从设备占地空间和用电效率看“市电+HVDC”与“2N UPS”供电架构差异

在某种意义上,数据中心的空间即成本;电费则是运营时期成本的大头。今天,我们将从设备占地空间+运营期间的用电效率两个角度,将“市电+HVDC”与传统UPS供电架构成本进行对比。

图1是“2N UPS”和“市电+240V HVDC”从低压侧到服务器的供电拓扑。目前数据中心应用最为广泛的容量等级约为400KVA、UPS输出功率因数典型值为0.8-0.9,折算成360KW,相当于同样功率的单套1200A的高压直流系统。

即两套400KVA的”2N UPS“和一路360KW市电+另外一路360KW的”240V HVDC“混合供电架构做对比,两者容量基本一样,供电可靠性也基本处于一个等级,具备可比性。

由于变压器及其输入前级基本一样不再比较,这里分别从变压器输出柜、不间断电源系统、电源输出配电柜、末端列头柜等多级配电路由来进行对比,定量分析配电柜的造价成本及配电柜数量,后者会影响到机房空间占用面积及场地租金等成本。

图1 两种供电架构供电拓扑对比

图1所示,对于400KVA的UPS,变压器输出侧(变压器输出总开关没画出)给到UPS需要两个800A左右的框架断路器,一个给到主路,另外一个给旁路,占用整个低压配电柜。这里还没有考虑UPS谐波治理额外需要的滤波器等配电柜,也没考虑可能的手动维修旁路柜等,因此两套UPS占用2个整低压配电柜,每个低压配电柜内部包含2个800A的大框架断路器。而对于"市电+240V HVDC"供电架构,市电直供支路直接由低压母线排直联的1个低压配电柜直接输出多路到各个列头柜,比如该低压配电柜内有5个250A的抽屉式塑壳开关,输出5路直接直联到5个市电直供的列头柜。而高压直流系统只需要1个800A的框架断路器,占用半个低压配电柜,剩余1个800A框架开关预留给另外一套高压直流系统用。此外,为考虑负载均衡等,两套变压器会交错同时各带一半的市电直供负载和高压直流系统负载。

综上,在低压侧,2N的UPS系统只需要2个整低压配电柜,共4个800A的框架断路器;而市电+240V HVDC系统在低压配电部分会占用半个低压配电柜,计1个800A框架断路器,以及1整个低压配电柜,带5个250A的塑壳断路器。

图2 HVDC系统低压配电柜

对于不间断电源系统,考虑同样大小的负载及同样15到30分钟时长的后备电池时间,理论上电池的安时数应该是基本一样的,同样电池占用场地也基本一样,这里不再深入比较。再考虑不间断电源系统本身,不同厂家的电源系统可能略有不同,但差异不会很大取典型值,对于400KVA的UPS通常都有1个输入配电柜、2个主机柜及1个主输出开关共4面柜子,对于1200A的“240V HVDC”也类似有1个输入配电柜、2个整流柜及1个输出熔丝配电柜共4面柜子。可见,不管是电池还是不间断电源系统的机柜数量及占地面积两者差异不大,各占用了4个不间断电源系统柜。但这个配电层,市电直供支路无需任何开关及配电柜。

因此,对于2N的UPS架构占用了8个机柜位,而市电+240V HVDC架构只占用4个机柜位。

对于输出配电柜部分,由于UPS通常都带有输出配电柜,因此每套400KVA的UPS输出通常都需要一个800A或者630A的框架断路器,以及5个左右的250A抽屉柜到每个列头,所以每套UPS的输出配电柜部分会占用2个配电柜位,计1个800A的框架断路器及5个250A的塑壳断路器。

两套2N的UPS系统共需要4个配电柜位、2个800A框架断路器及10个250A的塑壳断路器。而对于“市电+240V HVDC”系统,市电直供支路无需配电柜及开关,同样对于“240V HVDC"系统,由于其输出配电部分已经包含在电源系统的输出熔丝柜内了,所以也不需要额外输出配电柜及输出开关等。

到最后的列头柜层面,基于同样总功率及单机柜功率密度来测算,2N的UPS和“市电+240V HVDC”两个方案在列头柜数量及配电开关数量方面可以认为基本一样,只是会在配电空开及线缆方面会有些差异,造价有所不同。直流空开比交流空开贵,因此配电空开造价市电+240V架构会贵一些。在线缆投资方面,UPS系统因为增加两套输出配电柜及线缆,以及手动维修旁路线缆等;而”240V HVDC“因为是单相供电,高压直流输出到列头柜的单相线缆成本会比2NUPS的三相传输线缆成本稍高些,但总功率一样,耗铜量差别不会很大。

我们定性认为“市电+240V HVDC”的线缆总投资不会超过2N UPS的线缆总投资。

从前面各级配电部分进行分拆对比,我们还会发现从传统UPS供电,到“240V HVDC”供电,再到市电直供技术,其配电结构层级是不断精简的,分别从四级配电精简到三级配电直至市电直供的两级配电。而且配电越来越靠近负载末端,从集中式系统逐步向分布式系统演进,还可以大大减少线缆投资及传输过程损耗,减少投资简化运营。

图3 两种供电架构配电结构层级

综上讨论,我们对比了供电能力均为360KW的2N UPS的配电架构和市电+240V HVDC的配电架构,得到如下的投资成本对比。结果表明市电+240V HVDC架构会比2N UPS架构节省较大投资,且占用了更少的机房面积。

图4 两种供电架构一次性投资成本对比

前面分析了很多一次性投资成本CAPEX及占地面积的比较。对于数据中心而言,更长的生命周期处于运营阶段,而运营成本构成中很大一块是电费,下面继续分析OPEX中的用电成本,对于360KW的系统,这里按320KW的实际负载来估算,分别比较2N UPS和市电+240V HVDC在8年生命周期内的总电费差异。

UPS系统的效率往往随着负载率的提升而增加,如果UPS系统长期处于轻载状态,那么运行的实测效率并没有达到宣称的最高效率点。对于2N UPS架构,每套UPS的负载率往往只有30%-40%之间,虽然选用了最高效率为94%的UPS,但实际的运行效率很可能只有90%左右。而对于“240V HVDC”系统,由于有电池直接挂接母线,那么高压直流系统是允许节能休眠的,监控会自动开启需要工作的电源模块数量,并使电源系统在任何负载情况下都可以工作在最高效率点附近,即高压直流可以在全负载范围内都达到94%以上效率,而市电直供支路基本是100%供电效率,因此市电+240V HVDC综合供电效率为97%。如图5:

图5 两种供电架构效率曲线对比

由于每千瓦IT都需要经过不间断电源系统供电,因此320KW的IT负荷经过90%效率的2N UPS架构每年浪费的电费(按每度电8毛RMB估算)高达22.43万元,而“市电+240V HVDC”只浪费6.73万元。此外,电力室内的不间断电源设备产生的热量需要额外的空调系统带走,还需考虑这部分空调能耗产生的电费,为简化分析按电力空调的散热能效COP为4估算。这样320KW的IT负荷在数据中心8年的生命周期内,仅仅计算不间断电源系统效率损耗及电力室空调能耗,2N UPS供电架构浪费电费224.32万,而“市电+240V HVDC”只浪费电费67.28万,节省了157万元的运营电费。

图6 8年内两种供电架构下浪费的电费对比

综上所述,在类似可靠性及输出能力的2N配置400KVA UPS和容量为360KW的“市电+240VHVDC”供电架构,在带320KW负载的模型下。市电+240V HVDC供电架构比传统的2N UPS架构减少投资44万(不含电池及配电线缆约节省投资40%),并节省6个配电柜(不含电池室约节省了57%的配电柜占用面积)。还在机房运营的8年生命周期内,节省运营电费157万。折算成TCO,仅仅在CAPEX及OPEX的电费部分就节省投资200万。

如果对于10万台服务器的一个大型数据中心,仅仅是采用了“市电+240V HVDC”技术在8年时间内就可以节省TCO高达1.2亿元,非常可观,包括带来的运维简化等,该技术很值得在业界推广使用。

(注:以上价格数据随具体项目和建设规模有较大变动范围,本文数据仅供大致参考,感谢理解!)

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原文发布于微信公众号 - 腾讯数据中心(Tencent_IDC)

原文发表时间:2016-01-22

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