多電壓等級直流供電在模塊化數據中心的應用

莊 嶺，李葉飛，楊 斌，鄭海雁，杜先波

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

0 引言

數據中心承擔著實現電力調配以及數據共享等關鍵任務［1］，在探索“多站融合”新模式、優化綜合能源服務、構建能源網絡中起著不可替代的作用。為了應對新時代節能環保的要求，亟需對數據中心的供電架構展開進一步優化探索。目前數據中心的供電架構主要分為電網直供系統、交流不間斷電源（uninterruptible power supply，UPS）供電系統以及直流供電系統［2—3］，以往的研究主要對直流、交流供電模式的優缺點進行分析［4—6］，但針對直流供電模式的具體電壓等級并未形成統一標準。目前中國國內通信行業直流供電模式的電壓等級主要分為240 V與48 V 2種。48 V直流配電架構已在電信行業進行應用［7］，國際上諸如谷歌、Facebook等也采用該類數據中心［8］。240 V 高壓直流供電系列，在騰訊、阿里巴巴等公司的數據中心中得到了廣泛應用，中國通常采用240 V作為高壓直流數據中心通用標準。目前針對240 V和48 V電壓等級的研究多為試點性的建設與探索，尚未形成明確的綜合性對比。

本文從線損［9—10］、負荷需求、可靠性［11］、升級潛力［12］、成本等方面對3 種數據中心直流架構進行評估，首先介紹了對目前數據中心典型直流系統架構，并且基于目前多站融合的架構提出了一種混合供電架構；繼而從優質性、可靠性、經濟性等方面提出直流架構評估方法；最后，從線損、負荷需求、可靠性、升級潛力、成本等多個方面對3種供電模式進行了對比和分析，并對3種架構進行層次分析和綜合分析。

1 直流系統架構

1.1 數據中心典型直流系統架構

數據中心的電力消耗設備主要有空調設備、照明設備、消防設備以及信息技術（information technology，IT）設備。伴隨著數據中心的迅速發展，數據中心機柜密度迅速提高［13］，亟需優化供電結構［14］，提高能效。

模塊化與標準化是當前數據中心發展的重要趨勢。標準的電壓等級對數據中心的前期建設、使用期維修、后期擴容有著顯著意義。直流系統典型架構如圖1所示，一般直流系統存在多回路冗余架構。直流系統前端接入交流電，油機電作為備用。交流電經過變壓模塊，利用變壓器將高壓或特高壓輸入交流電轉換為低壓送入整流模塊，利用整流模塊實現交直流轉換、功率因數校正、濾波、隔離等功能。最后一級為服務器模塊，服務器主板的服務器電源裝置（power supply unit，PSU），負責將送入的直流電變換成12 V等電壓等級的直流電，給服務器主板供電。48 V直流系統架構與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Fig.1 DC power supply framework

1.2 數據中心直流供電混合架構

隨著多站融合、直流微網［15］等新技術的研究與實踐，數據中心逐漸參與到備用、柔性響應等電力調控業務［16—17］。240 V 數據中心可通過一級直流變換完成對直流微網的接入，48 V則需多級變換完成。

240 V 近服務器側的高電壓對絕緣、電磁屏蔽、運維等有更高的要求，48 V 方案廣泛用于IT 設施側。結合高壓和低壓配電的優勢，本文提出一種混合配電架構，將240 V作為中間級電壓，基礎設施側運用240 V配電，在服務器側前端將240 V直流電轉換成48 V直流，如圖2所示。該混合架構與傳統直流48 V的架構的區別在于，基礎設施采用電壓等級不同，混合架構基礎設施側采取240 V全直流配電，例如空調系統、照明系統等。該混合架構與傳統240 V直流架構的區別在于，混合架構服務器側采用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Fig.2 Multi-voltage level fusion framework

2 直流架構評估方法

從優質性、可靠性、經濟性3個維度進行240 V、48 V以及混合架構的綜合對比。其中優質性的指標集主要反映系統潛力，由線損、負荷需求、效率、升級潛力組成；可靠性指標集主要反映系統的可靠性，由儲能系統可靠性、其他元件的可用性組成；經濟性主要反映成本，由線纜成本、建設成本、維護成本組成，如圖3所示。

圖3 直流架構評估體系Fig.3 Evaluation system of DC framework

2.1 優質性

2.1.1 線損

服務器機柜密度增大帶來的功率提升，對數據中心供電環節能量承擔能力提出了更高要求。本節從線路損耗的角度對240 V與48 V的供電效率進行研究。

線路允許功率的計算公式如下

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 負荷需求

負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。具體分數由對比得出最終得分經過標幺化處理，得到的最終指標為

式中:λ為指標優勢權重；Zj為得分；Z為基準值。

2.1.3 升級潛力

升級潛力量化主要從設備制造水平（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

（1）連接方式

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

式中:R為系統可靠性水平；r為單個元器件的可靠性指標；x為并聯組數；y為串聯個數。

（2）壽命

儲能設備的壽命損耗率反映儲能設備的使用情況，計算公式為

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

2.2.2 元件可用性

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

式中:MTBF為設備的運行時間；MTTR為設備故障時間。

2.3 經濟性

2.3.1 線纜鋪設成本

線纜價格計算公式如下

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

2.3.2 建設成本

建設成本為各設備造價之和，即

式中:Kcon,i為各設備造價；n為設備總數。

2.3.3 維護成本

維護成本主要考慮運行維護時產生的各項費用，包括水電、人工、網絡通信、管理、保險、維修等，一般是根據工程經驗所得。

3 直流架構評估分析

為驗證本文所提混合架構的有效性，基于所提的直流架構評估方法，搭建仿真模型，在仿真系統上從優質性、可靠性、經濟性等方面對3 種架構的性能進行對比分析。

3.1 優質性分析

3.1.1 線損分析

假設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

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

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

設定混合架構的240 V-48 V DC-DC 變換器在服務器機柜內部，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，混合架構其次，48 V線路損耗最大。隨著線纜條數增多，輸出功率的增加，不同架構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 負荷需求分析

假定負荷需求中，混合系統架構服務器設備側電磁抗干擾能力與48 V一致，而在服務器前端的斷路器的帶載切斷能力與240 V 架構一致，得到的最終指標如表3 所示，其中直流48 V 架構的負荷需求指標值最高，混合架構其次，240 V架構最低。

表3 負荷需求指標Table 3 Load demand indicator

3.1.3 升級潛力分析

隨著能源互聯網的推進，數據中心逐漸呈現出迎合廣泛、靈活接入與調控的負荷發展需求。240 V與交流電壓220 V 電壓等級類似，兩者的多數供電設備經過稍加改造即可通用，在數據中心布局、運維、人員培訓等方面都有著可轉移借鑒的潛力。此外，風能、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等方式直接接入相應系統，節省大量的變換環節。

48 V已形成完整的產業生態，在服務器電源模塊已研發出無需前級PSU，48 V直流電直接送入中央處理器（central processing unit，CPU）的電源架構，將48 V直流電轉換成CPU需求的直流電，減少供電環節損耗。

考慮到電壓降、電纜的允許電流、功耗、供電距離，240 V 系統適用于除信息通信技術（information and communication，ICT）以外的行業，圖5 列出了功耗距離的關系，240 V 系統應用行業相較于48 V 系統更廣泛，48 V直流系統在低功耗系統也有其獨特優勢，混合架構囊括了這些優勢。

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

3.2 可靠性分析

3.2.1 儲能側可靠性分析

目前大部分數據中心的主流儲能系統以多路鉛酸蓄電池冗余配置為主。假設單個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 直流配電系統需串聯24 個鉛酸蓄電池，240 V 需要串聯120 個。假設單個2 V 的鉛酸蓄電池單元的可靠性r=0.99，為達到可靠性99.999%要求，需要48 V 直流配電系統并聯8 組，240 V 并聯33組。240 V直流系統需要更多的蓄電池來達到規定的可靠性水平。240 V直流電池系統的儲能系統建設成本、壽命損耗、復雜度以及維護困難度都高于48 V直流配電系統。

3.2.2 元件可用性分析

根據直流架構中元件串并聯關系如圖6所示，相較于典型直流架構，混合架構增設了240 V-48 V 直流變換器。根據表4可計算出元件可用性［19］。

圖6 供電架構元件組成Fig.6 Components of power supply framework

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

考慮到240 V和混合架構中的直流斷路器的設備制造水平，假設240 V 架構以及混合架構的可靠性下降0.01%，得到結果如表5所示，48 V 元件可用性最高，240 V架構其次，混合架構最低。

表5 元件可用性Table 5 Component availability

3.3 經濟性分析

假定數據中心容量為200 kW，供電系統主體由一架交流配電屏，一架直流分配屏，2架直流變換設備，2 架直流列頭柜，16 架服務器機柜組成，混合架構需增設240 V-48 V直流變換器。根據工程經驗，以及表6 中直流架構產品費用估算，考慮產品的容量、市場成熟度以及定制化需求，計算時將各直流架構設備費用增加或降低一定的百分比。

表6 直流供電架構費用估算表Table 6 Cost estimate of DC power supply framework

計算成本如圖7 所示，只考慮直流供電系統主體，從建設成本來看，240 V直流架構偏高，48 V直流架構較低，混合架構居中；從線纜成本上來看，48 V直流架構較高，240 V直流架構和混合架構偏低；從維護成本來看，混合架構成本較高，48 V成本較低，而240 V架構成本居中。

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

3.4 直流架構綜合性能分析

根據表7中各直流架構的指標值，應用環比分析（decision alternative ratia evaluation system，DARE）［20］綜合評價方法計算各架構層次評價結果及綜合評價結果，DARE 法根據經驗將相鄰指標綜合對比得出重要性暫定系數，接著進行重要性修正，將最后一個修正系數定為1，進行歸一化處理，算出指標權重。歸一化方程為

基于直流架構的評估結果差異程度各直流架構進行打分，滿分為10 分。3 種架構的評估結果如表7和圖8所示。

由于直流系統的相似性，3 種架構最后評估得到的經濟性指標并沒有較大差異。

（1）混合架構綜合性能評價最優，其優質性高于48 V供電架構，可靠性高于240 V供電架構，在保證可靠性的同時也擁有較為出色的升級潛力及供電質量。

表7 3種供電架構優勢對比Table 7 Comparison of the advantages of three power supply frameworks

圖8 3種供電架構評估結果Fig.8 Evaluation results of three power supply frameworks

（2）240 V 的綜合性能排名居中，其優質性評分最高，240 V 系統更加高效、升級潛力更優，但240 V直流供電架構的可靠性表現最差。

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

4 結束語

本文從線損、負荷需求、可靠性、升級潛力、成本等方面對3種數據中心直流架構進行評估:

（1）240 V 直流架構優質性指標值最高，潛力最大，240 V 可作為基礎側電壓，擁有線路損耗小、傳輸功率高等優點。有利于與分布式能源、儲能站等直流對象對接，促進資源深度融合共享。

（2）48 V 直流架構的可靠性指標值最高，可作為通信設備側電壓，擁有對通信設備干擾小、可靠性高、安全性好等優勢。將48 V作為配電側集中電壓有利于減少電能變換器數量，節省空間及成本。

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

本文研究對建立規范化數據中心電壓標準、促進直流相關產品商業化與成熟化有一定參考價值。