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產品簡介
詳細介紹
富山蓄電池NP38-12 12V38AH電池尺寸規格
富山蓄電池NP38-12 12V38AH電池尺寸規格
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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。
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、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負載。
綜上，在低壓側，2N的UPS系統只需要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系統低壓配電柜
對于不間斷電源系統，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本身，不同廠家的電源系統可能略有不同，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。可見，不管是電池還是不間斷電源系統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，市電直供支路無需配電柜及開關，同樣對于“240V HVDC"系統，由于其輸出配電部分已經包含在電源系統的輸出熔絲柜內了，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，我們還會發現從傳統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，從集中式系統逐步向分布式系統演進，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，下面繼續分析OPEX中的用電成本，對于360KW的系統，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系統的效率往往隨著負載率的提升而增加，如果UPS系統長期處于輕載狀態，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，由于有電池直接掛接母線，那么高壓直流系統是允許節能休眠的，監控會自動開啟需要工作的電源模塊數量，并使電源系統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供電架構比傳統的2N UPS架構減少投資44萬（不含電池及配電線纜約節省投資40%），并節省6個配電柜（不含電池室約節省了57%的配電柜占用面積）。還在機房運營的8年生命周期內，節省運營電費157萬。折算成TCO，僅僅在CAPEX及OPEX的電費部分就節省投資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，該技術很值得在業界推廣使用。