中國電源學會專家委員會主席、中國科學院計算技術研究所研究員張廣明老師就UPS供電系統演變趨勢為大家答疑解惑。以下是文字實錄：
我今天講的是供電系統，供電系統是數據中心的重要組成部分。我講的東西又不是當前的產品、或者技術的應用，也是未來發展的趨勢。具體來說，UPS供電系統是直流化的趨勢。
那么我講的內容可能是十年、二十年以后的狀況，因為這個過程、涉及到技術的研究和試點的推廣過程，涉及到用戶、電源設備廠商、IT設備廠商。而不是一家想用就可以。涉及到多方面的。另外還涉及到規范的制定、標準的制定。再一個就是國際和國內的情況，現在不管是IT廠商還是設計廠商都是國際化的。所以我講的可能是十年二十年以后的事了。
我講的比較簡單，有四個內容：計算機供電系統演變過程，第二對UPS發展的探討，第三是系統設計，第四是方案。
中心的思想，作為一種應用型科學，它的發展是有其規律的，那么第一個講的是計算機供電系統演變過程。這個圖如果在二十世紀六七十年代的時候，搞計算機的人都很清楚，在座一些老同志都搞過，當時我們搞的是第一個圖，肯定是交流供電，里面的電源因為當時耐壓水平比較低，轉換成低壓的過程中前面一定要加變壓器，作為交流降壓的設備，后面有多種形式，鎮流、低壓開關。
到了七八十年代的時候，這個時候開始供電系統交流部分加UPS了，對UPS設備提出了要求，1976年尼克松訪華的時候國外已經有很大的UPS帶過來了。但是計算機的電源前面有個變壓器，所以UPS必須交流來做，歷史發展過程注定了UPS輸出是要交流的。這是歷史決定的。
到了七十年代、八十年代以后，這個時候，電源行業有一個二次革命，很多同志經歷了這個過程，半導體器械水平的提高，去掉了輸入變壓器，現在開關電源都沒有變壓器，應該說為直流輸入創造了條件，IT設備具備了直流輸入的條件，但是交流系統、UPS仍然是交流輸出的。因為本來就是交流輸出的，這時候有一個習慣的思維、有一個大家的觀點問題，還有一個標準問題，有各方面的問題，所以一直到四十多年，一直交流輸出到今天，這是一個發展的過程。
第二，直流化變革的趨勢，我著重講一下這個問題。現代數據中心UPS供電系統不是整個交流供電系統，UPS供電系統就是用這個圖表示，這是一個非常典型的圖，這里的電壓電流都表示了它的狀況，我們用四句話說明這個系統的特點，第一UPS本身兩次能源的變化，ACBC、ACAC，交流變直流直流再變交流。兩個電流源，UPS本身又是一個電源。第三備用電源要經過最薄弱的環節對負載供電。負載供電的可靠性取決于誰呢？不管是備用能源供電都取決于設備，所以UPS設備的可靠性決定了當前數據中心供電的可靠性。
因為有很多問題，所以UPS技術在不斷變化，這些技術的變化圍繞著主要的兩個方面進行：第一交流輸入的治理，這是UPS體會最深，他們也是一代一代發展過來的，由6脈沖發展到12脈沖，然后又在研制單加一個機器，現在有所謂的超級機。
這個過程是二三十年的發展過程到了今天。
接下來就是可靠性，數據中心的可靠性取決于UPS的可靠性，它的技術發展和研究也就在這個時候花了很大的力量，做的事包括，一個是模塊化，搞模塊化UPS，還有系統冗余結構，提高可靠性，還有智能管理，再有一個是整個的集成化系統。所有的UPS供電廠家，大概都在這方面做文章。
系統發展的結果是什么呢？用幾句話來衡量：基本狀態是系統不斷復雜化，設備堆積結構臃腫、成本不斷盤升、效率難以有效提高，五花八門難以標準化。這就是當前系統的基本狀況。
那么存在的問題是多方面的了：我們羅列起來可以分六類問題，第一是可靠性問題，第二是脅迫性干擾問題，第三是能耗問題，第四是標準化問題，第五是可擴展靈活性問題，第六是維護性難度問題。
把上面的情況講了以后，就是六個值得思考的問題：第一可靠性是值得思考的問題，為什么是最主要的問題呢？因為UPS設備本身可靠性不高，如果從來不壞的話，好多事就沒有了。第二脅迫治理問題，脅迫是供電系統和設備本身帶來的。第三能源效率主要，所謂地下的是復雜性帶來的，特別是設備容量利用低帶來的，因為UPS設備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、維護難度、適應性、標準化這些是不言而喻的，這種狀況下肯定很難有所提高的。
那么結論是什么呢？可靠性提高越來越困難，最主要的是可靠性問題，但是可靠性的提高在傳統的供電系統基礎上越來越困難。其次需要的資金越來越龐大，冗余系統、2N系統、2N+1系統，越來越復雜。使用傳統的設計不可能兼得高可用性、高效率。
這些問題難以解決，因為產生問題的原因始終得存在，這些問題是供電方案固有的問題。
第二我們探討一下供電制式的變化。第一是備用能源方法的探討。傳統的備用能源電池要經過UPS的DCDC給負載空間，問題就在這里。所以我們認為是系統功能設計策略的誤區。也是歷史性的。現在反過來我們思考，認為是一個誤區。
首先這樣做電池的能量不能充分發揮，電池的可靠性也就很難發揮，電池搞得再好也沒有用，電池供電的可靠性取決于它。這是一個系統功能設計策略的誤區。這里有一些數據。降低了很多。
再有我們講一些故障的特征，如果直流供電UPS對負載空間的可靠性，實際上等于備用電池的可靠性，電池可靠整個系統全部可靠。我不管是事件故障還是UPS系統故障都可以用電池把它隔離開，電池是唯一衡量可靠性的標準。
可是為什么用電池直流供電可靠性就會提高呢？因為大家知道電池并不是非常可靠的，為什么系統里用它供電可靠性可以提高呢？這里引用另外一個概念，就是可預見非突發性故障和非不預見故障的討論。
什么叫可預見性非突發性故障呢？電池所有的故障包括電池漏液、電池容量不足、均勻性差等等，都是直觀可見的，或者很容易被測量到的。要么就是很容易被測量到。
第二所有的故障有一個漸變的過程，發生的故障很長，故障不是突發性的，如果發現電池外殼變形，不要管，再有十天半個月沒有事，可以安排計劃停電維護它、更換它。所以電池具備這種特征。
另外一種叫不可預見突發性故障，像我們的主機APS、SPS等其他的，系統的管理只能衡量工作狀態，比如電壓多少、電流多少、外殼溫度多少，只能是這樣。至于電路板上哪一點有虛焊、哪一個組建失效是無法測量的，但是一旦出故障就會導致系統癱瘓，是突發性的。故障主要是具備這種特征的故障，是最讓人擔心的。
那么我們在研究電池可靠研究的時候，從來不把人為因素加入。但是對于電池具備可預見非突發性故障可以把人為因素加入。只有在事件停電的時候、電池供電的時候，這個短時間內是不可修復的。如此之外都可以在線修復。就人為的干預。所以我們在可靠性里就等于電池本身可靠性定上一個冗余的可靠性環節。這個冗余環節只有事件在的時候，只要事件有這個環節就在，通過人為的干預、人為的參與可以保證電池始終是新的、始終是好的。
比如我們原來48伏，為什么說可靠性高，并不是48伏的電池模塊可靠性，因為48伏直接對負載空間，隨時維護電源，所以可靠性非常高。
所以結論是什么呢？可靠性研究通常是忽略人為因素的。其次在直流UPS系統中對負載供電可靠性完全取決于備用電池。電池故障具備可預見非突發性故障，直流UPS對負載可見可用性是傳統交流UPS輸出不可能達到的。所以提高可用性是UPS直流輸出變革的根本原因。
為什么強調這一點呢？因為有時候說用直流可以節能。節能是它的副產品，而且也是第二位的。提高可用性才是最根本的。
第三，關于如何選擇直流電壓，因為現在全世界都在研究這個，都在使用。如何選擇直流電壓？大家的答案五花八門。我這里提出的直流電壓選擇的原則，第一不要求IT輸出開關做明顯的變化，因為變革時間很長，十年二十年，肯定面臨著IT設備同時適用兩種，交流輸入、直流輸入。這種情況下最關鍵的是什么呢？直流輸入電壓必須等于交流輸入以后的鎮流電壓。傳統的IT設備是300伏，新的IT設備都是380伏，將來總趨勢可能是380伏。
其次要簡化設備，重復變化的事，如果不選這個電壓，不選最老的設備，300伏或者最新的設備，交流輸入仍然是兩次變換，從交流UPS的ACDC改成ACBC、還是簡化不了。
第三對IT設備的適應能力，包括幾個方面，第一是傳統的IT設備如果不變的話對交流輸入電壓不檢測，IT設備開關電源工作范圍要保證工作在最佳狀態下必須選用老的設備300伏、新的設備380伏，如果低于300伏所有開關電源要半蹲著干活，這樣肯定要疲勞的，所以壽命會降低，壽命降低不是一兩年能夠看出來的，但是隱患絕對存在。
還有電池也要得到充分的發揮，如果老的設備不變，現在勉強的給電壓，如果工作的電壓偏低的時候，那么電池正常的時候供電，一點停電電池馬上下降就超過范圍，所以電池利用率大大降低。這個大家可以看出來。還有節能和安全問題，電壓越高安全性越好。這是選用的原則。
總的來說已經在做研究，提出意見或者提出要求的，或者工作研究的，就是380伏的有法國電信、華為技術、愛立信、還有因特爾、IBM、中國移動、微軟。300伏韓國電信、320NEC。我們國家在某個大型數據中心，兩兆瓦的數據中心，用直流的今年已經第四年了，非常可靠。78臺UPS，用得非常好。
第四，關于供電方案的選擇，供電方案的選擇，因為有這么幾個原則，第一把提高系統可靠性作為第一要求，關鍵是備用電池直接供電，盡可能減少轉換級數。重視直流配電，最后從整個系統角度設計UPS。原來很多設計理念都是很成功的、很寶貴的，直流供電不等于研究直流電源就等于直流供電了。一定要從系統角度研究。
最后總結一下方案，這是傳統的交流的、交流的電池在這兒，把里面也做出來了，IT設備一共是四次變換。特點是能源四次變換，第二兩個脅迫源，第三電池不能直接保護，第四系統復雜、成本高效率低。傳統系統交流系統都加入，典型的是75%，已經在運行的數據中心供電系統效率在75%左右，高的在80%，低的在70%以下。
作為直流方案，第一個方案這邊改成一次變換，這邊也改成一次變換，開關點也變成一次變換，UPS也改成一次變換。第二是電池直接保護負載。這個容量可以做得很大，系統很簡單，成本低、效率非常高。但是缺點在哪呢？直流配電困難。有的廠家在直流供電的時候，就直接直流進去，這個不行的。IT設備里開關電源有三個，一個是開關一個基點保護一個保險，這三個必須換，不換的話早晚出事。
現在提出來第二個方案，就是把前面第一張圖發展過程列在這兒。第一張圖一開始有輸入變壓器，后面輸出低壓，第二張加了UPS，UPS必須是交流；第三開關點里去掉UPS，保留了交流輸出。現在就要到直流輸出的時候了，第二種方案就是要去掉它的時候，把開關電源做成UPS，這個原來的系統就是0了。
這樣做的結果是什么呢，第一就是供電質量由開關電源來做，這個大家沒有什么可懷疑的，現在所有的IT設備開關電源都非常成熟、質量非常好。我們的筆記本到處插，只要有電就行。開關電源在工業指標上是沒有問題的，抗干擾能力很強，效率也是可以的。第二開關電源的成本體積、重量都會低于，因為在一個計價里都會低于IT設備每個里面都有一個小的開關電源，把它集中到基架的開關電源，成本、體積、重量都要降低。
這樣還有一個好處IT設備肯定是受歡迎的，IT設備里器件都拿出來了，所以設備里不再有這樣的高壓器件。肯定歡迎這樣做。
由一個基架里開關電源的12伏加一個電池。現在的開關電源一般直接給12伏，至于3伏、5伏是IT設備電路里自己做的。不是形成一組電壓，就是12伏。
第二個方案仔細設計一下，當前供電系統有一個特點，不能靠電池維持系統運行，智能系統如果沒有電，整個系統也要癱瘓，電池的可用時間在兩三分鐘，兩三分鐘制冷要癱瘓，這樣電池可以做兩分鐘、四分鐘，12伏4分鐘，如果一個基架以這個單元3千瓦一個，這樣體積也不大。
特點：第一能源也是兩次變化，包括IT設備里；第二電池之間的負載空間，符合高可用性的要求；第三是容量可以做到五到二十千瓦，模塊化的結構。優點是什么呢？沒有直流配電的問題，直流化過程中最大的難點是直流配電問題。其次PUE定義的效率，是交流空間的效率，由PUE效率99%，因為這時候供電系統有兩個開關、一個總開關。再加上線纜，由PUE定義的，現在可以到99%
系統簡單、成本效率高。配電方法上有一點變化，有的說分散能量，也不完全這樣，交流的系統仍然是集中空間。分散到IT設備，集中到IT基架，開關點是這樣的過程。也有一個分散的，就是電池由集中空間分散到分散空間。
這個事不是現在馬上做的，是一個漫長的過程，但是既然是一個總的趨勢就要大力促進它、研究它、推廣它。現在已經有很多單位開始做第二個方案了。
我的報告就到這里，謝謝大家。
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