度要求高,循環壽命低,需要經常補液,檢查電池狀態,維護工作量非常大。
　　
　　進入新世紀,智能手機為起點的終端產品大量出現,需求的不僅僅是通信局站的功率增加,還需要建設大量無線基站,以滿足千千萬萬無線終端產品的使用。
　　
　　線性穩壓電源及配套鉛酸電池因其重量大,發熱嚴重,故障率高等缺點已經無法滿足通信需要了。幾乎不具備擴展性嚴重限制了通信局站機房的建設。
　　
　　無線通信所需的基站尋址和建設也是個極大的問題,基站一般選在居民集中地區,一地難求;或者為了實現覆蓋建設在邊緣山區,建筑材料極難取得,大設備運輸極為困難。線性穩壓電源已經無法滿足通信技術的發展了。
　　
　　電源小型化輕量化和鉛酸電池的維護工作量成了迫在眉睫要解決的事情,否則將嚴重制約通信技術的發展。
　　
　　1.2模塊化開關電源的誕生
　　
　　隨著半導體技術的發展,快速開關器件的誕生與成熟,使得通信電源開始向高頻化發展。高頻化發展的電源就是開關電源,采用高頻開關技術輕松的將工頻變壓器去掉,采用高頻變壓器實現了電源體積的小型化和輕量化。高頻化以后實現了通信電源的小型化和輕量化,電源轉換效率也得到了了大幅度提高,大大減輕了機房制冷的壓力。
　　
　　但是小型化的開關電源依然存在單點故障,可靠性依然不夠高,電源故障時的維護反而比線性穩壓電源要求更高的專業性,MTTR更大,導致電源的可用性不高。
　　
　　工程師和科學家們花了大量的精力,重構了電源系統架構(N+X冗余)。將電源本身構造成為模塊化結構,把最易出問題的電源變換環節做成可插拔的電源模塊,電源模塊支持自由并機輸出。同時將電源模塊協同工作,電源系統管理和電池管理功能一起集中于集中監控單元進行管理。集中監控單元也做成監控模塊,可以進行熱插拔維護和升級。
　　
　　模塊化重構通信電源系統以后,當某電源模塊故障時,僅需要將故障模塊拔出并更換一個同類型模塊進去,即可完成維修工作。MTTR從之前的數小時變成數分鐘,產品可用性大幅度提高。冗余的結構又大幅度提高系統的可靠性,使得模塊化的通信電源系統可靠性遠高于線性穩壓電源。
　　
　　1.3模塊化開關電源的新挑戰
　　
　　從線性穩壓電源到模塊化開關電源,系統效率雖然獲得了大幅度提高,但是在大量商用情況下,能耗都屬于運營成本?？茖W家們從軟開關技術,拓撲優化技術,PFC功率因數矯正技術等方面提高轉換效率,減少對電網的影響,降低運營成本。圖1示出了通信電源的演變過程。
　　
　　科學家們不斷在尋找和發明開關速度更快損耗更小的開關半導體器件,以期實現更高的模塊功率轉換效率。當前功率轉換模塊的效率已經可以達到98%的水平了,但從電源轉換模塊本身節能已經似乎走到盡頭了。
　　
　　同時積極探索新能源的使用,開始考慮并部分商用了光伏、風電等綠色能源,結合儲能技術,降低運營成本。在新能源的使用中,還可以考慮與電網聯動,一方面削峰填谷降低購電成本,另一方面開發雙向變換技術與電網互動,向電網售電獲取收益。多能化綠電技術慢慢已經開始走向前臺,將成為電網不可或缺的組成部分。
　　
　　1.4電池
　　
　　近百年成熟應用鉛酸電池的經驗,在行業奠定了非常成熟的生產、管理、維護的基礎,成為至今為止最大規模、最為成熟的儲能方案。隨著儲能和供電技術的發展,業界對于鉛酸電池是不是必然選項已經提出了不少質疑。主要是鉛酸電池自重大,占地面積大,而且對環境溫度非常敏感?？紤]到鉛酸本身的循環壽命也比較短,并不利于儲能應用?？紤]到現在電網的供電連續性大幅度改善很多情況下并不需要長達8小時的備電,反而希望1-2小時備電,此時滿足大倍率放電的電池就可以節省電池配置容量,減少設備占地,降低基建投資。
　　
　　在化石能源緊張且價格高昂情況下,尤其是在光伏和風能接入情況下,希望盡可能多的將綠電能量高倍率充電,快速消納綠電;備電時間減少,有需要電池以較大倍率放出存儲電量。這樣電池相當于每日均需要進行一個充放電循環來滿足充分利用綠電并削峰填谷的要求,對電池循環壽命提出了新的挑戰。
　　
　　而鋰電池恰恰具備這些特性,耐溫范圍寬,可以高倍率充放電,循環壽命遠高于鉛酸電池。對于鋰電池的活性大于鉛酸電池,很多人質疑鋰電池安全性的問題,也可以在電芯生產過程加強控制,BMS加強AI預防與監測情況下,輔以適當的消防措施后,完全可以滿足基站、通信機房的使用標準要求。但是在基站的應用中,由于基站的環境決定很多時候基站供電條件并不是很好,多數情況下基站的備電時間要求依然很長,此時鋰電池的大倍率放電優勢無法得到體現,雖然可以實現輕量化,但是成本依然很美麗,成為基站使用的巨大障礙。如果在數據中心使用,由于數據中心最多30分鐘備電的要求,鋰電池的優勢可以發揮得淋漓盡致。
　　
　　考慮到鉛酸電池的生產和壽命終止期,都存在高污染環節,所以將來的鉛酸電池終將退出歷史舞臺,鋰離子電池等新型電池將會成為主流應用。
　　
　　二、交流不間斷電源的發展
　　
　　數據中心的發展從第一臺電子計算機說起,第一臺電子計算機在上世紀中葉誕生,體積巨大,能耗也比較驚人。由于電子計算機的計算速度遠快于人工計算,當時的科學界希望電子計算機可以不休不止的做出貢獻。但是由于電子計算機能耗和發熱驚人，當時的電網供電條件并不理想，如供電電壓不穩定，經常停電，外界干擾等，所以不間斷電源(UPS)和專門為電子計算機制冷的空調開始了發展。
　　
　　剛建立的UPS采用的是飛輪儲能方式,僅能維持幾秒鐘的持續供電。在鉛酸電池誕生以后,使用鉛酸電池備電才實現了長時間的備電。由于電子計算機的工作特性,一般電子計算機供電的都是在線式UPS。
　　
　　UPS最初只是采用電池在整流器后面,如圖2所示。目的在于在市電停電時通過逆變對負載實現不間斷供電。最初的UPS為工頻機,需要在輸出端配置工頻變壓器,因此相對而言比較笨重。由于UPS本身技術比較復雜,整流器和逆變器以及電池每一個節點都存在單點故障的風險。單點故障發生時極易引起供電中斷,因此發展出自動旁路靜態開關方式,保證UPS在發生故障后幾乎無延時的切換到自動旁路狀態。UPS需要經常檢修,自動旁路也無法保證一定可靠,為了保證檢修時的負載供電,于是又在UPS之外加了手動旁路,如圖3所示。
　　

　　隨著負載功率的提高,和半導體技術的發展,和通信線性穩壓電源面臨的挑戰一樣,為了應對不斷增加的UPS功率,UPS小型化需求不可避免。開關電源的高頻技術應用到了UPS中。隨之而來的是開關電源的成熟方案均在UPS中獲得了應用,比如PFC功率因數矯正技術,ZCS/ZVS軟開關技術,等等。UPS擺脫了工頻變壓器,用上了高頻變壓器,高頻UPS開始逐漸在市場占據主流,如圖4所示。
　　
　　為了滿足數據中心越來越高的可靠性要求,UPS的方案也在不斷完善,基于可靠性理論采用了N+N冗余,2(N+1)冗余等各種冗余架構,結合STS的快速切換誕生了雙母線結構,雙母線母聯結構等等,各種復雜的組合。在這些復雜的組合后面,是復雜的現場裝配調試和更為艱難的使用維護工作量。而且復雜的架構,意味著電源設備占地面積更大。
　　
　　由于UPS本身涉及的部件極多,加上復雜的冗余架構,以及控制邏輯復雜,其維修和故障排除嚴重依賴廠家進行,導致UPS的故障恢復時間很長,至少8h乃至數天才可以完成。由于其復雜性,導致其MTBF并不是很好;MTTR時間很長,可用性不能滿足日益提高的數據機房乃至后來數據中心的可靠性要求。
　　
　　隨著UPS的容量也越來越大,大量配置的鉛酸電池也給機房建設提出來巨大的挑戰。動輒數噸的電池,不僅僅是需要占地面積,更重要的是需要更大的地板承重能力。主設備6kN-9kN的承重能力已經足以滿足使用要求了，但是動力機房卻需要15kN以上的承重能力。導致機房建設成本大幅上升。
　　
　　而且UPS的體積嚴重制約工程的實施,工程需要專門預留施工通道,初期就需要UPS進場進行施工。UPS后期維護,更換都對機房是傷筋動骨的大工程。
　　
　　更讓運營商無法釋懷的是,UPS的超大功率,每臺UPS承擔著數十乃至數百個主設備機架的供電,單臺UPS故障將會導致機房服務器大面積宕機。這導致運營方每日如履薄冰,對任何一丁點故障都如臨大敵,寢食難安。圖5就是UPS的集中常規冗余模型,可見每一個方案都是龐然大物。每個部件之間的操作都是復雜的邏輯,任何一個動作錯誤都會導致更加嚴重的故障。
　　
　　傳統的UPS采用冗余模式后,導致UPS的負載率最多也不超過50%。即使UPS本身開發時滿載效率達到97%,但是在半載以下時,效率卻無法發揮最佳效果,只能達到90%甚至更低的水平。
　　
　　而且UPS無論當前負載是多少,由于其采購,裝配,維護的復雜性,一般必須在工程初期即配滿所需容量和電池,需要提前占用寶貴的資金,空耗大量的能源保持其運轉,導致運營成本居高不下。
　　
　　在HVDC架構對UPS形成巨大挑戰以后,UPS發展出了模塊化架構,希望借助模塊化的架構保持市場優勢地位。模塊化UPS一定程度上優化了MTTR,UPS的可用性獲得較大幅度的提高。而且可以采用模塊化冗余的方法,簡化UPS主機冗余的架構,對UPS的生命力延伸起到了巨大的作用。
　　
　　但是由于交流UPS的電池并不與負載直接連接,必須通過逆變器才能與負載進行連接和供電。所以模塊化UPS的功率模塊冗余設計方案與48V直流電源的功率模塊冗余設計方案還是有天壤之別,其可靠性依然相差許多,這是其供電拓撲決定的,很難實現與直流電源相同的可靠性。
　　
　　但是毫無疑問,模塊化UPS大大簡化了UPS的維護工作,之前一直被詬病的專業化要求大大降低。對于功率變換或者旁路模塊的故障,可以通過現場的機房運維人員像操作服務器一樣的快速更換。只有遇到復雜的系統問題才需要原廠進行支持,極大改善了UPS的使用環境和使用條件,降低了用戶對UPS的使用抱怨。
　　
　　需要說明的是,由于UPS單臺功率巨大,一般數據中心的UPS已經大量應用600kVA~800kVA,考慮到數據中心配置了柴油發電機,一般備電時間15分鐘左右,但這依然需要多組大容量電池。當前UPS電池依然還是以鉛酸電池為主。由于UPS電池的特殊性,需要專門的鉛酸電池室,設置專門的機房氫氣檢測,排氫措施,制冷空調設備等。
　　
　　三、高壓直流（HVDC）不間斷電源
　　
　　高壓直流的高壓是相對于通信電源48V而言的,嚴格意義上來說,按照國家對于高中低壓的定義,直流1500V及以下均屬于低壓電源。這里我們約定俗成的使用高壓直流來表述數據中心240V/336V供電方式。
　　
　　HVDC的架構就是由通信電源發展而來的。所以HVDC一來就是高起點,模塊化高頻開關電源,機柜級監控單元等。48V電源的優勢HVDC一個不少,但是低電壓大電流造成的傳輸損耗卻被HVDC系統克服了。因為HVDC將輸出電壓提升到了240V或336V,響應的其線路傳輸損耗只有原來的1/25甚至1/49,節省了大量的傳輸損耗。圖6示出了HVDC系統的原理方框圖。
　　
　　而且電流的減少,也會大幅度降低因為連接點的不可靠導致的過熱,燒融甚至起火事故,進一步提高了HVDC架構的使用可靠性。由于采用正負極浮地的設計方案,基本杜絕了單極接地導致的故障和單極觸電的風險。加上絕緣監測技術的使用,安全性也大大提高。
　　
　　由于電池直接掛在負載母線上,所以HVDC系統完全可以在負載率較低情況下,啟動休眠技術,將模塊的負載曲線調整到模塊最高效率點,從而獲得系統級最佳效率。這是直流供電的巨大優勢。
　　
　　反觀UPS,雖然模塊化UPS可以利用模塊休眠技術提高模塊的負載率，從而獲得更加高的效率。但是由于其冗余架構，導致任何時候模塊均需要按照所需負載的2倍進行冗余備份，很難達到最佳效率點。其最多可實現的是將原來輕載負載率提高到半載負載率等較高的水平，一定程度上提高效率。
　　
　　就電源變換環節而言,再來看看HVDC和UPS的差異,如圖7所示。很顯然,UPS比HVDC多了一個逆變環節。相同拓撲技術下,HVDC可以比UPS實現更高的效率。同時可見單臺UPS比HVDC多了旁路STS靜態開關以及手動維護開關,復雜度也高了很多。按照可靠性理論,設備越復雜,故障率就越高。
　　
　　對于電池而言,集中式的HVDC供電方式與UPS沒有太大差異,均需要按照備電時間進行配置,在負載功率和備電要求接近情況下,兩者所需電池數量和容量也會比較接近。所以均需要對電池空間進行特殊設計,在占地和承重方面都對數據中心有一定的挑戰。
　　
　　四、數據中心所面對的挑戰和應對
　　
　　4.1挑戰
　　
　　在技術發展的不同階段,所需要關注的主要問題和特性不同。在通信設備使用初期和電子計算機發展初期,首要保證的是技術的實用性,要求通信使用便利,計算速度盡可能快速。當時要求設備具有專門供電的電源,電源盡可能的穩定。
　　
　　隨著技術的發展,通信所覆蓋的內容越來越多,電子計算機也發展成為計算機房,二者所承擔的工作重要性提高了。所以對于電源而言,必須保證安全,穩定、可靠地工作。
　　
　　通信設備承載數據,視頻,語音等內容,計算機房也發展成為數據中心,功率大幅度增加,基于社會責任,二者也必須降低能耗,盡可能的減少單位產出的能耗數據,降低PUE。
　　
　　龐大的動力設備(電源及電池)占據數據機房總面積的20%-40%,而這兩者又不直接產生效益,數據中心面積越來越大,但是主設備的出柜數量卻無法大幅度增加。
　　
　　進入2010年以來,物聯網,自動駕駛迅速發展,通信技術和數字技術之間界限越來越模糊,同時承載的數據計算要求低延時,高可靠等特點,產生了很多邊緣數據中心需求。邊緣數據中心一般面積不大,需要盡可能靠近終端設備建設。新建邊緣數據中心不太現實,而且考慮到UPS,HVDC對承重的要求,對面積的占用,嚴重制約了邊緣數據中心的選址。
　　
　　成本的壓力,也是運營方尤其關注的方面,希望采購的電源設備具有較長的服務周期,減少數據中心或者通信機房維護工作量,降低運營費用,從而降低數據中心的TCO。
　　
　　4.2應對方式
　　
　　數據中心中動力部分占地面積已經成為不可忽略的因素,嚴重制約了數據中心的發展。而其所采用的超重的鉛酸電池更加讓邊緣數據中心的發展雪上加霜。早早的建好的數據中心動力機房卻要等上多年才能帶滿設計負荷,加重了數據中心建設的資金壓力,提高了數據中心的TCO,給數據中心運營帶來沉重的壓力。
　　
　　國內外對此進行了多項探索,實踐和商用,其中以Facebook為首的OCP采用的是BBU(電池內置服務器)的方案,以微軟為首的openrack采用的是服務器機柜內置48V電源的方案,這些國際數據中心的運營方和建設方不約而同的采用了分布式的電源架構。去中心化供電成為將來很長一段時間的數據中心或通信機房建設趨勢。
　　
　　中國運營商如中國電信采用的是分布式不間斷電源方案(DPS)，將HVDC或UPS小型化，采用鋰電池備電，并將DPS直接應用于機架內。國內的安徽明德源能提供的DPS系統已經在中國運營商超過一萬套在線可靠運行，最長已經達到五年，未出一例安全事故，也證明了其方案的可靠性。實踐證明,采用DPS方案以后，動力配電機房僅僅需要低壓配電柜即可，原有的UPS或HVDC及其電池室完全可以取消，節省出來的面積布置可直接產生效益的主設備機架。在工程實踐中，最多可以增加接近50%的機架數量，可給數據中心帶來大量的現實收益，數據中心單位面積投資產出比大幅度優化。
　　
　　DPS采用重量較輕的鋰離子電池,整體重量與相同尺寸服務器相當，不會額外增加建筑結構承重，在舊機房改造，邊緣數據機房建設等場景下，幾乎無需考慮承重問題，大大拓寬了機房選址范圍，有力的促進了數據中心的發展。在新數據中心建設中，也無需特殊考慮專門的動力機房承重，可以降低數據中心建筑建設部標準，降低工程投資。
　　
　　DPS跟隨機架服務器建設,工期靈活,部署彈性,可以最大化利用建筑面積。施工可以跟數據中心機架建設同步,現場裝配完全IT化,無需專業技能即可完成。每個DPS均接入動環監控或者DPS集中監控,通過智能上報系統運行信息,遠程巡視即可滿足要求,在系統出現故障時,采用備機備件直接插拔更換即可完成維護工作,對維護人員專業性要求極低。
　　
　　在可靠性方面,DPS僅僅是對UPS和HVDC系統的小型化,使用成熟技術。而且可以組成與原有UPS或者HVDC相同的冗余架構。所以從可靠性角度來看與原有方案基本相當。
　　
　　使用DPS可以在故障發生時大面積減少故障范圍,把數據中心的損失最小化。集中UPS和HVDC的顆粒度過大,所以其影響范圍非常大,才需要不斷地將冗余架構加強,造成沉重的建設負擔。采用小顆粒的DPS,則完美的最小化了故障范圍。DPS代表了數據中心和通信機房的供電發展方向,在客戶對機架需求極為旺盛的今天尤甚。
　　
　　五、結論
　　
　　從通信電源,UPS,HVDC的發展來看,三者都結合主設備技術的要求不斷發展。CT技術和IT技術大幅度融合,界限模糊化。電源也出現了相同的發展趨勢,初期UPS和通信電源及HVDC走著不同的技術路線,但是隨著技術的發展,三者越來出現技術融合的趨勢。第一次融合是備電電池的融合,大家采用了相同類型的鉛酸電池;第二次融合是為了小型化均實現了高頻化;第三次融合是為了實現高可靠性高可用性均實現了模塊化。
　　
　　對于數據中心或通信機房應用而言則新增了一個新的融合趨勢,就是分布式小顆?；?。其實從電源系統模塊化開始已經可以視為分布式的第一次實踐了,當前分布式電源可以視為模塊化的進一步深化。從電源發展過程來看,電源一直在向著高頻化,小型化,傻瓜化,輕量化,節能化,分布化等方向發展,要求高可靠性,高可用性,安裝/維護簡單,監控智能化等要求。
　　
　　展望未來,電源的發展必然需要和當前的綠色能源相結合。從這個角度來看,直流供電具有著天然的優勢,可以很輕易的形成一個能源路由器,建立儲能bank(銀行),具有更長遠的發展空間。
　　
　　同時隨著儲能技術和數據中心規模的擴大,數據中心電源不僅僅需要消納綠色能源,也需要參與電網互動,為電網調峰調頻做出應有的貢獻。
　　
　　新型電池的使用也終將完全替代鉛酸電池,新型電池當前是鋰離子電池,將來可能是固態電池,鈉電池等更加安全更好循環壽命、具有更高性價比、能效比的容量密度的電池。