市电+高压直流和传统UPS供电架构对比浅析

2014-04-30 |  作者:腾讯计算机系统IDC平台部 李典林 朱华 |  来源:cnw.com.cn |  查看原文

摘要截止目前,在电信运营商和一些大型互联网公司的数据中心内,已经有数以十万计的IT设备跑在240V高压直流环境下可靠运行几年了,并且表现出很好的可靠性及节能效果。

IT设备采用240V高压直流供电,我国已经从实验室测试到进了信息行业应用5年多了。截止目前,在电信运营商和一些大型互联网公司的数据中心内,已经有数以十万计的IT设备跑在240V高压直流环境下可靠运行几年了,并且表现出很好的可靠性及节能效果。目前240V高压直流技术的可行性已经得到较好验证,相应的理论分析和实践经验也在不断研究和总结中,240V直流供电技术已经成为行业热点,并在不断改变传统数据中心供电以UPS为主的格局,也以远超380V高压直流技术的应用规模,正逐步流行中国并走向国际。

240V高压直流技术衍生于传统220V电力操作电源,并吸收了48V通信电源的各种优点,和传统的UPS技术相比起来,主要的优点表现在下面几点:1、源于最新开关电源技术,采用功率MOS高频软开关技术的240V高压直流可高达96%以上效率,比采用晶闸管的传统UPS效率更高,体积更小;2、电池直接挂在输出母线上,可靠性更高,且可在线扩容、不掉电割接等;3、拓扑简单,可靠性高;4、模块化设计,按需配置、边成长边投资;5、模块热插拔维护,像更换硬盘一样更换故障模块,运维可以不用依赖于厂家的服务。6、节能休眠技术可以大大提升轻载下的系统效率,减少机房初期的运行能耗;7、高压直流的输入功率因数高、谐波小,且输出负载率可以比UPS高,可降低柴发容量等; 8、高压直流比传统UPS要更安全,因为输出浮地,即便误碰到单极母排电压,触电电压也只有135V,比交流要低近1倍,且交流220Vac的正弦波峰值电压高达314V,也高于高压直流270V的电压。9、相比较目前的高频模块化UPS技术,240V高压直流的技术成熟度、模块可靠性及并机简单、热插拔维护等方面也有很大的优势。10、最后,最重要的一点是,和380V高压直流等其他电压等级的直流技术相比, 240V高压直流可以直接使用在绝大多数的标准交流设备上,IT设备不用定制电源及设备改造,更容易推广,也更为容易被接受。

前面我们介绍了很多240V高压直流技术的优点,如果只是采用240V直流系统来给数据中心来供电,那这还只是标准用法。目前业界以腾讯为首等互联网公司提出的基于240V高压直流技术衍生出来的市电+240V高压直流供电架构,正进一步改变传统UPS等靠硬件多重冗余来保障可靠性的高投入低能效模式。

对于目前大多数的双电源服务器,可以采用如上图所示的采用一路市电直供,另外一路来自240V高压直流的供电架构。服务器电源内部自动均流,市电和240V高压直流各承担一半负载。由于市电直供支路可以达到近100%的供电效率,而240V高压直流供电效率可以在全负载范围内为94%-96%,这样均分负载情况下的综合供电效率高达97%-98%,比传统的UPS供电架构效率高出很多。对于少量的单电源服务器,为保障其供电可靠性,可以直接挂接在240V高压直流支路上。最后,如果能在服务器电源上做些主从设置,或者目前部分厂家的服务器具备支持休眠一个电源的功能,那么这种主从模式下,市电主供、高压直流系统休眠后备,综合供电效率更是高达99%,实现数据中心供电系统的超高效率。

前面介绍了很多240V高压直流系统的优点,以及市电+240V高压直流240V高压直流供电架构的高效率,甚至提出未来市电主供高压直流后备的思路,但这些是否以牺牲数据中心的可靠性为代价呢?下面部分我们重点来分析该供电架构的可靠性研究。

240V高压直流区别于传统交流UPS的一个重要特点是将电池直接挂接在了直流输出上,而UPS的电池是在交流逆变环节之前。对于前者,如果高压直流系统出现了异常或者供电能力不够,还可以依赖电池保证持续供电;但对于后者,如果UPS的逆变环节出现故障,或者UPS设备异常转到静态旁路上,那么电池是无法提供持续供电的。这也是市电+240V高压直流技术相比较传统N+1的UPS可靠性更高的原因,相当于有了市电直供(来自第一路市电)、240V高压直流(来自第二路市电)以及电池(短时备电)三个供电源的同时保护,因此供电可靠性会很高。

我们知道240V高压直流系统内部是以模块化的方式组成的,由颗粒度较细的N+1或者N+X(X为冗余电源模块的数量)的多个电源模块并机构成,相比较模块化高频UPS架构,直流模块的并机只涉及模块均流,只需调压,非常简单;而交流UPS模块的并机需要幅度、频率和相位一致才能可靠并机,因此240V高压直流模块可以很安全的去热插拔增加或者更换故障模块。且由于电池直接挂接在240V高压直流输出母线上,那么就给整流模块提供了一个非常可靠的节能休眠条件,电源系统可以根据实际负载的情况自动开启需要的模块数量,而关闭其他冗余的整流模块,实现全负载范围内94%以上的高效率,这对于机房初期负载率不高情况下有非常明显的节能效果,相当于市电+240V高压直流供电架构在机房的投产初期就可以实现综合效率97%以上,这比传统UPS方案在低负载率下的供电效率提升了很多。如果节能休眠期间,出现负载的波动和冲击,直挂输出母线的电池可以提供一个很好的缓冲或者吸收作用,电源系统再唤醒休眠模块,保证了供电的可靠性和高效性。因此在市电主供直流后备模式下,高压直流系统不承担负载基本可以完全休眠,采用高效率模块只需消耗很少的能耗,综合供电效率可以达到99%以上,且可靠性仍有很好保障。

上一部份我们做了一些市电+高压直流供电架构可靠性的定性分析,得出接近三个供电源保障的市电+240V高压直流系统(N+X模块并机)要比N+1架构的UPS可靠性要高,那么是否可以接近2N UPS的供电可靠性呢?我们下面再继续定量分析。上图为传统UPS和高压直流供电拓扑结构的对比,明显后者要更为简单且更为清爽,相对出现故障的概率要小。参照上图的系统可靠性数据(仅是理论数据用于推算,不代表真实可靠性数据),结果如下:

2N UPS可靠性:1-(1-0.99999)*(1-0.99999) 约10个9数量级

市电直供+高压直流可靠性:1-(1-0.999)*(1-0.9999999) 约10个9数量级

这里市电直供支路的可靠性按99.9%来计算(目前绝大多数数据中心所在的国内一线、二线城市电网的可靠性数据都高于此值),得到的结论是市电直供+240V高压直流架构的可靠性和2N UPS架构的可靠性差别不大,基本是一个数量级,因此可靠性是很有保障的。

下面我们继续分析在类似可靠性等级基础上的两种供电架构在数据中心机房配电及占地面积等方面的比较,下图是2N UPS和市电+240V高压直流从低压侧到服务器的供电拓扑。再选取目前数据中心应用最为广泛的400KVA这一容量等级来比较,考虑目前UPS输出功率因数为0.8-0.9的典型值,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以一个等级,具备可比性。

由于变压器及及其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。

如上图,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。

对于不间断电源系统(+微信关注networkworldweixin),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高压直流也类似有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。因此,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高压直流系统,市电直供支路无需配电柜及开关,同样对于240V高压直流系统,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 高压直流供电,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,这个变化会带来很大的投资减少及运营简化,也是未来数据中心发展的趋势,这里不再展开。

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。

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,更长的生命周期会在运营阶段,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。

我们知道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高压直流系统,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%。 如下图比较(效率数据只是示意):

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。

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。

相关文章