数据中心高效交流配电 与直流配电的量化比较 白皮书127 修改2 作者Neil RasmussenandJamesSpitaels 内容 童< 点击内容即可跳转 本白皮书对最有效的直流配电与交流配电方法的效率进 简介 2 行了详细的量化比较，并分析了配电效率对制冷功率需 求和总耗电量的影响. 分析表明，最新的高效交流配电 两种高效的配电选择 3 架构与直流配电架构在效率方面几乎相同，因此通过迁 供电线路整体效率的比较 10 移至直流架构来寻求更高效率的做法是没有根据的. 对数据中心整体功耗的影响 11 交流系统与直流系统的效率计 算器 12 针对北关地区的特殊注意事项 13 结论 18 资源 19 APC by Schneider Electric 数据中心高效交流配电与直流配电的量化比较 简介 市场对改善数据中心效率的不断诉求，撤起了数据中心供电与制冷技术的创新浪潮. 一种被广泛 刊和技术杂志纷纷发表文章，畅谈直流配电的优点，Intel、APC和 Sun Microsystems等公司还 参与了相关的技术演示项目. 目前，能真正在数据中心内应用的配电方法共有五种，包括两种基本的交流配电方法，以及三种 基本的直流配电方法. 与此相关的APC第63号白皮书数据中心的交流配电与直流配电对这五 APC白皮书63 资源 种类型进行了说明和分析. 该白皮书的一个重要发现，是这五种配电方法中有两种方法可提供出 众的电气效率，其中一种是交流配电方法，另一种是直流配电方法. 已发表的文献也善道支持这 AC vs. DC Power Distribution 一结论. 本白皮书专门针对这两种效率最高的配电方法进行比较. 除非数据中心的供电技术发生 for Data Centers 大幅改进，否则这两种方法中的一种将很可能成为未来数据中心的首选配电方法. 本白皮书在介绍交流配电系统时，所用的效率性能数值均源自可在当今市场上购买到的实际设 备. 由于目前市场上尚未推出商业直流配电系统，因此直流配电系统的效率数值则基于最新的样 本数据、估算数据和计算结果. 本白皮书中使用的效率数值均辅有相应的例证和参考资料， 以便读者对分析结果进行独立测试和验证. 配电效率的变化可影响数据中心的总耗电量. 但是，这种影响很难通过数学方式进行量化，原因 有两点： 1.配电效率的变化会影响热量负载，进而影响空调的功耗. 2.数据中心中有大量的功率负载并不通过所分析的配电系统供电. 本白皮书将详细介绍这些影响，并通过量化方式说明配电效率的提高如何降低总耗电量. 背景 目前，一些现有的数据中心由于采用了较差的架构设计以及旧式的配电技术，运行效率十分低 下. APC发现，数据中心（不包括制冷系统）在运行时的供电系统的效率一般只有30%，有时 甚至更低. 由于这种效率低下的状况在很大程度是可以避免的，因而有大量的电能被白白浪费掉 了. 这种情况主要是由下列因素造成的： IT设备的电源效率低下 ●基于变压器的配电电源（PDU）效率低下 UPS系统效率低下 运行负载运低于系统的额定设计，这进一步增加了以上各项的电能损耗 在过去三年中，IT设备的电源与UPS系统在效率方面得到了显著改进. 这意味着，现在安装的 交流配电系统通常比五年前安装的系统要高效得多. 此外，可扩展的模块化UPS系统的间世， 使数据中心可以根据负载轻松适当调整UPS的容量，有助于避免过去常常因整体利用率不足而 造成电力效率低下的情况. 基于变压器的PDU仍是造成北美很多数据中心出现电能损耗的一个 资源 重要根源，但北美之外的地区则没有这种情况. 本白皮书中分析的交流系统采用400/230V的欧 APC白皮书128 洲配电标准. 有关在北美地区应用400/230V交流配电标准的详细讨论，请参见APC第128号 Efficiency by Using improved 白皮书使用改进型高密度配电系统提高数据中心的效率. High Density Power Distribution 有人认为，直流配电方法可以实现更高的效率，这基于下面三个假定： 1.也许可以生产出效率比交流UPS更高的直流UPS 2.配电单元（PDU）中不再有变压器，有助于减少电能损耗 3.改进IT设备电源本身的效率也许比改进交流输入设计更为有效 APC by Schneider Electric 白皮书127修改22 数据中心高效交流配电与直流配电的量化比较 本白皮书对这些设想进行了量化分析，并得出以下结论： 新一代交流UPS系统的能耗是旧式交流UPS的五分之一，没有进一步证据表明，可以研 制出效率更高的直流UPS PDU中的变压器是效率低下的一个重要根源，但北美之外的地区并没有在PDU中使用变 压器，且新型的高效交流配电架构中也没有变压器 在将IT设备的电源转换为直流输入后，其效率的实际改进程度要比最初设想的低得多 许多已发表的文章预期，直流配电方法在效率方面可比交流配电方法提高10%到30%. 但是， 正如您不会将新型服务器技术与十年前生产的服务器进行性能对比一样，将假想的直流配电系统 与旧式的传统交流配电系统进行效率对比，也是不恰当的，比较过去与未来的可选方案并没有 多大意义，重要的是将现在与未来的可选方案进行对比. 本白皮书中的数据表明，目前最好的交流配电系统已经与假想中的未来直流系统几乎具备相同的 效率，那些畅销报刊中关于效率提升的大多数论述都不准确或存在误导，甚至是错误的. 与关于 这一课题的几乎其他文章和论文不同的是，本白皮书中使用的量化数据都辅有例证和参 考资料. 两种高效的配 正如简介中所述，要建造未来的高效数据中心，目前有两种配电系统可供选择. 其中一种系统基 电选择 于现有的主流400/230V交流配电系统，目前北美和日本之外的数据中心几乎都采用这一系 统. 另一种系统则基于概念型380V直流配电系统，这种系统专为改造成可使用直流电的IT设 备供电. 图1和图2为这两种系统的图示. 图1 交流 400/230V交流配 高效交流配电系统（在北美之 IT负载 外普遍使用） UPS 图1表示第一种选择. 这是在北美和日本之外普遍采用的一种交流配电系统，请注意，在目前北 美地区标准的配电系统中，UPS电压为480V交流电，因此图示中应添加另一个图块，以表示 将480V交流电转换为208/120V交流电的PDU变压器. 此图中略去了PDU变压器及其关联 的损耗，因为在向 230V的IT负载供电时，没有必要降低UPS的输出电压. 图2 高效直流配电系统（假想） 直流 380V直流配电 IT负载 UPS 图2展示了第二种选择. 这是一种假想的380V直流配电方法. 为使这一假设成立，需要设计 出以380V直流电运行的IT设备，文献中曾针对这种系统提出了多种不同的直流电供电电压， 例如300V、380V、400V和575V.但是，文献资料逐渐就此问题达成一致，认为应将380 V左右的电压作为首选标准，本白皮书中的分析就是基于380V的直流系统. 请注意，对于同一 系统而言，380V直流电和400V直流电是两个根本不同的概念. APC by Schneider Electric 白皮书127修改23 数据中心高效交流配电与直流配电的量化比较 分析概览 以下部分介绍本模型的总体结构，以及为支持这一模型面需要量化的数据. 了解这些信息将有助 于读者理解本白皮书的内容. 供电线路的三个部分 图3显示了典型数据中心在采用高效配电系统时的基本供电线路. 请注意，这里没有PDU，因 为要分析的两种配电方法都不需要PDU.此供电线路分为三个部分： UPS 布线 ●IT设备的电源(PSU) 本模型的效率数据 本白皮书的后续部分将分别考察这三个供电线路部分的效率数据并加以量化. 其目标是将效率数 据建立为负载的函数，从而绘制出供电线路中每个部分的效率曲线（如图3底部的形状所示）. 随后，这些效率数据将被纳入分析模型，以便对现有电源配置与假想电源配置的效率进行比较. 效率曲线上之所以标出负载为50%的位置，是因为本模型中的基准案例将使用负载达到50%时 的效率数值. ITdevices 图3 数据中心的供电线路： 三个部 分、三条效率曲线 UPS 布线 电源 后续部分将分别考察 每个部分的效率曲线 负款 负载 负载 APC by Schneider Electric 白皮书127修改2 4 数据中心高效交流配电与直流配电的量化比较 本模型的基准运行负载(50%) 以上数据清楚地表明，配电系统中的设备效率并非一成不变，而是随着所应用负载的变化而变 化. 这就是效率应表示为一条曲线而不是某个数字的原因. 因此，如果不考虑供电线路中每个 部分的实际运行负载，则计算出的任何配电效率都将是不全面的. 在配电效率这一课题上，以前的大部分文章都没有说明负载变化的影响，但这部分影响是非常重 大的. 在本白皮书中，我们将选择一种能代表典型配置的基准负载，然后说明效率如何随负裁的 变化而变化，通过选择基准运行负载，有助于为比较交流配电与直流配电提供一个参照点，从而 简化最初的讨论. 但是，这并不会限制实际模型的适用范围，因为它将效率看成是一条随负载一 起变化的曲线. 在实际配置中，这三个供电线路部分的运行负载（容量的一部分）彼此将是不同 的，且在交互模型中还会发生动态变化（请参见图9）. 以下部分在演示和比较交流配电与直流配电时，将选择50%作为基准负载. 此基准处于数据中 心这三个部分的运行限制之内（请参见上面的图3）. 下面分别介绍50%的负载与数据中 心这三个部分之间的关系： UPS 于非元余（1N）系统，50%是典型的运行负裁. 对于元余（2N）系统，50%表示最大运行负 载（即在两个2个UPS之间分担全负载）. 布线 与UPS负裁类似，50%是非瓦余（1N)布线的一个实际运行负裁. 对于双路瓦余（2N）布线系统，50%是每路馈电的最大负载（实际上，美国电气标准将负 我限制为80%，从而将每路馈电的负载实际限制为40%），需要说明的是，无论在何种情 况下，布线的运行负载对整体效率影响甚微，因为目前的布线效率处于一个狭窄的高位区 间 99-100% IT电源 IT设备一般拥有一到两个内置电源. 在配备单一电源的服务器中，50%的运行负载处于运 行范围的中间位置（“空闲”负载的典型情况，服务器多数时候处于这一状态）：对于配 备双电源的服务器，50%表示最大运行负载（即在2个电源之间分担全负载）. 正如本白皮书后面为这三个部分显示的实际效率曲线所示，当运行负载处于50%标记附近时， 相应的效率并没有太大差异，因此50%负载的具体位置并不十分重要. UPS的效率 交流配电架构以UPS作为起点，以形成交流配电总线：在直流配电架构中，将由直流UPS（有 在目前的交流UPS市场中，某些产品的性能是可以核实的，比如查阅它们已发布的 效率规格，或对它们的性能进行测量. 遗憾的是，APC发现许多已发布的规格 并不准确，并不能代表产品的实际性能. 在本次分析中，我们将只采用那些 UPS 图4显示了儿种育用交流UPS和直流UPS系统的效率. APC by Schneider Electric 白皮书127修改25
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