在某種意義上，數(shù)據(jù)中心的空間即成本；電費(fèi)則是運(yùn)營時(shí)期成本的大頭。今天，我們將從設(shè)備占地空間+運(yùn)營期間的用電效率兩個(gè)角度，將“市電+HVDC”與傳統(tǒng)UPS供電架構(gòu)成本進(jìn)行對(duì)比。
圖1是“2N UPS”和“市電+240V HVDC”從低壓側(cè)到服務(wù)器的供電拓?fù)洹Ｄ壳皵?shù)據(jù)中心應(yīng)用最為廣泛的容量等級(jí)約為400KVA、UPS輸出功率因數(shù)典型值為0.8-0.9，折算成360KW，相當(dāng)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(gòu)做對(duì)比，兩者容量基本一樣，供電可靠性也基本處于一個(gè)等級(jí)，具備可比性。
由于變壓器及其輸入前級(jí)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(jí)配電路由來進(jìn)行對(duì)比，定量分析配電柜的造價(jià)成本及配電柜數(shù)量，后者會(huì)影響到機(jī)房空間占用面積及場(chǎng)地租金等成本。
圖1所示，對(duì)于400KVA的UPS，變壓器輸出側(cè)（變壓器輸出總開關(guān)沒畫出）給到UPS需要兩個(gè)800A左右的框架斷路器，一個(gè)給到主路，另外一個(gè)給旁路，占用整個(gè)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(dòng)維修旁路柜等，因此兩套UPS占用2個(gè)整低壓配電柜，每個(gè)低壓配電柜內(nèi)部包含2個(gè)800A的大框架斷路器。
而對(duì)于"市電+240V HVDC"供電架構(gòu)，市電直供支路直接由低壓母線排直聯(lián)的1個(gè)低壓配電柜直接輸出多路到各個(gè)列頭柜，比如該低壓配電柜內(nèi)有5個(gè)250A的抽屜式塑殼開關(guān)，輸出5路直接直聯(lián)到5個(gè)市電直供的列頭柜。而高壓直流系統(tǒng)只需要1個(gè)800A的框架斷路器，占用半個(gè)低壓配電柜，剩余1個(gè)800A框架開關(guān)預(yù)留給另外一套高壓直流系統(tǒng)用。此外，為考慮負(fù)載均衡等，兩套變壓器會(huì)交錯(cuò)同時(shí)各帶一半的市電直供負(fù)載和高壓直流系統(tǒng)負(fù)載。
綜上，在低壓側(cè)，2N的UPS系統(tǒng)只需要2個(gè)整低壓配電柜，共4個(gè)800A的框架斷路器；而市電+240V HVDC系統(tǒng)在低壓配電部分會(huì)占用半個(gè)低壓配電柜，計(jì)1個(gè)800A框架斷路器，以及1整個(gè)低壓配電柜，帶5個(gè)250A的塑殼斷路器。
對(duì)于不間斷電源系統(tǒng)，考慮同樣大小的負(fù)載及同樣15到30分鐘時(shí)長(zhǎng)的后備電池時(shí)間，理論上電池的安時(shí)數(shù)應(yīng)該是基本一樣的，同樣電池占用場(chǎng)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(huì)很大取典型值，對(duì)于400KVA的UPS通常都有1個(gè)輸入配電柜、2個(gè)主機(jī)柜及1個(gè)主輸出開關(guān)共4面柜子，對(duì)于1200A的“240V HVDC”也類似有1個(gè)輸入配電柜、2個(gè)整流柜及1個(gè)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(jī)柜數(shù)量及占地面積兩者差異不大，各占用了4個(gè)不間斷電源系統(tǒng)柜。但這個(gè)配電層，市電直供支路無需任何開關(guān)及配電柜。
因此，對(duì)于2N的UPS架構(gòu)占用了8個(gè)機(jī)柜位，而市電+240V HVDC架構(gòu)只占用4個(gè)機(jī)柜位。
對(duì)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(gè)800A或者630A的框架斷路器，以及5個(gè)左右的250A抽屜柜到每個(gè)列頭，所以每套UPS的輸出配電柜部分會(huì)占用2個(gè)配電柜位，計(jì)1個(gè)800A的框架斷路器及5個(gè)250A的塑殼斷路器。
兩套2N的UPS系統(tǒng)共需要4個(gè)配電柜位、2個(gè)800A框架斷路器及10個(gè)250A的塑殼斷路器。而對(duì)于“市電+240V HVDC”系統(tǒng)，市電直供支路無需配電柜及開關(guān)，同樣對(duì)于“240V HVDC"系統(tǒng)，由于其輸出配電部分已經(jīng)包含在電源系統(tǒng)的輸出熔絲柜內(nèi)了，所以也不需要額外輸出配電柜及輸出開關(guān)等。
到最后的列頭柜層面，基于同樣總功率及單機(jī)柜功率密度來測(cè)算，2N的UPS和“市電+240V HVDC”兩個(gè)方案在列頭柜數(shù)量及配電開關(guān)數(shù)量方面可以認(rèn)為基本一樣，只是會(huì)在配電空開及線纜方面會(huì)有些差異，造價(jià)有所不同。直流空開比交流空開貴，因此配電空開造價(jià)市電+240V架構(gòu)會(huì)貴一些。在線纜投資方面，UPS系統(tǒng) 因?yàn)樵黾觾商纵敵雠潆姽窦熬�纜，以及手動(dòng)維修旁路線纜等；而”240V HVDC“因?yàn)槭菃蜗喙╇�，高壓直流輸出到列頭柜的單相線纜成本會(huì)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(huì)很大。
我們定性認(rèn)為“市電+240V HVDC”的線纜總投資不會(huì)超過2N UPS的線纜總投資。
從前面各級(jí)配電部分進(jìn)行分拆對(duì)比，我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)從傳統(tǒng)UPS供電，到“240V HVDC”供電，再到市電直供技術(shù)，其配電結(jié)構(gòu)層級(jí)是不斷精簡(jiǎn)的，分別從四級(jí)配電精簡(jiǎn)到三級(jí)配電直至市電直供的兩級(jí)配電。而且配電越來越靠近負(fù)載末端，從集中式系統(tǒng)逐步向分布式系統(tǒng)演進(jìn)，還可以大大減少線纜投資及傳輸過程損耗，減少投資簡(jiǎn)化運(yùn)營。
配電結(jié)構(gòu)層級(jí)綜上討論，我們對(duì)比了供電能力均為360KW的2N UPS的配電架構(gòu)和市電+240V HVDC的配電架構(gòu)，得到如下的投資成本對(duì)比。結(jié)果表明市電+240V HVDC架構(gòu)會(huì)比2N UPS架構(gòu)節(jié)省較大投資，且占用了更少的機(jī)房面積。
前面分析了很多一次性投資成本CAPEX及占地面積的比較。對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，更長(zhǎng)的生命周期處于運(yùn)營階段，而運(yùn)營成本構(gòu)成中很大一塊是電費(fèi)，下面繼續(xù)分析OPEX中的用電成本，對(duì)于360KW的系統(tǒng)，這里按320KW的實(shí)際負(fù)載來估算，分別比較2N UPS和市電+240V HVDC在8年生命周期內(nèi)的總電費(fèi)差異。
UPS系統(tǒng)的效率往往隨著負(fù)載率的提升而增加，如果UPS系統(tǒng)長(zhǎng)期處于輕載狀態(tài)，那么運(yùn)行的實(shí)測(cè)效率并沒有達(dá)到宣稱的最高效率點(diǎn)。對(duì)于2N UPS架構(gòu)，每套UPS的負(fù)載率往往只有30%-40%之間，雖然選用了最高效率為94%的UPS，但實(shí)際的運(yùn)行效率很可能只有90%左右。而對(duì)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(huì)自動(dòng)開啟需要工作的電源模塊數(shù)量，并使電源系統(tǒng)在任何負(fù)載情況下都可以工作在最高效率點(diǎn)附近，即高壓直流可以在全負(fù)載范圍內(nèi)都達(dá)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：
由于每千瓦IT都需要經(jīng)過不間斷電源系統(tǒng)供電，因此320KW的IT負(fù)荷經(jīng)過90%效率的2N UPS架構(gòu)每年浪費(fèi)的電費(fèi)（按每度電8毛RMB估算）高達(dá)22.43萬元，而“市電+240V HVDC”只浪費(fèi)6.73萬元。此外，電力室內(nèi)的不間斷電源設(shè)備產(chǎn)生的熱量需要額外的空調(diào)系統(tǒng)帶走，還需考慮這部分空調(diào)能耗產(chǎn)生的電費(fèi)，為簡(jiǎn)化分析按電力空調(diào)的散熱能效COP為4估算。這樣320KW的IT負(fù)荷在數(shù)據(jù)中心8年的生命周期內(nèi)，僅僅計(jì)算不間斷電源系統(tǒng)效率損耗及電力室空調(diào)能耗，2N UPS供電架構(gòu)浪費(fèi)電費(fèi)224.32萬，而“市電+240V HVDC”只浪費(fèi)電費(fèi)67.28萬，節(jié)省了157萬元的運(yùn)營電費(fèi)。
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(gòu)，在帶320KW負(fù)載的模型下。市電+240V HVDC供電架構(gòu)比傳統(tǒng)的2N UPS架構(gòu)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(gè)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(jī)房運(yùn)營的8年生命周期內(nèi)，節(jié)省運(yùn)營電費(fèi)157萬。折算成TCO，僅僅在CAPEX及OPEX的電費(fèi)部分就節(jié)省投資200萬。
如果對(duì)于10萬臺(tái)服務(wù)器的一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心，僅僅是采用了“市電+240V HVDC”技術(shù)在8年時(shí)間內(nèi)就可以節(jié)省TCO高達(dá)1.2億元，非�？捎^，包括帶來的運(yùn)維簡(jiǎn)化等，該技術(shù)很值得在業(yè)界推廣使用。
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占地空間(1)用電效率(1)市電+HVDC(1)2N UPS(1)
