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產品簡介
詳細介紹
富山蓄電池NP38-12 12V38AH電池尺寸規(guī)格
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在某種意義上，數據中心的空間即成本,；電費則是運營時期成本的大頭,。今天，我們將從設備占地空間+運營期間的用電效率兩個角度,，將“市電+HVDC”與傳統(tǒng)UPS供電架構成本進行對比,。
圖1是“2N UPS”和“市電+240V HVDC”從低壓側到服務器的供電拓撲。目前數據中心應用的容量等級約為400KVA,、UPS輸出功率因數典型值為0.8-0.9,，折算成360KW，相當于同樣功率的單套1200A的高壓直流系統(tǒng),。
即兩套400KVA的“2N UPS”和一路360KW市電+另外一路360KW的“240V HVDC”混合供電架構做對比,，兩者容量基本一樣，供電可靠性也基本處于一個等級,，具備可比性,。
由于變壓器及其輸入前級基本一樣不再比較，這里分別從變壓器輸出柜,、不間斷電源系統(tǒng),、電源輸出配電柜、末端列頭柜等多級配電路由來進行對比,，定量分析配電柜的造價成本及配電柜數量,，后者會影響到機房空間占用面積及場地租金等成本。
圖1 兩種供電架構供電拓撲對比
圖1所示,，對于400KVA的UPS,，變壓器輸出側（變壓器輸出總開關沒畫出）給到UPS需要兩個800A左右的框架斷路器，一個給到主路,，另外一個給旁路,，占用整個低壓配電柜,。這里還沒有考慮UPS諧波治理額外需要的濾波器等配電柜，也沒考慮可能的手動維修旁路柜等,，因此兩套UPS占用2個整低壓配電柜,，每個低壓配電柜內部包含2個800A的大框架斷路器。而對于"市電+240V HVDC"供電架構,，市電直供支路直接由低壓母線排直聯的1個低壓配電柜直接輸出多路到各個列頭柜,，比如該低壓配電柜內有5個250A的抽屜式塑殼開關，輸出5路直接直聯到5個市電直供的列頭柜,。而高壓直流系統(tǒng)只需要1個800A的框架斷路器,，占用半個低壓配電柜，剩余1個800A框架開關預留給另外一套高壓直流系統(tǒng)用,。此外,，為考慮負載均衡等，兩套變壓器會交錯同時各帶一半的市電直供負載和高壓直流系統(tǒng)負載,。
綜上,，在低壓側，2N的UPS系統(tǒng)只需要2個整低壓配電柜,，共4個800A的框架斷路器,；而市電+240V HVDC系統(tǒng)在低壓配電部分會占用半個低壓配電柜，計1個800A框架斷路器,，以及1整個低壓配電柜,，帶5個250A的塑殼斷路器。
圖2 HVDC系統(tǒng)低壓配電柜
對于不間斷電源系統(tǒng),，考慮同樣大小的負載及同樣15到30分鐘時長的后備電池時間,，理論上電池的安時數應該是基本一樣的，同樣電池占用場地也基本一樣,，這里不再深入比較,。再考慮不間斷電源系統(tǒng)本身，不同廠家的電源系統(tǒng)可能略有不同,，但差異不會很大取典型值,，對于400KVA的UPS通常都有1個輸入配電柜、2個主機柜及1個主輸出開關共4面柜子,，對于1200A的“240V HVDC”也類似有1個輸入配電柜,、2個整流柜及1個輸出熔絲配電柜共4面柜子?？梢?，不管是電池還是不間斷電源系統(tǒng)的機柜數量及占地面積兩者差異不大，各占用了4個不間斷電源系統(tǒng)柜,。但這個配電層,，市電直供支路無需任何開關及配電柜,。
因此，對于2N的UPS架構占用了8個機柜位,，而市電+240V HVDC架構只占用4個機柜位,。
對于輸出配電柜部分，由于UPS通常都帶有輸出配電柜,，因此每套400KVA的UPS輸出通常都需要一個800A或者630A的框架斷路器,，以及5個左右的250A抽屜柜到每個列頭，所以每套UPS的輸出配電柜部分會占用2個配電柜位,，計1個800A的框架斷路器及5個250A的塑殼斷路器,。
兩套2N的UPS系統(tǒng)共需要4個配電柜位、2個800A框架斷路器及10個250A的塑殼斷路器,。而對于“市電+240V HVDC”系統(tǒng),，市電直供支路無需配電柜及開關，同樣對于“240V HVDC"系統(tǒng),，由于其輸出配電部分已經包含在電源系統(tǒng)的輸出熔絲柜內了，所以也不需要額外輸出配電柜及輸出開關等,。
到zui后的列頭柜層面,，基于同樣總功率及單機柜功率密度來測算，2N的UPS和“市電+240V HVDC”兩個方案在列頭柜數量及配電開關數量方面可以認為基本一樣,，只是會在配電空開及線纜方面會有些差異,，造價有所不同。直流空開比交流空開貴,，因此配電空開造價市電+240V架構會貴一些,。在線纜投資方面，UPS系統(tǒng)因為增加兩套輸出配電柜及線纜,，以及手動維修旁路線纜等,；而“240V HVDC”因為是單相供電，高壓直流輸出到列頭柜的單相線纜成本會比2NUPS的三相傳輸線纜成本稍高些,，但總功率一樣,，耗銅量差別不會很大。
我們定性認為“市電+240V HVDC”的線纜總投資不會超過2N UPS的線纜總投資,。
從前面各級配電部分進行分拆對比,，我們還會發(fā)現從傳統(tǒng)UPS供電，到“240V HVDC”供電,，再到市電直供技術,，其配電結構層級是不斷精簡的，分別從四級配電精簡到三級配電直至市電直供的兩級配電,。而且配電越來越靠近負載末端,，從集中式系統(tǒng)逐步向分布式系統(tǒng)演進,，還可以大大減少線纜投資及傳輸過程損耗，減少投資簡化運營,。
圖3 兩種供電架構配電結構層級
綜上討論,，我們對比了供電能力均為360KW的2N UPS的配電架構和市電+240V HVDC的配電架構，得到如下的投資成本對比,。結果表明市電+240V HVDC架構會比2N UPS架構節(jié)省較大投資,，且占用了更少的機房面積。
圖4 兩種供電架構一次性投資成本對比
前面分析了很多一次性投資成本CAPEX及占地面積的比較,。對于數據中心而言,，更長的生命周期處于運營階段，而運營成本構成中很大一塊是電費,，下面繼續(xù)分析OPEX中的用電成本,，對于360KW的系統(tǒng)，這里按320KW的實際負載來估算,，分別比較2N UPS和市電+240V HVDC在8年生命周期內的總電費差異,。
UPS系統(tǒng)的效率往往隨著負載率的提升而增加，如果UPS系統(tǒng)長期處于輕載狀態(tài),，那么運行的實測效率并沒有達到宣稱的率點,。對于2N UPS架構，每套UPS的負載率往往只有30%-40%之間,，雖然選用了率為94%的UPS,，但實際的運行效率很可能只有90%左右。而對于“240V HVDC”系統(tǒng),，由于有電池直接掛接母線,，那么高壓直流系統(tǒng)是允許節(jié)能休眠的，監(jiān)控會自動開啟需要工作的電源模塊數量,，并使電源系統(tǒng)在任何負載情況下都可以工作在率點附近,，即高壓直流可以在全負載范圍內都達到94%以上效率，而市電直供支路基本是100%供電效率,，因此市電+240V HVDC綜合供電效率為97%.如圖5：
圖5 兩種供電架構效率曲線對比
由于每千瓦IT都需要經過不間斷電源系統(tǒng)供電,，因此320KW的IT負荷經過90%效率的2N UPS架構每年浪費的電費（按每度電8毛RMB估算）高達22.43萬元，而“市電+240V HVDC”只浪費6.73萬元,。此外,，電力室內的不間斷電源設備產生的熱量需要額外的空調系統(tǒng)帶走，還需考慮這部分空調能耗產生的電費,，為簡化分析按電力空調的散熱能效COP為4估算,。這樣320KW的IT負荷在數據中心8年的生命周期內，僅僅計算不間斷電源系統(tǒng)效率損耗及電力室空調能耗,，2N UPS供電架構浪費電費224.32萬,，而“市電+240V HVDC”只浪費電費67.28萬,，節(jié)省了157萬元的運營電費。
圖6 8年內兩種供電架構下浪費的電費對比
綜上所述,，在類似可靠性及輸出能力的2N配置400KVA UPS和容量為360KW的“市電+240VHVDC”供電架構,，在帶320KW負載的模型下。市電+240V HVDC供電架構比傳統(tǒng)的2N UPS架構減少投資44萬（不含電池及配電線纜約節(jié)省投資40%）,，并節(jié)省6個配電柜（不含電池室約節(jié)省了57%的配電柜占用面積）,。還在機房運營的8年生命周期內，節(jié)省運營電費157萬,。折算成TCO,，僅僅在CAPEX及OPEX的電費部分就節(jié)省投資200萬。
如果對于10萬臺服務器的一個大型數據中心,，僅僅是采用了“市電+240V HVDC”技術在8年時間內就可以節(jié)省TCO高達1.2億元,，非常可觀,，包括帶來的運維簡化等,，該技術很值得在業(yè)界推廣使用。