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数据中央高压直流体系的设计及实践
  • 近几年采纳高压直流体系供电的数据中央接踵大批建成及投产,同时相干的行业模范尺度也持续出台。高压直流供电体系已被行业普遍接受和推崇,在数据中央领域已进入高速睁开的阶段。本文结合工程实际,阐发了高压直流供电体系在大型互联网数据中央的工程实践中的优势,盼望可以或许或许为工程打造职员供给参考。

    传统数据中央行业不停采纳UPS体系供电或低压直流体系(48V)供电。跟着互联网数据中央业务的中疾速睁开,传统的UPS供电情势在很多导应用中赓续暴露其约的缺点,如:
      
      ①体系效力较低;
      
      ②体系机动性和可扩大性不高;
      
     、体系复杂、靠得住性较差;
      
     ④体系掩护难度大。
      
      为了提高运行效力及可掩护性、提高体系支配的机动性、低落本钱以应付高速增长的海量数据中央效劳器规模,咱咱咱们大部分项目均采纳了高压直流(240VDC)供电体系向IT设备供电。在项目导中,高压直流体系对模块化数据中央的架构匹配更是显著优于曩昔的UPS体系。
      
      1 数据中央电源体系计划
      
      传统换籙PS体系由整流器、逆变器、蓄电池和静态开关等构成。在市电正常时,市电换电经整流器变换为直流电供给逆变器,同时给蓄电池充电,逆变器将直流电变换为50Hz换电供给负载。在市电异常时,蓄电池放出电能,颠末过程逆变器变换为换电,供给负载。
      
      高压直流体系(HVDC)重要由换配电单位、整流模块、蓄电池、直流配电单位、电池办理单位、绝导测单位及监控模块构成。在市电正常时,整流模块将换配电单位输入的380V换蛔换成240V高压直流,高压直流经直流配电单位给通讯设备供电,同时也给蓄电池充电。在市电异常时,由蓄电池给通讯设备供电,其原理图如图1所示。
      
      在早期数据中央的项目中,多采纳换籙PS的供电计划。但是,逐渐地在设计和大批数据中央经营过程中,咱咱咱们发现采纳换籙PS供电存在较多的成就,如:
      
      ①体系工作效力较低。采纳AC/DC整流、DC/AC逆变的双变换,从UPS输入到通讯设备的电力变换次数多,每次变换都有能量损耗,低落了体系供电效力;
      
      ②体系稳固性不高。分歧于HVDC电池直挂输入母线,因为UPS输入的是换电,其蓄电池不能间接供电给负载,必需颠末过程逆变模块变成换电输入。所以如果逆变模块出现故障,即使此时蓄电池正常,也无法供电负载;
      
     、并机复杂和负载式低。为了提高可用度,一样平常UPS采纳“N+1”并联冗余或“2N”或2“N+1”架构。而因为并机复杂,正常环境下只要2~3台并机。假设N=1,导上每台UPS的最大负载率为:2N体系为50%,2“N+1”体系为25%。而导负载率为:2N体系为30%~50%,2“N+1”体系为15%~25%。在如斯低的负载率下,UPS的体系效力将会进一步下降(模块化UPS可以或许采纳节能休眠技术,来提高低负载率下的效力);
      
     ④可掩护性较差。换籙PS并机体系比较复杂,如果出现故障,往往必要厂家的掩护职员停共纵,不间断割接艰难。而高压直流体系布局简略,掩护工作容易睁开,高压直流模块支撑带电热插拔,可疾速更换。
      
      从本钱和靠得住性的优化角度,高压直流体系应运而生。1999年,21届INTELEC99(哥本哈根)集会,法国电信初次提出了高压直流概念。2007年,国内江苏电信开端试点240V(工作电压204~288V)高压直流畅信电源产品。目前,以腾讯为代表的互联网行业的大部分数据中央均采纳了240V高压直流供电体系。240V高压直流技术和传统的UPS技术相比起来,其重要的优点为:
      
      ①体系功式高。采纳功率MOS高等开关技术的240V高压直流小96%的效力,比采纳晶闸管或IGBT的传统UPS效力更高,体积更小。高压直流的输入功率因数高、谐波小,且输入负载率可以或许比UPS高,可低落柴发容量等。节能休眠技术可以或许大大晋升轻载下的体系效力,削减机房初期的运行能耗;
      
      ②体系稳固性高。电池间接在输入母线上,靠得住性更高,且可在线扩容、不掉电割接等。拓扑简略,靠得住性高;
      
     、可掩护性高。模块化设计,按需设置设备摆设、边发展边投资。模块热插拔掩护,像更换硬盘一样更换故障模块,削减依赖厂家维保效劳;
      
     ④平安性高。高压直流比传统UPS要更平安,因为输入浮地,即便误碰到单极概电压,触电电压也只要135V,比换要低近1倍,且换220Vac的正也峰值电压高达314V,也高于高压直流270V的电压。
      
      另外,240V高压直流可以或许间接应用在绝大多数的模范换设备上(380V高压直流等其余电压品对不行),IT设备不用定制电源及设备改革,也较容易履行。
      
      2 数据中央高压直流体系的设计比
      
      在高压直流供电体系的设计中,咱咱咱们会碰到如何选取体系架构的成就,咱咱咱们必要在体系的平安性、靠得住性与工程打造的经济性之间做出取舍。
      
      这里约钢主流的供电体系布局做一个明,供工程职备据现场导驶肪及负荷重要性等诸多因素机动选取。
      
      (1)计划一:高压直流单电源体系双路供电(如图2所示)
      
      这种办法体系布局简略,打造投小。缺点是因为效劳器双路输入均来自于同一套高压直流电源体系,体系在电源侧存在单点故障瓶颈。
      
      (2)计划二:高压直流双电源体系双路供电(如图3所示)
      
      与高压直流单电源体系双路供电相比,高压直流双电源体系双路供电中每台列头柜设置设备摆设的输入电源分离来自两套电源体系,消除了体系的单点故障危险,提高了供电的靠得住性,缺点是体系设置设备摆设采纳2N办法,体系的冗余度较大,打造投资大。
      
      (3)计划三:市电+高压直流双路供电(如图4所示)
      
      这种办法采纳一路市电电源,一路高压直流电源的双路供电情势,该办法该供电办法消除了体系的单点故障瓶颈,提高了供电的靠得住性,在每个机架内供给了交直流两路电源,且市电路无需电能的转换,可最大程度的提高体系效力。
      
      3 “市电+高压直流”与传统UPS供电架构的比
      
      目前新建的互联网数据中央,综合本钱和靠得住性,大批采纳计划三,即市电+高压直流双路供电。那么下面咱咱咱们将从设备占地空间+用电效力两个角度,将“市电+高压直流”与传统UPS供电架构停止进一步的比。
      
      图5是“2NUPS”和“市电+240VHVDC”从低压侧到效劳器的供电拓扑。目前数据中央应用最为普遍的容量品约为400kVA、UPS负载功率因数典型值为0.8~0.9,折算成360kW,相当于同样功的单套1200A的高压直流体系。即两套400kVA的“2NUPS”和一路360kW市电+另外一路360kW的”240VHVDC“混合供电架构做比,两者容量基本一样,供电靠得住性基本处于一个品级,具有可比性。
      
      因为变压器及其输入前级基本一样不再比较,这里分离从变压器输入柜、不间断电源体系、电源输入配电柜、末端列头柜等多级配电路由来停止比,定量阐发配电柜的造价本钱及配电柜数目,后者会影响到机空间占用面积及场地租金本钱。
      
      (1)低压配电侧
      
      对付400kVA的UPS,变压器输入侧给到UPS必要两个800A阁下目架路器,一个给到主路,另外一个给旁路,占用全体低压配电柜。因此两套UPS占用两个整低压配电柜。而对付“市电+240VHVDC”供电架构,市电直供支路间接由低压母线排直联的一个低压配电柜间接输入多路到各个列头柜,比如该低压配电柜内有5个250A的抽屉式塑壳开关,输入五路间接直联到五个市电直供的列头柜。而高压直流体系只必要一个800A目架路器,占用半个低压配电柜,剩余一个800A框架开关预留给另外一套高压直流体系用。所以,在低压侧2N的UPS体系必要2个整低压配电柜,共四个800A目架路器;而“市电+240VHVDC”体系在低压配电部分会占用半个低压配电柜,即一个800A框架路器,和一全体低压配电柜,带5个250A的塑壳路器。
      
      (2)不间断电源体系
      
      考虑同样大小的负载及同样15到30min时长的后备电池光阴,导上电池的安时数应该是基本一样的,这里不再深入比较。再考虑不间断电源体系约,对付400kVA的UPS通常都有一个输入配电柜、两个主机柜及一个主输入开关共四个配电柜。对付1200A的“240VHVDC”也类似有一个输入配电柜、两个整流柜及一个输入熔丝配电柜,共四面柜子。可见,不管是电池是不间断电源体系的机柜数目及占高空积两者差异不大,各占用了四个不间断电源体系柜。但这个配电层,市电直供支路无需任何开关及配电柜。因此,对付2N的UPS架构占用了八个机柜位,而“市电+240VHVDC”架构只占用四个机柜位。
      
      (3)输入配电柜
      
      每套400kVA的UPS输入通常都必要一个800A或许630A目架路器,和五个阁下的250A抽屉柜到每个列头,所以每套UPS的输入配电柜部分会占用两个配电柜位,即一个800A目架路器五个250A的塑壳路器。因此,两套2N的UPS体系共必要四个配电柜位、两个800A框架路器及十个250A的塑壳路器。而对付“市电+240VHVDC”体系,市电直供支路无需配电柜及开关,同样对付“240V HVDC”体系,因为其输入配电部分已经包含在电源体系的输入熔丝柜内了,所以也不必要额外输入配电柜及输入开关等。
      
      (4)列头柜层级
      
      基于同样总功率及单机柜功率密度来测算,2N的UPS和“市电+240VHVDC”两个计划在列头柜数目及配电开关数目方面可以或许认为基本一样,只是会在微断及线路面会些差异,造价有所分歧。直流微断比换晃断贵,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体系因为增长两套输入配电柜及线缆,和手动维修旁路线缆等;而240V的HVDC因为是单相供电,高压直流输入到列头柜的单相线缆本钱会比2N的UPS的三相传输线缆本钱稍高些,但总功率一样,耗铜量差别会很大。可以或许认为“市电+240VHVDC”的线缆总投资会超过2N的UPS的线缆总投资。
      
      综上所述,供电能力均为360kW的市电+240V高压直流相比2N的UPS,削减配电柜数目。按项目经验估算低落一次性投资42万阁下,约节省37.5%的投本钱,并节省占高空积六个配电柜以上。前面阐发了很多一次性投本钱CAPEX及占高空积的比较。对付数据中央而言,更长的性命周期处于经营阶段,而经营本钱构成中很大一块是电费。下面中阐发OPEX中的用电本钱,对付360kW的体系,这里按320kW的导负载来估算,分离比较2NUPS和市电+240VHVDC在8年性命周期内的总电费差异。
      
      UPS体系的效力往往跟着负载的晋升而增长,如果UPS体系长期处于轻载状况,那么运行的实测效力并没有到达宣称的最高效力点。对付2NUPS架构,每套UPS的负载率往往只要30%~40%之间,虽然选用了最高效力为94%的UPS,但导的运行效力很可能只要90%阁下。而对付“240VHVDC”体系,因为有电池间接挂接母线,那么高压直流体系是市节能休眠的,监控会主动开启必要工作的电源模块数目,并使电源体系在任何负载环境露可以或许工作在最高效力点附近,即高压直流可以或许在全负载规模内都到达94%以上效力,而市电直供支路基本是100%供电效力,因此市电+240V HVDC综合供电效力为97%。
      
      因为每kWIT都必要颠末不间断电源体系供电,因此320kW的IT负荷颠末90%效力的2NUPS架构每一年损耗的电费(按每度电0.8元估算)高达22.43万元,而“市电+240VHVDC”损耗6.73万元。别的,电力室内的不间断电源设备发生的热量必要额外的空调体系带走,还需考虑这部分空调能耗发生的电费,为简化阐发按电力空调纳⑷能效COP为4估算。如许320kW的IT负荷在数据中央8年的性命周期内,仅仅计算不间断电源体系效力损耗及电力室空调能耗,2NUPS供电架构损耗电费224.32万元,而“市电+240VHVDC”损耗电费67.28万元,节省了157万元的经营电费。
      
      综上所述,在类似靠得住及输入能力的2N设置设备摆设400kVAUPS和容量为360kW的“市电+240VHVDC”供电架构,在带320kW负载的模子下,市电+240VHVDC供电架构比传统的2NUPS架构削减投资42万,并节省6个配电柜。还在机房经营的8年性命周期内,节省经营电费157万。折算成TCO,仅仅在CAPEX及OPEX的电费部分就节省投资200万。
      
      4 数据中央高压直流体系的导
      
      腾讯第三代数据中央供电体系,采纳“市电+240VHVDC”体系架构,该架构开启ECO情势后的供电效力高达近98%,比双路高压直流体系节能2%以上,比传统UPS节能6%以上。且节能效果在轻载下尤为显著,开启ECO情势后的高压直流体系在负载为30%及如下时,总体系节能高达10%以上,这还未算电源体系散热能耗带来的额外节能收益。
      
      在对腾讯数据中央曩昔两、三年的基础举措措施事故统计后,咱咱咱们发现UPS故障发生的次数较多,总发生次数占比达9%,基本上每一年都邑发生四、五起UPS故导致的效劳器掉电恶性事故发生。但采纳高压直流供电的数据中央,虽然级会有整流模块故障发生,但从来没有过因高压直流电源体系故障而导致的效劳器掉电事故发生过(腾讯从2010年开端采纳高压直流技术,目按量在用的高压直流体系数占多数),所以从基础举措措施测故障次数上看,采纳高压直流供电的数据中央靠得住性要高于采纳UPS供电的数据中央。
      
      咱咱咱们中从基础举措措施故导致效劳器掉电总数目的层面来阐发,高达41%的效劳器掉电原因是UPS故障,虽然UPS故障发生次数占比仅仅9%,但此中某次UPS故障就影响到了上千台效劳器掉电,故障波及面非常大;同样的,因为高压直流供电机房没有出现过因为高压直流电源体系成就导致的效劳器掉电事故发生,所以从这个层面上看,受高压直流体系故障影响的效劳器数目为零,采纳高压直流的数据中央供电靠得住性方面有了非常大的晋升。
      
      5 结束语
      
      颠末过程回想和总结大批的项设计及经营经验,高压直流供电体系在数据中央工程导中的优品常显著。特别是对付大型互联网数据中央,综合打造机动度、本钱、靠得住性、可掩护性等多方面因素考虑,采纳高压直流供电体系成为了数据中央供电计划的首选。
      
      作者简介
      
      朱华,腾讯数据中央技术睁开中央总监,中国工程打造模范化协会数据中央技术委员会副主任委员,中国通讯模范化协会凋谢数据中央委员会数据中央工作组组长。
      
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