多电压等级直流供电在模块化数据中心的应用

2021-03-18李叶飞郑海雁杜先波

电力需求侧管理 2021年2期

庄岭，李叶飞，杨斌，郑海雁，杜先波

（1. 国网江苏省电力有限公司，南京 211106；2. 江苏方天电力技术有限公司，南京 210000）

0 引言

数据中心承担着实现电力调配以及数据共享等关键任务［1］，在探索“多站融合”新模式、优化综合能源服务、构建能源网络中起着不可替代的作用。为了应对新时代节能环保的要求，亟需对数据中心的供电架构展开进一步优化探索。目前数据中心的供电架构主要分为电网直供系统、交流不间断电源（uninterruptible power supply，UPS）供电系统以及直流供电系统［2—3］，以往的研究主要对直流、交流供电模式的优缺点进行分析［4—6］，但针对直流供电模式的具体电压等级并未形成统一标准。目前中国国内通信行业直流供电模式的电压等级主要分为240 V与48 V 2种。48 V直流配电架构已在电信行业进行应用［7］，国际上诸如谷歌、Facebook等也采用该类数据中心［8］。240 V 高压直流供电系列，在腾讯、阿里巴巴等公司的数据中心中得到了广泛应用，中国通常采用240 V作为高压直流数据中心通用标准。目前针对240 V和48 V电压等级的研究多为试点性的建设与探索，尚未形成明确的综合性对比。

本文从线损［9—10］、负荷需求、可靠性［11］、升级潜力［12］、成本等方面对3 种数据中心直流架构进行评估，首先介绍了对目前数据中心典型直流系统架构，并且基于目前多站融合的架构提出了一种混合供电架构；继而从优质性、可靠性、经济性等方面提出直流架构评估方法；最后，从线损、负荷需求、可靠性、升级潜力、成本等多个方面对3种供电模式进行了对比和分析，并对3种架构进行层次分析和综合分析。

1 直流系统架构

1.1 数据中心典型直流系统架构

数据中心的电力消耗设备主要有空调设备、照明设备、消防设备以及信息技术（information technology，IT）设备。伴随着数据中心的迅速发展，数据中心机柜密度迅速提高［13］，亟需优化供电结构［14］，提高能效。

模块化与标准化是当前数据中心发展的重要趋势。标准的电压等级对数据中心的前期建设、使用期维修、后期扩容有着显著意义。直流系统典型架构如图1所示，一般直流系统存在多回路冗余架构。直流系统前端接入交流电，油机电作为备用。交流电经过变压模块，利用变压器将高压或特高压输入交流电转换为低压送入整流模块，利用整流模块实现交直流转换、功率因数校正、滤波、隔离等功能。最后一级为服务器模块，服务器主板的服务器电源装置（power supply unit，PSU），负责将送入的直流电变换成12 V等电压等级的直流电，给服务器主板供电。48 V直流系统架构与240 V总体相似，差异在于整流后电压等级差异。

图1 直流供电架构Fig.1 DC power supply framework

1.2 数据中心直流供电混合架构

随着多站融合、直流微网［15］等新技术的研究与实践，数据中心逐渐参与到备用、柔性响应等电力调控业务［16—17］。240 V 数据中心可通过一级直流变换完成对直流微网的接入，48 V则需多级变换完成。

240 V 近服务器侧的高电压对绝缘、电磁屏蔽、运维等有更高的要求，48 V 方案广泛用于IT 设施侧。结合高压和低压配电的优势，本文提出一种混合配电架构，将240 V作为中间级电压，基础设施侧运用240 V配电，在服务器侧前端将240 V直流电转换成48 V直流，如图2所示。该混合架构与传统直流48 V的架构的区别在于，基础设施采用电压等级不同，混合架构基础设施侧采取240 V全直流配电，例如空调系统、照明系统等。该混合架构与传统240 V直流架构的区别在于，混合架构服务器侧采用48 V接入而非240 V直接接入。

图2 多电压等级融合体系架构Fig.2 Multi-voltage level fusion framework

2 直流架构评估方法

从优质性、可靠性、经济性3个维度进行240 V、48 V以及混合架构的综合对比。其中优质性的指标集主要反映系统潜力，由线损、负荷需求、效率、升级潜力组成；可靠性指标集主要反映系统的可靠性，由储能系统可靠性、其他元件的可用性组成；经济性主要反映成本，由线缆成本、建设成本、维护成本组成，如图3所示。

图3 直流架构评估体系Fig.3 Evaluation system of DC framework

2.1 优质性

2.1.1 线损

服务器机柜密度增大带来的功率提升，对数据中心供电环节能量承担能力提出了更高要求。本节从线路损耗的角度对240 V与48 V的供电效率进行研究。

线路允许功率的计算公式如下

式中:P为功率；ΔV为允许的压降；E为供电电压；r为每个线缆单位长度的电阻；l为线路长度。

直流线路损耗由式（2）给出［18］

式中:PDCloss为直流电缆的有功损耗；为电缆的末端输送功率；J为电流密度，A/mm2；l为线路长度；UDC为直流线电压。

2.1.2 负荷需求

负荷需求的量化方法主要从安全（Z1）、绝缘水平（Z2）、电磁抗干扰能力（Z3）、以及断路器的带载切断能力（Z4）等方面综合考虑。具体分数由对比得出最终得分经过标幺化处理，得到的最终指标为

式中:λ为指标优势权重；Zj为得分；Z为基准值。

2.1.3 升级潜力

升级潜力量化主要从设备制造水平（Z1）、接入潜力（Z2）、市场成熟度（Z3）等方面综合考虑。

2.2 可靠性

2.2.1 储能系统

（1）连接方式

直流系统可靠性主要受器件的连接方式、系统元件的可用率，以及设备的寿命损耗率。从图1、图2 可知，几种直流供电架构连接方式的差异集中在储能侧，显著影响系统可靠性水平，计算公式为

式中:R为系统可靠性水平；r为单个元器件的可靠性指标；x为并联组数；y为串联个数。

（2）寿命

储能设备的寿命损耗率反映储能设备的使用情况，计算公式为

式中:Ni为第i次充放电时折算到满充放下的最大循环次数；N0为满充放下的最大循环次数；Nt为已完成充放电次数。

2.2.2 元件可用性

供电架构的可靠性评估也包括了电气元件可靠性分析，直流架构中元件的可用率计算公式

式中:MTBF为设备的运行时间；MTTR为设备故障时间。

2.3 经济性

2.3.1 线缆铺设成本

线缆价格计算公式如下

式中:ρ为铜的密度；s为线缆尺寸；l为铺设长度；CCu为单位重量铜的价格；CP为铠装材料的价格；COT为其他价格，例如:人工费。

2.3.2 建设成本

建设成本为各设备造价之和，即

式中:Kcon,i为各设备造价；n为设备总数。

2.3.3 维护成本

维护成本主要考虑运行维护时产生的各项费用，包括水电、人工、网络通信、管理、保险、维修等，一般是根据工程经验所得。

3 直流架构评估分析

为验证本文所提混合架构的有效性，基于所提的直流架构评估方法，搭建仿真模型，在仿真系统上从优质性、可靠性、经济性等方面对3 种架构的性能进行对比分析。

3.1 优质性分析

3.1.1 线损分析

假设所允许的传输功率损失为2%，如图4 所示，在相同的功率损失限制下，相同传输距离下240 V 所需线缆半径约为48 V的1/10，240 V在能量传输效率上明显优于48 V。

图4 相同传输容量下不同电压等级线缆耗材对比Fig.4 Comparison of cable consumables of different voltage grades under the same transmission capacity

假定负载为50 kW，传输距离为50 m，2 种电压等级所需导线尺寸（理论计算情形）如表1所示。

表1 不同电压等级下的导线所需尺寸Table 1 Required cable dimensions of different voltage levels

设定混合架构的240 V-48 V DC-DC 变换器在服务器机柜内部，由此得到单条线路损耗比值如表2所示，240 V的线路损耗最小，混合架构其次，48 V线路损耗最大。随着线缆条数增多，输出功率的增加，不同架构的线路损耗差异会成倍增加，损耗的差异会更加明显。

表2 单条线路损耗比值Table 2 Single line loss ratio

3.1.2 负荷需求分析

假定负荷需求中，混合系统架构服务器设备侧电磁抗干扰能力与48 V一致，而在服务器前端的断路器的带载切断能力与240 V 架构一致，得到的最终指标如表3 所示，其中直流48 V 架构的负荷需求指标值最高，混合架构其次，240 V架构最低。

表3 负荷需求指标Table 3 Load demand indicator

3.1.3 升级潜力分析

随着能源互联网的推进，数据中心逐渐呈现出迎合广泛、灵活接入与调控的负荷发展需求。240 V与交流电压220 V 电压等级类似，两者的多数供电设备经过稍加改造即可通用，在数据中心布局、运维、人员培训等方面都有着可转移借鉴的潜力。此外，风能、太阳能等可再生能源的电压等级多为750 V或480 V，240 V可直接通过增加中性点等方式直接接入相应系统，节省大量的变换环节。

48 V已形成完整的产业生态，在服务器电源模块已研发出无需前级PSU，48 V直流电直接送入中央处理器（central processing unit，CPU）的电源架构，将48 V直流电转换成CPU需求的直流电，减少供电环节损耗。

考虑到电压降、电缆的允许电流、功耗、供电距离，240 V 系统适用于除信息通信技术（information and communication，ICT）以外的行业，图5 列出了功耗距离的关系，240 V 系统应用行业相较于48 V 系统更广泛，48 V直流系统在低功耗系统也有其独特优势，混合架构囊括了这些优势。

图5 升级潜力对比Fig.5 Comparison of upgrade potential

3.2 可靠性分析

3.2.1 储能侧可靠性分析

目前大部分数据中心的主流储能系统以多路铅酸蓄电池冗余配置为主。假设单个铅酸蓄电池的电压等级为2 V，不考虑电池的浮充和放电，理想情况下，48 V 直流配电系统需串联24 个铅酸蓄电池，240 V 需要串联120 个。假设单个2 V 的铅酸蓄电池单元的可靠性r=0.99，为达到可靠性99.999%要求，需要48 V 直流配电系统并联8 组，240 V 并联33组。240 V直流系统需要更多的蓄电池来达到规定的可靠性水平。240 V直流电池系统的储能系统建设成本、寿命损耗、复杂度以及维护困难度都高于48 V直流配电系统。

3.2.2 元件可用性分析

根据直流架构中元件串并联关系如图6所示，相较于典型直流架构，混合架构增设了240 V-48 V 直流变换器。根据表4可计算出元件可用性［19］。

图6 供电架构元件组成Fig.6 Components of power supply framework

表4 单体设备或元件的可靠性参数Table 4 Reliability parameters of singular equipment or component h

考虑到240 V和混合架构中的直流断路器的设备制造水平，假设240 V 架构以及混合架构的可靠性下降0.01%，得到结果如表5所示，48 V 元件可用性最高，240 V架构其次，混合架构最低。

表5 元件可用性Table 5 Component availability

3.3 经济性分析

假定数据中心容量为200 kW，供电系统主体由一架交流配电屏，一架直流分配屏，2架直流变换设备，2 架直流列头柜，16 架服务器机柜组成，混合架构需增设240 V-48 V直流变换器。根据工程经验，以及表6 中直流架构产品费用估算，考虑产品的容量、市场成熟度以及定制化需求，计算时将各直流架构设备费用增加或降低一定的百分比。

表6 直流供电架构费用估算表Table 6 Cost estimate of DC power supply framework

计算成本如图7 所示，只考虑直流供电系统主体，从建设成本来看，240 V直流架构偏高，48 V直流架构较低，混合架构居中；从线缆成本上来看，48 V直流架构较高，240 V直流架构和混合架构偏低；从维护成本来看，混合架构成本较高，48 V成本较低，而240 V架构成本居中。

图7 3种供电架构成本对比Fig.7 Cost comparison of three power supply frameworks

3.4 直流架构综合性能分析

根据表7中各直流架构的指标值，应用环比分析（decision alternative ratia evaluation system，DARE）［20］综合评价方法计算各架构层次评价结果及综合评价结果，DARE 法根据经验将相邻指标综合对比得出重要性暂定系数，接着进行重要性修正，将最后一个修正系数定为1，进行归一化处理，算出指标权重。归一化方程为