WP63-R6-数据中心交流与直流配电综述

数据中心交流与直流配电综述 版本 6 作者 Neil Rasmussen 简介 2各种交流和直流配电选项 2效率比较 4成本、兼容性、可靠性、谐波和安全性 9在机柜中使用直流配电 11结论 12资源 14 点击内容即可跳转至具体章节 目录第 63 号白皮书 多年来，一直有人建议，用直流供配电来替代数据中心交流供配电，而很多错误信息和相互矛盾的说法误导了关于这种作法的探讨。详细的分析和模拟测试表明，一般公认的直流供配电的许多优势实际上并不存在或被过度夸大了。本文阐述了为什么高效率交流供配电将可能成为数据中心配电的主流选择的原因。摘要 施耐德电气旗下 的白皮书现收录于施耐德电气白皮书资料库 由施耐德电气数据中心科研中心数据中心科研中心发表，DCSCSchneider-E 数据中心交流与直流配电综述 施耐德电气 数据中心科研中心 第 63 号白皮书 版本 6 2 数据中心或网络机房中 IT 设备的配电有两种方式，即交流配电和直流配电。交流电一般经由120V、208V 或 230V 本地干线配送。直流电则通常以 48V 电信标准电压配电。大多数部署地点普遍使用交流配电。但自上世纪 90 年代初开始，各地的生产商和工程师就时常得到更改为直流配电的建议，这些建议称，直流配电较有优势，预计数据中心直流配电标准将广为采用。但实际情况却恰恰相反，相对于交流配电，直流配电的采用比例不断下降。最近，为解决过去部分直流配电问题，诞生了 48 V 以上电压进行直流配电的新思想。在多个会议交流场合中，建议使用 300 V、380 V、400 V 和 575 V 直流配电。在本文中，介绍了交流配电和直流配电的特征、特性和限制。此外，借助有关两种交流配电系统和三种直流配电系统的效率的数学模型，来确定不同配电系统在不同运行环境中的预计电效率性能。许多数据中心和网络机房操作人员都对电信局站的高可用性表示满意，过去，电信局站的可用性远远高于网络机房和数据中心。很自然地，人们希望在商业网络中能复制这一高可用性水平。由此，人们得出的推论是，使用直流配电等作法是实现电话系统高可用性的原因所在，应该在网络中也照此办理，本文对这种推论进行了审视。当比较交流配电和直流配电时，会有人认为我们只在比较两种方法，但实际上，在进行它们的比较时，我们一般至少会讨论到五种配电设计，每种都有不同的效率、成本和限制。因此，了解它们，并认真、独立地评估每种方法，是非常重要的。图图 1a-1e 中介绍了这五种基本配电方法。以下图片显示了五种基本配电类型，在每张图片中，交流市电从左边输入，右边的终端代表 IT设备中的内部配电电压。请注意，IT 设备中使用的内部配电电压可能不同，但这并不影响任何一种基本配电方法的使用。在本文中，我们假设内部配电电压为 12 V 直流电。图图 1a 是北美地区通用的交流配电系统。电能先流经一个 UPS 和一个有变压器的配电柜(PDU)，再进入 IT 设备电源。此系统中有五种主要损耗：UPS 损耗、主配电线损耗、PDU 损耗、分支电路配电线损耗和 IT 电源损耗。简介 图 1b 非北美地区通用 交流配电 各种交流和直流配电选项 208/120 V AC480/277 V AC PDU交流 UPS IT负载 图 1a-1e 包括两种交流配电和三种直流配电的数据中心配电方法 图 1a 北美地区通用 交流配电 交流 UPS IT负载 400/230 V AC 数据中心交流与直流配电综述 施耐德电气 数据中心科研中心 第 63 号白皮书 版本 6 3 图图 1b 是非北美地区的通用交流配电系统。请注意，该系统没有 PDU 变压器，消除了相关损耗。这是因为 UPS 的输出电压与几乎所有 IT 负载的输入电压范围直接匹配。图图 1c 是常规电信直流配电。直流 UPS 提供 48 V 直流电，向使用直流电的 IT 负载配电。图图 1d 是 380 V 直流系统假定配电方法。为了实施此方法，应配备使用 380 V 直流系统的 IT 设备。图图 1e 是混合 575 V 直流系统假定配电方法。该系统使用在 48 V 直流电下运行的 IT 设备，以及一个 575 V 直流电 UPS 和一个 575 V 到 48 V 直流电降压转换器。它结合了图图 1c 和图图 1d 的部分特性。在对图图 1 中的五种配电系统进行比较时，必须考虑以下因素：效率 成本 兼容性 可靠性 安全 在本文后面的部分中，对上述每个因素都进行了讨论。首先详细分析效率问题，因为这是大家公认应考虑采用直流配电的主要原因。人们之所以认为应该在数据中心采用直流配电，其主要原因是因为大家认为它提高了电效率。这种想法的根据是，直流配电消除了部分功率转换步骤，因此减少了损耗。电力系统的损耗发生在：不间断电源、配电和 IT 设备电源。在比较交流配电和直流配电效率的文章中，通常会有各种假效率比较 直流 UPS IT负载 48 V DC 图 1c 常规电信直流配电 直流UPS IT负载 380 V DC 图 1d 380 V 直流理论 配电方法 575 V DC 48 V DC 降压降压 转换器转换器 直流UPS IT负载 图 1e 575 V 直流系统 理论配电方法 数据中心交流与直流配电综述 施耐德电气 数据中心科研中心 第 63 号白皮书 版本 6 4 设，而本文将证明它们都是不切实际的，从而导致公布了很多有关不同配电系统的价值的错误结论。为准确评估实际环境中的电效率，需要建立一个数学模型，该模型应该：(1)考虑到不同负载下，设备效率的不同，以及(2)正确理解规模问题。下一部分介绍了这样一个模型，以及定量效率分析结果。在本文中，我们比较了五种不同配电系统在 50%负载下的效率。在此比较中，两种方法明显具有较高效率：一种是直流配电系统，另一种是交流配电系统。为了更精确地比较这两种效率较高的方法，我们在配套白皮书，第 127 号白皮书数据中心高效交流配电与直流配电的量化比较中，提供了基于大量数据的详细分析。配电系统效率模型 施耐德电气已为数据中心开发了一个强大的效率模型，具体请参见第 113 号白皮书数据中心的电力效率建模。本文将不再重复该模型的整个构建过程和运行原理。此模型的主要特征包括：对于设备效率随负载不同而发生的变化有效建模 对于不同设备类型的部分负载有效建模 对于冗余配置有效建模 提供任意系统负载下的效率数据 分析表明，以上所有特征对于实际、有效地比较效率非常重要。利用此建模方法，我们为在前面介绍的五种不同配电方法开发了数学模型。对于进行建模的每种设备类型，我们都使用最佳范例中的实际数据来构建模型。对于假定设备，根据可实际实现的性能进行估计。能够重现模型中使用的最佳设备数据很关键。UPS 和 IT 电源等实际设备性能会有相当大的变化。本分析的结果之一就是，部分已公布的模型采用了不负责任的作法，将使用低效设备的交流配电设计，与使用理论上可达到高效率设备的理论直流配电设计进行比较。在这种情况下，结果被严重扭曲。此分析力争改正这一错误。效率模型的计算结果 为每种配电系统，根据最佳数据估算出 50%负载下每条配电路径的损耗。无冗余环境中的计算结果如表表 1 所示。数据中心高效交流配电与直流配电的量化比较 资源连接 第 127 号白皮书 数据中心的电力效率建模 资源连接 第 113 号白皮书 数据中心交流与直流配电综述 施耐德电气 数据中心科研中心 第 63 号白皮书 版本 6 5 采用不同配电方法所得出的数据差异很大。在所有建模系统中，380 V 直流系统的效率最高，混合 575 V 直流系统的效率最低。值得注意的是，400/230 V 交流系统的效率几乎与 380 V 直流系统相同。此外，也可以计算冗余双路电源系统使用不同配电方法时的效率，在此情况下，所有方法的效率都将降低，但每种方法的相对性能不变，400/230 V 交流和 380 V 直流配电系统的效率最为出色。解读效率计算结果 计算结果支持一个普遍说法，即减少电力转换次数能够提高用电效率。380 V 直流系统和400/230 V 交流系统这两种最出色的方法，都省去了中间的电力转换环节，而其它部分方法仍采用电力转换环节，如前面图图 1 中所示。这两种方法使电路在最高电压下运行，损耗最小。详细的模型研究揭示，实际上，对于数据中心来说，布线传导损耗几乎可以忽略。这是因为负载多种多样，而平均起来，实际电路负载远低于额定值，即使数据中心在满载下运行时，也是如此。这并不表示线路尺寸可以缩小，因为出于安全考虑，仍应以最坏情况为基准，来设计线路的尺寸。从数据中可以看出，在这五个接受测试的系统中，有两个系统的效率明显领先，是新建数据中心的最佳选择。如果将高效率作为主要目标，则另三种配电方式应该淘汰，无需再考虑。380 V 直流系统的效率极高，但对行业提出了在未来很长一段时间内进行剧变的要求。400/230 V 交流系统效率也很高，且已经是大多数地区的实施标准，也可在北美地区实施。因此，这两个领先系统应该进行更加细致的比较，清晰、定量地分析它们在效率方面的差异，以及各种理论和实际可行性。第 127 号白皮书数据中心高效交流配电与直流配电的量化比较中，提供了详细分析。1 第 127 号白皮书数据中心高效交流配电与直流配电的量化比较 2 A.Pratt,P.Kumar,and T.Aldridge,Corporate Technology Group,Intel Corporation,Evaluation of 400 V DC Distribution in Telco and Data Centers to Improve Energy Efficiency.UPS 配电线+PDU 线路+降压转换器 IT 电源 总效率 480 to 208 V AC1 96.20%X96.52%1 X 90.00%1=83.56%400/230 V AC1 96.20%X99.50%1 X 90.25%1=86.39%48 V DC2 92.86%X99.50%1 X 91.54%2=80.74%380 V DC1 96.00%X99.50%1 X 91.75%1=87.64%575 V DC2 95.32%X92.54%1 X 91.54%2=80.74%表 1 对五种交流和直流 配电方法进行比较，计算50%负载下的 总配电效率 数据中心高效交流配电与直流配电的量化比较 资源连接 第 127 号白皮书 数据中心交流与直流配电综述 施耐德电气 数据中心科研中心 第 63 号白皮书 版本 6 6 本文的效率结果与其它已发表文章相悖的原因 本文中的研究结果显然与许多已发表文章存在冲突，大部分已发表文章认为直流配电系统的效率较高。我们查看了多份有关此问题的已发表文章，并将它们与本文的计算结果进行了比较。我们发现，大体来说，其它文章使用了不恰当的模型和假设，从而容易得出不同的结论。下面详述了其它研究与本研究的结果不同的主要原因。在其它针对直流与交流配电的研究中，使用过去的交流设备效率数据，与现状完全不符，但同时却用假定处于最佳状态的直流设备进行对比分析。例如，最近一篇文章是以假设一个交流 UPS效率是 74-96%，而一个假定直流 UPS 效率是 97%为前提的。这个前提与事实不符，施耐德电气至少有三条不同的产品线都已通过独立认证，在 56-100%负载情况下，交流 UPS 效率始终保持在 96%以上。这种对新 UPS 系统效率过低的估计是一个巨大的错误，正是造成以此为前提的文章得出不同分析结果的主因。其它针对直流与交流配电的研究假设，如果有一条可用的 48 V 直流配电总线，IT 设备就能直接通过其获得电能，无需进行各级功率转换。出于以下两个原因，这种想法从逻辑上就是错误的：1.所有使用直流输入的IT设备在设计时，负载与直流UPS之间的电路是完全隔离的，这可通过采用和交流电源相同的独立功率转换器实现。隔离电源很必要，能够确保高功率直流电源不会直接通过电线连接到IT设备机箱。如果没有隔离，那么直流在