多電壓等級直流供電在模塊化數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

莊 嶺，李葉飛，楊 斌，鄭海雁，杜先波

（1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京 211106；2. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 210000）

0 引言

數(shù)據(jù)中心承擔(dān)著實(shí)現(xiàn)電力調(diào)配以及數(shù)據(jù)共享等關(guān)鍵任務(wù)［1］，在探索“多站融合”新模式、優(yōu)化綜合能源服務(wù)、構(gòu)建能源網(wǎng)絡(luò)中起著不可替代的作用。為了應(yīng)對新時(shí)代節(jié)能環(huán)保的要求，亟需對數(shù)據(jù)中心的供電架構(gòu)展開進(jìn)一步優(yōu)化探索。目前數(shù)據(jù)中心的供電架構(gòu)主要分為電網(wǎng)直供系統(tǒng)、交流不間斷電源（uninterruptible power supply，UPS）供電系統(tǒng)以及直流供電系統(tǒng)［2—3］，以往的研究主要對直流、交流供電模式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析［4—6］，但針對直流供電模式的具體電壓等級并未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前中國國內(nèi)通信行業(yè)直流供電模式的電壓等級主要分為240 V與48 V 2種。48 V直流配電架構(gòu)已在電信行業(yè)進(jìn)行應(yīng)用［7］，國際上諸如谷歌、Facebook等也采用該類數(shù)據(jù)中心［8］。240 V 高壓直流供電系列，在騰訊、阿里巴巴等公司的數(shù)據(jù)中心中得到了廣泛應(yīng)用，中國通常采用240 V作為高壓直流數(shù)據(jù)中心通用標(biāo)準(zhǔn)。目前針對240 V和48 V電壓等級的研究多為試點(diǎn)性的建設(shè)與探索，尚未形成明確的綜合性對比。

本文從線損［9—10］、負(fù)荷需求、可靠性［11］、升級潛力［12］、成本等方面對3 種數(shù)據(jù)中心直流架構(gòu)進(jìn)行評估，首先介紹了對目前數(shù)據(jù)中心典型直流系統(tǒng)架構(gòu)，并且基于目前多站融合的架構(gòu)提出了一種混合供電架構(gòu)；繼而從優(yōu)質(zhì)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面提出直流架構(gòu)評估方法；最后，從線損、負(fù)荷需求、可靠性、升級潛力、成本等多個(gè)方面對3種供電模式進(jìn)行了對比和分析，并對3種架構(gòu)進(jìn)行層次分析和綜合分析。

1 直流系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)中心典型直流系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心的電力消耗設(shè)備主要有空調(diào)設(shè)備、照明設(shè)備、消防設(shè)備以及信息技術(shù)（information technology，IT）設(shè)備。伴隨著數(shù)據(jù)中心的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心機(jī)柜密度迅速提高［13］，亟需優(yōu)化供電結(jié)構(gòu)［14］，提高能效。

模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化是當(dāng)前數(shù)據(jù)中心發(fā)展的重要趨勢。標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級對數(shù)據(jù)中心的前期建設(shè)、使用期維修、后期擴(kuò)容有著顯著意義。直流系統(tǒng)典型架構(gòu)如圖1所示，一般直流系統(tǒng)存在多回路冗余架構(gòu)。直流系統(tǒng)前端接入交流電，油機(jī)電作為備用。交流電經(jīng)過變壓模塊，利用變壓器將高壓或特高壓輸入交流電轉(zhuǎn)換為低壓送入整流模塊，利用整流模塊實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換、功率因數(shù)校正、濾波、隔離等功能。最后一級為服務(wù)器模塊，服務(wù)器主板的服務(wù)器電源裝置（power supply unit，PSU），負(fù)責(zé)將送入的直流電變換成12 V等電壓等級的直流電，給服務(wù)器主板供電。48 V直流系統(tǒng)架構(gòu)與240 V總體相似，差異在于整流后電壓等級差異。

圖1 直流供電架構(gòu)Fig.1 DC power supply framework

1.2 數(shù)據(jù)中心直流供電混合架構(gòu)

隨著多站融合、直流微網(wǎng)［15］等新技術(shù)的研究與實(shí)踐，數(shù)據(jù)中心逐漸參與到備用、柔性響應(yīng)等電力調(diào)控業(yè)務(wù)［16—17］。240 V 數(shù)據(jù)中心可通過一級直流變換完成對直流微網(wǎng)的接入，48 V則需多級變換完成。

240 V 近服務(wù)器側(cè)的高電壓對絕緣、電磁屏蔽、運(yùn)維等有更高的要求，48 V 方案廣泛用于IT 設(shè)施側(cè)。結(jié)合高壓和低壓配電的優(yōu)勢，本文提出一種混合配電架構(gòu)，將240 V作為中間級電壓，基礎(chǔ)設(shè)施側(cè)運(yùn)用240 V配電，在服務(wù)器側(cè)前端將240 V直流電轉(zhuǎn)換成48 V直流，如圖2所示。該混合架構(gòu)與傳統(tǒng)直流48 V的架構(gòu)的區(qū)別在于，基礎(chǔ)設(shè)施采用電壓等級不同，混合架構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施側(cè)采取240 V全直流配電，例如空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等。該混合架構(gòu)與傳統(tǒng)240 V直流架構(gòu)的區(qū)別在于，混合架構(gòu)服務(wù)器側(cè)采用48 V接入而非240 V直接接入。

圖2 多電壓等級融合體系架構(gòu)Fig.2 Multi-voltage level fusion framework

2 直流架構(gòu)評估方法

從優(yōu)質(zhì)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性3個(gè)維度進(jìn)行240 V、48 V以及混合架構(gòu)的綜合對比。其中優(yōu)質(zhì)性的指標(biāo)集主要反映系統(tǒng)潛力，由線損、負(fù)荷需求、效率、升級潛力組成；可靠性指標(biāo)集主要反映系統(tǒng)的可靠性，由儲能系統(tǒng)可靠性、其他元件的可用性組成；經(jīng)濟(jì)性主要反映成本，由線纜成本、建設(shè)成本、維護(hù)成本組成，如圖3所示。

圖3 直流架構(gòu)評估體系Fig.3 Evaluation system of DC framework

2.1 優(yōu)質(zhì)性

2.1.1 線損

服務(wù)器機(jī)柜密度增大帶來的功率提升，對數(shù)據(jù)中心供電環(huán)節(jié)能量承擔(dān)能力提出了更高要求。本節(jié)從線路損耗的角度對240 V與48 V的供電效率進(jìn)行研究。

線路允許功率的計(jì)算公式如下

式中:P為功率；ΔV為允許的壓降；E為供電電壓；r為每個(gè)線纜單位長度的電阻；l為線路長度。

直流線路損耗由式（2）給出［18］

式中:PDCloss為直流電纜的有功損耗；為電纜的末端輸送功率；J為電流密度，A/mm2；l為線路長度；UDC為直流線電壓。

2.1.2 負(fù)荷需求

負(fù)荷需求的量化方法主要從安全（Z1）、絕緣水平（Z2）、電磁抗干擾能力（Z3）、以及斷路器的帶載切斷能力（Z4）等方面綜合考慮。具體分?jǐn)?shù)由對比得出最終得分經(jīng)過標(biāo)幺化處理，得到的最終指標(biāo)為

式中:λ為指標(biāo)優(yōu)勢權(quán)重；Zj為得分；Z為基準(zhǔn)值。

2.1.3 升級潛力

升級潛力量化主要從設(shè)備制造水平（Z1）、接入潛力（Z2）、市場成熟度（Z3）等方面綜合考慮。

2.2 可靠性

2.2.1 儲能系統(tǒng)

（1）連接方式

直流系統(tǒng)可靠性主要受器件的連接方式、系統(tǒng)元件的可用率，以及設(shè)備的壽命損耗率。從圖1、圖2 可知，幾種直流供電架構(gòu)連接方式的差異集中在儲能側(cè)，顯著影響系統(tǒng)可靠性水平，計(jì)算公式為

式中:R為系統(tǒng)可靠性水平；r為單個(gè)元器件的可靠性指標(biāo)；x為并聯(lián)組數(shù)；y為串聯(lián)個(gè)數(shù)。

（2）壽命

儲能設(shè)備的壽命損耗率反映儲能設(shè)備的使用情況，計(jì)算公式為

式中:Ni為第i次充放電時(shí)折算到滿充放下的最大循環(huán)次數(shù)；N0為滿充放下的最大循環(huán)次數(shù)；Nt為已完成充放電次數(shù)。

2.2.2 元件可用性

供電架構(gòu)的可靠性評估也包括了電氣元件可靠性分析，直流架構(gòu)中元件的可用率計(jì)算公式

式中:MTBF為設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間；MTTR為設(shè)備故障時(shí)間。

2.3 經(jīng)濟(jì)性

2.3.1 線纜鋪設(shè)成本

線纜價(jià)格計(jì)算公式如下

式中:ρ為銅的密度；s為線纜尺寸；l為鋪設(shè)長度；CCu為單位重量銅的價(jià)格；CP為鎧裝材料的價(jià)格；COT為其他價(jià)格，例如:人工費(fèi)。

2.3.2 建設(shè)成本

建設(shè)成本為各設(shè)備造價(jià)之和，即

式中:Kcon,i為各設(shè)備造價(jià)；n為設(shè)備總數(shù)。

2.3.3 維護(hù)成本

維護(hù)成本主要考慮運(yùn)行維護(hù)時(shí)產(chǎn)生的各項(xiàng)費(fèi)用，包括水電、人工、網(wǎng)絡(luò)通信、管理、保險(xiǎn)、維修等，一般是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)所得。

3 直流架構(gòu)評估分析

為驗(yàn)證本文所提混合架構(gòu)的有效性，基于所提的直流架構(gòu)評估方法，搭建仿真模型，在仿真系統(tǒng)上從優(yōu)質(zhì)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面對3 種架構(gòu)的性能進(jìn)行對比分析。

3.1 優(yōu)質(zhì)性分析

3.1.1 線損分析

假設(shè)所允許的傳輸功率損失為2%，如圖4 所示，在相同的功率損失限制下，相同傳輸距離下240 V 所需線纜半徑約為48 V的1/10，240 V在能量傳輸效率上明顯優(yōu)于48 V。

圖4 相同傳輸容量下不同電壓等級線纜耗材對比Fig.4 Comparison of cable consumables of different voltage grades under the same transmission capacity

假定負(fù)載為50 kW，傳輸距離為50 m，2 種電壓等級所需導(dǎo)線尺寸（理論計(jì)算情形）如表1所示。

表1 不同電壓等級下的導(dǎo)線所需尺寸Table 1 Required cable dimensions of different voltage levels

設(shè)定混合架構(gòu)的240 V-48 V DC-DC 變換器在服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)部，由此得到單條線路損耗比值如表2所示，240 V的線路損耗最小，混合架構(gòu)其次，48 V線路損耗最大。隨著線纜條數(shù)增多，輸出功率的增加，不同架構(gòu)的線路損耗差異會成倍增加，損耗的差異會更加明顯。

表2 單條線路損耗比值Table 2 Single line loss ratio

3.1.2 負(fù)荷需求分析

假定負(fù)荷需求中，混合系統(tǒng)架構(gòu)服務(wù)器設(shè)備側(cè)電磁抗干擾能力與48 V一致，而在服務(wù)器前端的斷路器的帶載切斷能力與240 V 架構(gòu)一致，得到的最終指標(biāo)如表3 所示，其中直流48 V 架構(gòu)的負(fù)荷需求指標(biāo)值最高，混合架構(gòu)其次，240 V架構(gòu)最低。

表3 負(fù)荷需求指標(biāo)Table 3 Load demand indicator

3.1.3 升級潛力分析

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)，數(shù)據(jù)中心逐漸呈現(xiàn)出迎合廣泛、靈活接入與調(diào)控的負(fù)荷發(fā)展需求。240 V與交流電壓220 V 電壓等級類似，兩者的多數(shù)供電設(shè)備經(jīng)過稍加改造即可通用，在數(shù)據(jù)中心布局、運(yùn)維、人員培訓(xùn)等方面都有著可轉(zhuǎn)移借鑒的潛力。此外，風(fēng)能、太陽能等可再生能源的電壓等級多為750 V或480 V，240 V可直接通過增加中性點(diǎn)等方式直接接入相應(yīng)系統(tǒng)，節(jié)省大量的變換環(huán)節(jié)。

48 V已形成完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，在服務(wù)器電源模塊已研發(fā)出無需前級PSU，48 V直流電直接送入中央處理器（central processing unit，CPU）的電源架構(gòu)，將48 V直流電轉(zhuǎn)換成CPU需求的直流電，減少供電環(huán)節(jié)損耗。

考慮到電壓降、電纜的允許電流、功耗、供電距離，240 V 系統(tǒng)適用于除信息通信技術(shù)（information and communication，ICT）以外的行業(yè)，圖5 列出了功耗距離的關(guān)系，240 V 系統(tǒng)應(yīng)用行業(yè)相較于48 V 系統(tǒng)更廣泛，48 V直流系統(tǒng)在低功耗系統(tǒng)也有其獨(dú)特優(yōu)勢，混合架構(gòu)囊括了這些優(yōu)勢。

圖5 升級潛力對比Fig.5 Comparison of upgrade potential

3.2 可靠性分析

3.2.1 儲能側(cè)可靠性分析

目前大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的主流儲能系統(tǒng)以多路鉛酸蓄電池冗余配置為主。假設(shè)單個(gè)鉛酸蓄電池的電壓等級為2 V，不考慮電池的浮充和放電，理想情況下，48 V 直流配電系統(tǒng)需串聯(lián)24 個(gè)鉛酸蓄電池，240 V 需要串聯(lián)120 個(gè)。假設(shè)單個(gè)2 V 的鉛酸蓄電池單元的可靠性r=0.99，為達(dá)到可靠性99.999%要求，需要48 V 直流配電系統(tǒng)并聯(lián)8 組，240 V 并聯(lián)33組。240 V直流系統(tǒng)需要更多的蓄電池來達(dá)到規(guī)定的可靠性水平。240 V直流電池系統(tǒng)的儲能系統(tǒng)建設(shè)成本、壽命損耗、復(fù)雜度以及維護(hù)困難度都高于48 V直流配電系統(tǒng)。

3.2.2 元件可用性分析

根據(jù)直流架構(gòu)中元件串并聯(lián)關(guān)系如圖6所示，相較于典型直流架構(gòu)，混合架構(gòu)增設(shè)了240 V-48 V 直流變換器。根據(jù)表4可計(jì)算出元件可用性［19］。

圖6 供電架構(gòu)元件組成Fig.6 Components of power supply framework

表4 單體設(shè)備或元件的可靠性參數(shù)Table 4 Reliability parameters of singular equipment or component h

考慮到240 V和混合架構(gòu)中的直流斷路器的設(shè)備制造水平，假設(shè)240 V 架構(gòu)以及混合架構(gòu)的可靠性下降0.01%，得到結(jié)果如表5所示，48 V 元件可用性最高，240 V架構(gòu)其次，混合架構(gòu)最低。

表5 元件可用性Table 5 Component availability

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

假定數(shù)據(jù)中心容量為200 kW，供電系統(tǒng)主體由一架交流配電屏，一架直流分配屏，2架直流變換設(shè)備，2 架直流列頭柜，16 架服務(wù)器機(jī)柜組成，混合架構(gòu)需增設(shè)240 V-48 V直流變換器。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，以及表6 中直流架構(gòu)產(chǎn)品費(fèi)用估算，考慮產(chǎn)品的容量、市場成熟度以及定制化需求，計(jì)算時(shí)將各直流架構(gòu)設(shè)備費(fèi)用增加或降低一定的百分比。

表6 直流供電架構(gòu)費(fèi)用估算表Table 6 Cost estimate of DC power supply framework

計(jì)算成本如圖7 所示，只考慮直流供電系統(tǒng)主體，從建設(shè)成本來看，240 V直流架構(gòu)偏高，48 V直流架構(gòu)較低，混合架構(gòu)居中；從線纜成本上來看，48 V直流架構(gòu)較高，240 V直流架構(gòu)和混合架構(gòu)偏低；從維護(hù)成本來看，混合架構(gòu)成本較高，48 V成本較低，而240 V架構(gòu)成本居中。

圖7 3種供電架構(gòu)成本對比Fig.7 Cost comparison of three power supply frameworks

3.4 直流架構(gòu)綜合性能分析

根據(jù)表7中各直流架構(gòu)的指標(biāo)值，應(yīng)用環(huán)比分析（decision alternative ratia evaluation system，DARE）［20］綜合評價(jià)方法計(jì)算各架構(gòu)層次評價(jià)結(jié)果及綜合評價(jià)結(jié)果，DARE 法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將相鄰指標(biāo)綜合對比得出重要性暫定系數(shù)，接著進(jìn)行重要性修正，將最后一個(gè)修正系數(shù)定為1，進(jìn)行歸一化處理，算出指標(biāo)權(quán)重。歸一化方程為

基于直流架構(gòu)的評估結(jié)果差異程度各直流架構(gòu)進(jìn)行打分，滿分為10 分。3 種架構(gòu)的評估結(jié)果如表7和圖8所示。

由于直流系統(tǒng)的相似性，3 種架構(gòu)最后評估得到的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)并沒有較大差異。

（1）混合架構(gòu)綜合性能評價(jià)最優(yōu)，其優(yōu)質(zhì)性高于48 V供電架構(gòu)，可靠性高于240 V供電架構(gòu)，在保證可靠性的同時(shí)也擁有較為出色的升級潛力及供電質(zhì)量。

表7 3種供電架構(gòu)優(yōu)勢對比Table 7 Comparison of the advantages of three power supply frameworks

圖8 3種供電架構(gòu)評估結(jié)果Fig.8 Evaluation results of three power supply frameworks

（2）240 V 的綜合性能排名居中，其優(yōu)質(zhì)性評分最高，240 V 系統(tǒng)更加高效、升級潛力更優(yōu)，但240 V直流供電架構(gòu)的可靠性表現(xiàn)最差。

（3）48 V 綜合性能排名最低，但其可靠性方面最具有優(yōu)勢，后期也更好維護(hù)，升級潛力較差。

4 結(jié)束語

本文從線損、負(fù)荷需求、可靠性、升級潛力、成本等方面對3種數(shù)據(jù)中心直流架構(gòu)進(jìn)行評估:

（1）240 V 直流架構(gòu)優(yōu)質(zhì)性指標(biāo)值最高，潛力最大，240 V 可作為基礎(chǔ)側(cè)電壓，擁有線路損耗小、傳輸功率高等優(yōu)點(diǎn)。有利于與分布式能源、儲能站等直流對象對接，促進(jìn)資源深度融合共享。

（2）48 V 直流架構(gòu)的可靠性指標(biāo)值最高，可作為通信設(shè)備側(cè)電壓，擁有對通信設(shè)備干擾小、可靠性高、安全性好等優(yōu)勢。將48 V作為配電側(cè)集中電壓有利于減少電能變換器數(shù)量，節(jié)省空間及成本。

（3）240 V輸電與48 V配電結(jié)合的混合直流供電架構(gòu)綜合性能最優(yōu)，保證可靠性的同時(shí)也擁有較為出色的升級潛力。

本文研究對建立規(guī)范化數(shù)據(jù)中心電壓標(biāo)準(zhǔn)、促進(jìn)直流相關(guān)產(chǎn)品商業(yè)化與成熟化有一定參考價(jià)值。