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APC精密空調(diào)稱市場對改善數(shù)據(jù)中心效率的不斷訴求，掀起了數(shù)據(jù)中心供電與制冷技術(shù)的創(chuàng)新浪潮。一種被廣泛討論的能源效率方案是將數(shù)據(jù)中心的電源架構(gòu)從目前的交流架構(gòu)轉(zhuǎn)換為直流架構(gòu)。一些暢銷的報刊和技術(shù)雜志紛紛發(fā)表文章，暢談直流配電的優(yōu)點，Intel、施耐德電氣旗下 APC 和 Sun Microsystems 等公司還參與了相關(guān)的技術(shù)演示項目。目前，能真正在數(shù)據(jù)中心內(nèi)應(yīng)用的配電方法共有五種，包括兩種基本的交流配電方法，以及三種基本的直流配電方法。與此相關(guān)的第 63 號白皮書《數(shù)據(jù)中心交流與直流配電綜述》對這五種類型進行了說明和分析。該白皮書的一個重要發(fā)現(xiàn)，是這五種配電方法中有兩種方法可提供出眾的電氣效率，其中一種是交流配電方法，另一種是直流配電方法。已發(fā)表的文獻也普遍支持這一結(jié)論。本白皮書專門針對這兩種效率高的配電方法進行比較。除非數(shù)據(jù)中心的供電技術(shù)發(fā)生大幅改進，否則這兩種方法中的一種將很可能成為未來數(shù)據(jù)中心的配電方法。本白皮書在介紹交流配電系統(tǒng)時，所用的效率性能數(shù)值均源自可在當(dāng)今市場上購買到的實際設(shè)備。由于目前市場上尚未推出商業(yè)直流配電系統(tǒng)，因此直流配電系統(tǒng)的效率數(shù)值則基于新的樣本數(shù)據(jù)、估算數(shù)據(jù)和計算結(jié)果。本白皮書中使用的所有效率數(shù)值均輔有相應(yīng)的例證和參考資料，以便讀者對分析結(jié)果進行獨立測試和驗證。配電效率的變化可影響數(shù)據(jù)中心的總耗電量。但是，這種影響很難通過數(shù)學(xué)方式進行量化，原因有兩點： 1. 配電效率的變化會影響熱量負載，進而影響空調(diào)的功耗。 2. 數(shù)據(jù)中心中有大量的功率負載并不通過所分析的配電系統(tǒng)供電。本白皮書將詳細介紹這些影響，并通過量化方式說明配電效率的提高如何降低總耗電量。背景目前，一些現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心由于采用了較差的架構(gòu)設(shè)計以及舊式的配電技術(shù)，運行效率十分低下。施耐德電氣 發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心（不包括制冷系統(tǒng)）在運行時的供電系統(tǒng)的效率一般只有 30%，有時甚至更低。由于這種效率低下的狀況在很大程度是可以避免的，因而有大量的電能被白白浪費掉了。這種情況主要是由下列因素造成的： • IT 設(shè)備的電源效率低下 • 基于變壓器的配電柜（PDU) 效率低下 • UPS 系統(tǒng)效率低下 • 運行負載遠低于系統(tǒng)的額定設(shè)計，這進一步增加了以上各項的電能損耗在過去三年中，IT 設(shè)備的電源與 UPS 系統(tǒng)在效率方面得到了顯著改進。這意味著，現(xiàn)在安裝的交流配電系統(tǒng)通常比五年前安裝的系統(tǒng)要高效得多。此外，可擴展的模塊化 UPS 系統(tǒng)的問世，使數(shù)據(jù)中心可以根據(jù)負載輕松適當(dāng)調(diào)整 UPS 的容量，有助于避免過去常常因整體利用率不足而造成電力效率低下的情況�；谧儔浩鞯呐潆姽� 仍是造成北美很多數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)電能損耗的一個重要根源，但北美之外的地區(qū)則沒有這種情況。本白皮書中分析的交流系統(tǒng)采用 400/230 V 的歐洲配電標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)在北美地區(qū)應(yīng)用 400/230 V 交流配電標(biāo)準(zhǔn)的詳細討論，請參見第 128 號白皮書《應(yīng)用改進型高密度配電系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)中心效率》。有人認為，直流配電方法可以實現(xiàn)更高的效率，這基于下面三個假定： 1. 也許可以生產(chǎn)出效率比交流 UPS 更高的直流 UPS 2. 配電柜 (PDU) 中不再有變壓器，有助于減少電能損耗 3. 改進 IT 設(shè)備電源本身的效率也許比改進交流輸入設(shè)計更為有效簡介數(shù)據(jù)中心交流與直流配電綜述資源鏈接第 63 號白皮書應(yīng)用改進型高密度配電系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)中心效率資源鏈接第 128 號白皮書數(shù)據(jù)中心高效交流配電與直流配電的量化比較施耐德電氣 — 數(shù)據(jù)中心科研中心 第 127 號白皮書 版本 2 3 本白皮書對所有這些設(shè)想進行了量化分析，并得出以下結(jié)論： • 新一代交流 UPS 系統(tǒng)的能耗是舊式交流 UPS 的五分之一，沒有進一步證據(jù)表明，可以研制出效率更高的直流 UPS • 配電柜中的變壓器是效率低下的一個重要根源，但北美之外的地區(qū)并沒有在 配電柜中使用變壓器，且新型的高效交流配電架構(gòu)中也沒有變壓器 • 在將 IT 設(shè)備的電源轉(zhuǎn)換為直流輸入后，其效率的實際改進程度要比初設(shè)想的低得多許多已發(fā)表的文章預(yù)期，直流配電方法在效率方面可比交流配電方法提高 10% 到 30%。但是，正如您不會將新型服務(wù)器技術(shù)與十年前生產(chǎn)的服務(wù)器進行性能對比一樣，將假想的直流配電系統(tǒng)與舊式的傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)進行效率對比，也是不恰當(dāng)?shù)�。比較過去 與未來的可選方案并沒有多大意義，重要的是將現(xiàn)在 與未來的可選方案進行對比。本白皮書中的數(shù)據(jù)表明，目前好的交流配電系統(tǒng)已經(jīng)與假想中的未來直流系統(tǒng)幾乎具備相同的效率，那些暢銷報刊中關(guān)于效率提升的大多數(shù)論述都不準(zhǔn)確或存在誤導(dǎo)，甚至是錯誤的。與關(guān)于這一課題的幾乎所有其他文章和論文不同的是，本白皮書中使用的所有量化數(shù)據(jù)都輔有例證和參考資料。正如簡介中所述，要建造未來的高效數(shù)據(jù)中心，目前有兩種配電系統(tǒng)可供選擇。其中一種系統(tǒng)基于現(xiàn)有的主流 400/230 V 交流配電系統(tǒng)，目前北美和日本之外的所有數(shù)據(jù)中心幾乎都采用這一系統(tǒng)。另一種系統(tǒng)則基于概念型 380 V 直流配電系統(tǒng)，這種系統(tǒng)專為改造成可使用直流電的 IT 設(shè)備供電。圖 1 和圖 2 為這兩種系統(tǒng)的圖示。圖 1 表示種選擇。這是在北美和日本之外普遍采用的一種交流配電系統(tǒng)。請注意，在目前北美地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的配電系統(tǒng)中，UPS 電壓為 480 V 交流電，因此圖示中應(yīng)添加另一個圖塊，以表示將 480 V 交流電轉(zhuǎn)換為 208/120 V 交流電的配電柜變壓器。此圖中略去了配電柜的變壓器及其關(guān)聯(lián)的損耗，因為在向 230 V 的 IT 負載供電時，沒有必要降低 UPS 的輸出電壓。圖 2 展示了第二種選擇。這是一種假想的 380 V 直流配電方法。為使這一假設(shè)成立，需要設(shè)計出以 380 V 直流電運行的 IT 設(shè)備。文獻中曾針對這種系統(tǒng)提出了多種不同的直流電供電電壓，例如 300 V、380 V、400 V 和 575 V。但是，各種文獻資料逐漸就此問題達成一致，認為應(yīng)將 380 V 左右的電壓作為標(biāo)準(zhǔn)，本白皮書中的分析就是基于 380 V 的直流系統(tǒng)。請注意，對于同一系統(tǒng)而言，380 V 直流電和 400 V 直流電是兩個根本不同的概念。兩種高效的配電選擇交流 UPS IT 負載 400/230 V AC 圖 1 高效交流配電系統(tǒng)（在北美之外普遍使用）直流 UPS IT 負載 380 V AC 圖 2 高效直流配電系統(tǒng)（假想）數(shù)據(jù)中心高效交流配電與直流配電的量化比較施耐德電氣 — 數(shù)據(jù)中心科研中心 第 127 號白皮書 版本 2 4 分析概覽以下部分介紹本模型的總體結(jié)構(gòu)，以及為支持這一模型而需要量化的數(shù)據(jù)。了解這些信息將有助于讀者理解本白皮書的內(nèi)容。供電線路的三個部分圖 3 顯示了典型數(shù)據(jù)中心在采用高效配電系統(tǒng)時的基本供電線路。請注意，這里沒有配電柜，因為要分析的兩種配電方法都不需要 配電柜。此供電線路分為三個部分： • UPS • 配電布線 • IT 設(shè)備的電源 (PSU) 本模型的效率數(shù)據(jù)本白皮書的后續(xù)部分將分別考察這三個供電線路部分的效率數(shù)據(jù)并加以量化。其目標(biāo)是將效率數(shù)據(jù)建立為負載的函數(shù)，從而繪制出供電線路中每個部分的效率曲線（如圖 3 底部的形狀所示）。隨后，這些效率數(shù)據(jù)將被納入分析模型，以便對現(xiàn)有電源配置與假想電源配置的效率進行比較。效率曲線上之所以標(biāo)出負載為 50% 的位置，是因為本模型中的基準(zhǔn)案例將使用負載達到 50% 時的效率數(shù)值。 IT devices 后續(xù)部分將分別考察每個部分的效率曲線 UPS 布線 電源圖 3 數(shù)據(jù)中心的供電線路：三個部分、三條效率曲線負載效率效率效率負載 負載設(shè)備數(shù)據(jù)中心高效交流配電與直流配電的量化比較施耐德電氣 — 數(shù)據(jù)中心科研中心 第 127 號白皮書 版本 2 5 本模型的基準(zhǔn)運行負載 (50%) 以上數(shù)據(jù)清楚地表明，配電系統(tǒng)中的設(shè)備效率并非一成不變，而是隨著所應(yīng)用負載的變化而變化。這就是效率應(yīng)表示為一條曲線 而不是某個數(shù)字的原因。因此，如果不考慮供電線路中每個部分的實際運行負載，則計算出的任何配電效率都將是不全面的。在配電效率這一課題上，以前的大部分文章都沒有說明負載變化的影響，但這部分影響是非常重大的。在本白皮書中，我們將選擇一種能代表典型配置的基準(zhǔn)負載，然后說明效率如何隨負載的變化而變化。通過選擇基準(zhǔn)運行負載，有助于為比較交流配電與直流配電提供一個參照點，從而簡化初的討論。但是，這并不會限制實際模型的適用范圍，因為它將效率看成是一條隨負載一起變化的曲線。在實際配置中，這三個供電線路部分的運行負載（容量的一部分）彼此將是不同的，且在交互模型中還會發(fā)生動態(tài)變化（請參見圖 9）。以下部分在演示和比較交流配電與直流配電時，將選擇 50% 作為基準(zhǔn)負載。此基準(zhǔn)處于數(shù)據(jù)中心所有這三個部分的運行限制之內(nèi)（請參見上面的圖 3）。下面分別介紹 50% 的負載與數(shù)據(jù)中心這三個部分之間的關(guān)系： • UPS 于非冗余 (1N) 系統(tǒng)，50% 是典型的運行負載。對于冗余 (2N) 系統(tǒng)，50% 表示大運行負載（即在兩個 2 個 UPS 之間分擔(dān)全負載）。 • 布線與 UPS 負載類似，50% 是非冗余 (1N) 布線的一個實際運行負載。對于雙路冗余 (2N) 布線系統(tǒng)，50% 是每路饋電的大負載（實際上，美國電氣標(biāo)準(zhǔn)將負載限制為 80%，從而將每路饋電的負載實際限制為 40%）。需要說明的是，無論在何種情況下，布線的運行負載對整體效率影響甚微，因為目前的布線效率處于一個狹窄的高位區(qū)間 99-100%。 • IT 電源 IT 設(shè)備一般擁有一到兩個內(nèi)置電源。在配備單一電源的服務(wù)器中，50% 的運行負載處于運行范圍的中間位置（“空閑”負載的典型情況，服務(wù)器多數(shù)時候處于這一狀態(tài)）；對于配備雙電源的服務(wù)器，50% 表示大運行負載（即在 2 個電源之間分擔(dān)全負載）。正如本白皮書后面為這三個部分顯示的實際效率曲線所示，當(dāng)運行負載處于 50% 標(biāo)記附近時，相應(yīng)的效率并沒有太大差異，因此 50% 負載的具體位置并不十分重要。 UPS 的效率交流配電架構(gòu)以 UPS 作為起點，以形成交流配電總線；在直流配電架構(gòu)中，將由直流 UPS（有時稱為“直流電廠”或“整流器”）形成直流配電總線。在目前的交流 UPS 市場中，某些產(chǎn)品的性能是可以核實的，比如查閱它們已發(fā)布的效率規(guī)格，或?qū)λ鼈兊男阅苓M行測量。遺憾的是，施耐德電氣發(fā)現(xiàn)許多已發(fā)布的規(guī)格并不準(zhǔn)確，并不能代表產(chǎn)品的實際性能。在本次分析中，我們將只采用那些額定效率級別已經(jīng)過獨立實驗室測量和認證的知名 UPS 的效率數(shù)據(jù)。 圖 4 顯示了幾種商用交流 UPS 和直流 UPS 系統(tǒng)的效率。數(shù)據(jù)中心高效交流配電與直流配電的量化比較施耐德電氣 — 數(shù)據(jù)中心科研中心 第 127 號白皮書 版本 2 6 For convenience, the graph above is summarized in Table 1. UPS 負載 25% 50% 75% 100% APC Symmetra MW （Delta 轉(zhuǎn)換交流電） 94.1% 96.2% 96.9% 97.0% APC Symmetra PX （雙轉(zhuǎn)換交流電） 94.7% 95.7% 95.6% 95.3% APC Smart-UPS VT （雙轉(zhuǎn)換交流電） 95.3% 96.3% 96.3% 96.0% SatCon AE-75-60-PV-A （直流電） 94.5% 95.8% 95.6% 95.4% LBNL 的典型效率（雙轉(zhuǎn)換交流電） 87.3% 88.8% 88.8% 88.4% LBNL 的低效率（雙轉(zhuǎn)換交流電） 73.3% 81.9% 84.0% 84.1% 圖 4 幾種商用交流 UPS 和直流 UPS 系統(tǒng)的效率表 1 圖 4 中 UPS 效率數(shù)據(jù)的匯總 AC and DC UPS Efficiency Comparison 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Load Efficiency APC Symmetra MW 1000kVA Delta Conversion AC UPS APC Symmetra PX 160kVA Double Conversion AC UPS APC Smart-UPS VT 40kVA Double Conversion AC UPS SatCon AE-75-60-PV-A 75 kW DC UPS LBNL Typical Efficiency Double Conversion AC UPS LBNL Lowest Efficiency Double Conversion AC UPS Symmetra MW 的效率為 96.2% 交流 UPS 與直流 UPS 的效率比較效率 APC Symmetra MW 1000kVA Delta 轉(zhuǎn)換交流 UPS APC Symmetra PX 160kVA 雙轉(zhuǎn)換交流 UPS APC Smart-UPS VT 40kVA 雙轉(zhuǎn)換交流 UPS SatCon AE-75-60-PV-A 75 kW 直流 UPS LBNL 典型效率的雙轉(zhuǎn)換交流 UPS LBNL 低效率的雙轉(zhuǎn)換交流 UPS 負載數(shù)據(jù)中心高效交流配電與直流配電的量化比較施耐德電氣 — 數(shù)據(jù)中心科研中心 第 127 號白皮書 版本 2 7 交流 UPS 96.2% 直流 UPS 96.0% 模型的基準(zhǔn)數(shù)值負載為 50% 時的效率本模型的交流 UPS 效率數(shù)值 1,000 kVA APC Symmetra MW Delta 轉(zhuǎn)換 UPS 在負載為 50% 時的效率級別為 96.2%；160 kVA Symmetra PX 雙轉(zhuǎn)換 UPS 在負載為 50% 時的效率級別為 95.7%；40 kVA APC SmartUPS VT 雙轉(zhuǎn)換 UPS 在負載為 50% 時的效率級別為 96.3%。所有這些效率值均已經(jīng)過 TüV 測試實驗室 1 的認證。這些級別并不是在節(jié)能模式或旁路模式下得出的，而是通過可完全隔離輸入和輸出的在線式輸出逆變器重新生成輸出并加以調(diào)節(jié)后確定的。本次分析將使用 Symmetra MW，其在負載為 50% 時的交流配電效率為 96.2%。經(jīng)美國加州能源委員會 2 認證，75 kW SatCon 逆變器的效率值為 95.8%。（包括這款逆變器在內(nèi)的很多逆變器還可以用作整流器，它們在這兩種運行模式下應(yīng)該可以提供類似的效率，因此也可以將這款逆變器視為直流 UPS。）其余兩條曲線顯示的是 LBLN 在 2005 年的一項研究中測量的傳統(tǒng)高效雙轉(zhuǎn)換 UPS 的效率級別。3 本模型的直流 UPS 效率數(shù)值在目前的直流 UPS 市場中，沒有產(chǎn)品符合備用電池采用 380 V 直流配電系統(tǒng)的要求。現(xiàn)在有一個重要的技術(shù)難題尚未完全解決，即如何將具有不同端接電壓的電池連接在穩(wěn)定的 380 V 配電總線上。不過，Intel 與多家直流電源提供商合作，共同發(fā)布了一系列建議的設(shè)計，預(yù)期效率數(shù)值可達 97%；4 另一家供應(yīng)商 Netpower Labs開發(fā)出了一款 350 V 直流 UPS，公布的效率數(shù)值為 96%；5 LBNL 公布了針對一款原型直流 UPS 的測量結(jié)果，其效率數(shù)值為 94%。6 在這三個已公布的效率值（94%、96% 和 97%）中，我們將選擇中間的數(shù)值進行本次分析。請注意，Netpower Labs 開發(fā)的直流 UPS 的效率 (96%) 可能是佳數(shù)值，因為資料來源并未指定負載百分比。這樣，在負載為 50% 時，其效率可能低于 96%。布線的效率交流 UPS 或直流 UPS 與 IT 負載之間的布線一般都有電能損耗。損耗的大小取決于三個因素：工作電流、布線規(guī)格和纜線長度。每個數(shù)據(jù)中心都有幾百條乃至數(shù)千條不同的線纜，必須將每條線纜的損耗加在一起，才能計算出總損耗。 1 Symmetra MW - TüV 測試報告編號 _010，2005 年 9 月 26 日。Symmetra PX - TüV 測試報告 IS-EGN-MUC/ed，2007 年 6 月 12 日。Smart-UPS VT - TüV 測試報告編號 _008，2005 年 11 月 11 日。 2 美國加州能源委員會報告中的 SatCon 數(shù)據(jù)。 /erprebate/inverter_tests/summaries/ 3 美國勞倫斯伯克萊國家實驗室報告：“High Performance Buildings:Data Center – Uninterruptible Power Supplies (UPS)”（高性能建筑：數(shù)據(jù)中心 - 不間斷電源 (UPS)），2005 年 12 月，圖 17。 /documents/UPS/Final_UPS_ 4 A. Pratt 和 P. Kumar 合著的“Evaluation of Direct Current Distribution in Data Centers to Improve Energy Efficiency”

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（評估數(shù)據(jù)中心的直流配電系統(tǒng)以提高能源效率），The Data Center Journal，2007 年 3 月。 5 由 Stefan Lidstrom 在 Netpower Labs 直流數(shù)據(jù)中心股東大會上所做的演示，組織者為美國勞倫斯伯克萊國家實驗室，2007 年 7 月 12 日，請參見復(fù)合 PDF 的第 31 頁（共 67 頁）第 8 張幻燈片。 /presentations/dc-powering/dc-stakeholders/ 6 美國勞倫斯伯克萊國家實驗室：摘要“DC Power for Improved Data Center Efficiency”（直流電源可提高數(shù)據(jù)中心的效率）第 5 頁，2007 年 1 月，表 ES1。 /documents/DATA_CENTERS/ 數(shù)據(jù)中心高效交流配電與直流配電的量化比較施耐德電氣 — 數(shù)據(jù)中心科研中心 第 127 號白皮書 版本 2 8 交流電 布線 99.5% 直流電 布線 99.5% 模型的基準(zhǔn)數(shù)值負載為 50% 時的效率對于典型配置，一般可以估計出布線的損耗。線纜規(guī)格可由電路的額定容量得出，而且線纜的平均長度通常也是知道的。布線損耗的設(shè)計數(shù)值通常為全負載時負載功率的 1%。布線中的損耗與負載的平方成正比。每當(dāng)負載降低一半時，布線損耗將減少到原來的四分之一。對于負載為 50% 的數(shù)據(jù)中心，布線效率一般可達 99.5%。因此，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的布線損耗都是可以忽略不計的。請注意，不論是直流配置，還是交流配置，布線損耗都一樣。雖然所用銅纜的數(shù)目可能稍有不同，但效率并無差別。布線損耗不會導(dǎo)致交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)之間出現(xiàn)任何效率差別。 IT 電源的效率現(xiàn)代的 IT 設(shè)備都配有一個或多個內(nèi)置電源 (PSU)，用于將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為 12 V 的直流總線，進而為機箱中的各種卡或子系統(tǒng)供電。7 這些 PSU 為改進效率提供了機會。在早期的服務(wù)器中，PSU 在負載為 50% 時的效率大約為 75%（請參見圖 6）8 。但是，根據(jù) Sun Microsystems（圖 7）9 和 惠普公司（圖 8）10公布的電源效率數(shù)據(jù)，現(xiàn)在大多數(shù)新設(shè)計在多種運行負載下的效率一般都是 90% 或更高。 7 在這種“分布式電源系統(tǒng)架構(gòu)”中，各種卡或子系統(tǒng)將使用板載電源逆變器根據(jù) 12 V 總線生成自己特定的本地功率需求（例如 1.1 V、3.3 V、5 V）。PSU 通常是插在機箱中的一個模塊，用戶可自行更換。 8 美國勞倫斯伯克萊國家實驗室：“High Performance Buildings:Data Centers – Server Power Supplies ”（高性能建筑：數(shù)據(jù)中心 - 服務(wù)器電源），2005 年 12 月。 /documents/PS/Final_PS_ 9 由 Mike Bushue 在 Sun Microsystems 直流數(shù)據(jù)中心股東大會上所做的演示，組織者為美國勞倫斯伯克萊國家實驗室，2007 年 7 月 12 日。 /presentations/dc-powering/dc-stakeholders/ 10 由 Paul Perez 代表惠普公司在正常運行時間學(xué)術(shù)研討會上所做的演示，2007 年 3 月 5 日。 /jsymp/?option=com_content&task=view&id=45&Itemid=61 圖 5 布線的效率曲線布線效率 98.0% 98.5% 99.0% 99.5% 100.0% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 負載效率布線 - 全負載時損耗的 1% 50% 數(shù)據(jù)中心高效交流配電與直流配電的量化比較施耐德電氣 — 數(shù)據(jù)中心科研中心 第 127 號白皮書 版本 2 9 圖 6 美國勞倫斯伯克萊國家實驗室（LBNL）公布的早期服務(wù)器 PSU 的效率 7 圖 7 Sun Microsystems 服務(wù)器電源效率與負載的關(guān)系曲線，說明了不同輸入電壓對效率的影響 8 50% 占銘牌功率輸出的百分比效率百分比所有服務(wù)器的均值使用 380 V 直流電時的效率為 91.0% 使用 220 V 交流電時的效率為 89.5% 數(shù)據(jù)中心高效交流配電與直流配電的量化比較施耐德電氣 — 數(shù)據(jù)中心科研中心 第 127 號白皮書 版本 2 10 交流電 IT 電源 90.25% 直流電 IT 電源 91.75% 模型的基準(zhǔn)數(shù)值負載為 50% 時的效率在 Sun Microsystems 的示例中，負載為 50% 時的交流電源效率是 89.5%，在惠普公司的示例中為 91%。鑒于這些電源可作為未來服務(wù)器電源的代表（承認 400/230 V 交流電源將使服務(wù)器以 230 V 的電壓運行），我們?nèi)∵@兩個示例的平均值 90.25% 作為本模型中新服務(wù)器電源的基準(zhǔn)交流供電效率。在圖 7 的 Sun Microsystems 電源效率圖中，還包括一條針對轉(zhuǎn)換為提供 380 V 直流電的電源的效率曲線。圖中顯示，在負載為 50% 時，該曲線比 220 V 交流電源的效率曲線高大約 1.5%。許多研究中都已采用此 1.5% 的效率改進，我們將它與基準(zhǔn)的交流電源效率數(shù)值 90.25% 相加，從而計算出本模型的直流電源效率數(shù)值 91.75%。在本白皮書的后續(xù)部分中，我們將對這一改進的可能大小進行詳細分析。具有更高效率（高達 94%）的電源預(yù)計在 2008 年初面市。由于有關(guān)這些電源的數(shù)據(jù)尚未公布，因此本研究中無法引證。我們預(yù)計，這些電源在以 380 V 直流電進行供電時，效率改進幅度大約會降低 1%。供電線路的整體效率等于上述 UPS 效率、布線效率以及 IT 電源效率之積。這項計算十分簡單，如表 2 所示： UPS 布線 IT 電源 整體效率直流配電 96.0% X 99.5% X 91.75% = 87.64% AC 96.2% X 99.5% X 90.25% =86.39% 供電線路整體 效率的比較圖 8 惠普服務(wù)器電源效率與負載的關(guān)系曲線，說明了不同輸入電壓對效率的影響 9 表 2 負載為 50% 時的整體配電效率計算比較高效的交流配電方法和 360 V 直流配電方法 50% 負載 1.25% 數(shù)據(jù)中心高效交流配電與直流配電的量化比較施耐德電氣 — 數(shù)據(jù)中心科研中心 第 127 號白皮書 版本 2 11 因此，與高效交流系統(tǒng)相比，高效直流系統(tǒng)在配電效率方面擁有 1.25% 的效率優(yōu)勢。此分析基于所有供電線路上的所有部分的運行負載為 50%。從圖中可以看出，效率曲線在負載為 50% 時的形狀相對平緩，這說明在 50% 附近的負載范圍內(nèi)，不存在大的效率變化。這種效率差異針對的只是配電系統(tǒng)，它對數(shù)據(jù)中心整體功耗的影響還有待進一步分析，詳見下一節(jié)。配電系統(tǒng)中的任何效率提升百分比都不會直接轉(zhuǎn)化為整個數(shù)據(jù)中心所節(jié)省功耗增加的百分比。通過減少配電損耗，可以降低數(shù)據(jù)中心的溫度，進而降低制冷負載。因此，配電系統(tǒng)中節(jié)省的每一瓦電能，實際上可令數(shù)據(jù)中心的整體功率需求降低一瓦以上。但是，配電效率提升 1%，并不能使數(shù)據(jù)中心的總體效率提高 1% 以上。實際上，配電效率提升 1%，相應(yīng)整體效率的提升幅度則只在 1% 以內(nèi)。因配電效率變化而導(dǎo)致電能損耗減少幅度的實際計算過程如下： ΔP = P – P' ΔP = 1 – [(1 – Δη PD) x (ITP + PDP + ACPP) + LP + ACFP] 其中，P 為基準(zhǔn)交流系統(tǒng)功耗（以 1 作為參照），P' 為配電效率變化后的功耗。表 3 對公式中的其他值進行了定義，并提供了它們的典型值。在將這些值輸入上面計算數(shù)據(jù)中心整體功耗下降幅度的公式后，可以算出，終的整體功耗變化與配電效率變化之比為 0.75 比 1。這意味著，配電效率提高 1%，將導(dǎo)致整體功耗下降 0.75%。數(shù)據(jù)中心功耗的整體變化小于配電效率的變化。這一結(jié)論應(yīng)該不足為奇，因為數(shù)據(jù)中心的大部分功耗（尤其是制冷系統(tǒng)）并不是源自配電系統(tǒng)，并且降低配電損耗不會影響制冷損耗的固定 部分，而只會影響制冷損耗中的成比例變化 部分（隨制冷負載的變化而變化）。如果對上一節(jié)中得出的交流配電與直流配電的效率結(jié)果應(yīng)用這一計算過程，我們就會發(fā)現(xiàn)，因交流電轉(zhuǎn)換為直流電而提高的配電效率 (1.25%) 將使總耗電量降低 0.94%。如果對上一節(jié)中得出的交流配電與直流配電的效率結(jié)果應(yīng)用這一計算過程，我們就會發(fā)現(xiàn)，因交流電轉(zhuǎn)換為直流電而提高的配電效率 (1.25%) 將使總耗電量降低 0.94%。變量 說明 典型值 Δη PD 配電效率的變化 輸入變量 ITP IT 負載的功耗在數(shù)據(jù)中心總功耗中所占的比重（百分比） 45% PDP 基準(zhǔn)配電功耗在數(shù)據(jù)中心總功耗中所占的比重（百分比） 5% ACPP 空調(diào)損耗（隨負載變化而變化）在數(shù)據(jù)中心總功耗中所占的比重（百分比） 25% LP 照明負載的功耗在數(shù)據(jù)中心總功耗中所占的比重（百分比） 2% ACFP 固定空調(diào)損耗在數(shù)據(jù)中心總功耗中所占的比重（百分比） 23% 對數(shù)據(jù)中心整體 功耗的影響表 3 計算電力負載下降幅度時使用的變量數(shù)據(jù)中心高效交流配電與直流配電的量化比較施耐德電氣 — 數(shù)據(jù)中心科研中心 第 127 號白皮書 版本 2 12 請注意，這一發(fā)現(xiàn)明顯與其他研究中公布的信息相佐。很多膚淺的分析認為，轉(zhuǎn)換為 380 V 直流電后所節(jié)省的每一瓦電能，將對數(shù)據(jù)中心的整體功耗產(chǎn)生“兩倍到四倍的影響”。11實際上，除了配電系統(tǒng)外，節(jié)省的功耗只是空調(diào)損耗中隨負載一起變化的部分（成比例變化的損耗）。對于設(shè)計已比較完善的現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心，12這些可變損耗大約是 IT 負載的 20%，因此配電系統(tǒng)中節(jié)省的每一瓦電能，只能使數(shù)據(jù)中心的整體功耗節(jié)省 1.2 瓦。圖 9 中的 TradeOff Tools™權(quán)衡工具用于確定供電線路的效率，以及輸入電源在四種不同的方案下減少的整體百分比。借助此工具，可以分析供電線路中不同部分的效率變化對供電線路效率的影響，以及對輸入電源損耗整體下降幅度的影響�；鶞�(zhǔn)或傳統(tǒng)交流系統(tǒng)代表的是交流 UPS、配電柜 和 IT 電源都具有典型效率值的舊數(shù)據(jù)中心，并假定 IT 電源以 208 V 交流電供電。佳方案交流系統(tǒng)代表的是配有新一代高效交流 UPS、配電柜 和 IT 電源的新數(shù)據(jù)中心。400 V 交流系統(tǒng)也采用佳方案交流系統(tǒng)的現(xiàn)代配備，但它沒有配電柜（及其關(guān)聯(lián)的變壓器損耗），并假定 IT 電源以 230 V 交流電供電，其效率比 208 V 交流系統(tǒng)高 0.5%（圖 8 中綠色曲線與黃色曲線之間的距離）。380 V 直流系統(tǒng)采用假想的直流 UPS，它沒有 配電柜，其 IT 電源的效率比 208 V 交流系統(tǒng)高 1.5%（如圖 7 所示）。所有這些方案都假定布線效率相同。在此效率計算器中，影響效率的所有關(guān)鍵變量均可通過拖動滑塊來進行調(diào)節(jié)。此工具一開始會使用所有變量的默認值，正如本白皮書所述，這些值都基于 50% 的負載。此計算器工具中提供的默認“每單元熱負載的制冷損耗” 值均為 50% IT 負載的典型值。當(dāng)模型中的運行負載接近 100% IT 負載的時，用戶應(yīng)以手動方式向下調(diào)節(jié)“每單元熱負載的制冷損耗”，以反映全負載時制冷效率的提高。在計算減少的輸入功耗時，本模型假定照明負載為 2%。如果存在其他的固定負載（例如網(wǎng)絡(luò)操作中心），則上述所有方案中輸入電源損耗減少的百分比還要下降。 11 2007 年 Intel 研發(fā)成果發(fā)布會演示，“Data Center Energy Efficiency Research @ Intel Day”（Intel 研發(fā)成果發(fā)布會 - 數(shù)據(jù)中心能源效率研究），作者 Guy AlLee、Milan Milenkovic 和 James Song，2007 年 6 月。 /pressroom/kits/research/poster_Data_Center_Energy_ 12 Intel 白皮書“Air-Cooled High-Performance Data Centers:Case Studies and Best Methods”（風(fēng)冷高性能數(shù)據(jù)中心：案例研究與佳方法），作者 Doug Garday 和 Daniel Costello，2006 年 11 月。 /it/pdf/ 交流系統(tǒng)與直流 系統(tǒng)的效率比對計算器 > 使用交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)的效率比對計算器這是本白皮書中嵌入的一部交互式計算器需要安裝 Flash Player 版本 7 或更高版本—單擊 此處確定您已安裝的版本。若要下載 Flash Player，請單擊此處。單擊圖 9 中的圖像可訪問數(shù)據(jù)中心交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)計算器。數(shù)據(jù)中心高效交流配電與直流配電的量化比較施耐德電氣 — 數(shù)據(jù)中心科研中心 第 127 號白皮書 版本 2 13 一般而言，北美地區(qū)的數(shù)據(jù)中心配電效率要低于世界上的其他地區(qū)，因為該地區(qū)一直在使用基于變壓器的配電柜 (PDU)。在北美地區(qū)，UPS 電源通常使用三相 480/277 V 交流電，此電壓將由配電柜的變壓器降至三相 208/120 V 交流電，再傳輸給各項 IT 負載。與此相比，北美之外的大多數(shù)地區(qū)都使用三相 400/230 V UPS 電源，此電源可直接為負載供電，而不需要任何降壓變壓器。在大多數(shù)設(shè)計中，降壓變壓器都會造成很大一部分損耗，尤其是因為降壓變壓器的總額定功率通常比 UPS 的額定功率大得多，這意味著這些變壓器未得到充分利用。另外，在高密度的數(shù)據(jù)中心里，這些變壓器還會占據(jù)很大一部分地板空間，同時極大地增加了地板所承受的重量。有關(guān)此問題以及如何在北美地區(qū)采用 400/230 V 配電系統(tǒng)的詳細討論，請參見 第 128 號白皮書《應(yīng)用改進型高密度配電系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)中心效率》。在北美地區(qū)的某些配置中，可能需要安裝自耦變壓器，以便將現(xiàn)有的 480/277 V 電源調(diào)整為 400/230 V 標(biāo)準(zhǔn)。使用自耦變壓器意味著，變壓器的額定功率 (kVA) 僅為系統(tǒng)額定功率的 17%，從而可使變壓器以高效運行。對于北美地區(qū)需要使用自耦變壓器的系統(tǒng)，配電系統(tǒng)的效率將因為自耦變壓器的損耗而有所降低。在北美地區(qū)，某些交流配電系統(tǒng)的效率將因此降低大約 1%。但是，OEM 制造商建議擴大電源的輸入范圍，以使其包括北美 480/277 V 系統(tǒng)中已有的 277 V 交流輸入值。如果這一設(shè)想能夠?qū)崿F(xiàn)，不僅沒有必要使用自耦變壓器，而且正如圖 8 中的電源效率針對北美地區(qū)的特殊注意事項應(yīng)用改進型高密度配電系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)中心效率資源鏈接第 128 號白皮書圖 9 交流與直流系統(tǒng)計算器工具用于比較不同的配電架構(gòu)數(shù)據(jù)中心高效交流配電與直流配電的量化比較施耐德電氣 — 數(shù)據(jù)中心科研中心 第 127 號白皮書 版本 2 14 曲線所示，這還會顯著提高電源的效率（紅色曲線與黃色曲線之間的距離），進而導(dǎo)致交流配電系統(tǒng)的整體效率與 380 V 直流系統(tǒng)大體相同或略高于后者。 IT 負載變化對效率的影響本白皮書中進行的供電線路效率比較一直是按 IT 負載為 50% 計算的。配電系統(tǒng)的效率會隨 IT 負載的變化而變化，進而導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的整體效率發(fā)生改變。效率和 IT 負載之間的關(guān)系可通過模型來準(zhǔn)確表示，詳見第 113 號白皮書《數(shù)據(jù)中心的電力效率建�！�。本白皮書中的效率比較包括比較 IT 設(shè)備中 PSU（供電單元）的效率。當(dāng)實際數(shù)據(jù)中心內(nèi)的總 IT 負載發(fā)生變化時，主要是因為 IT 設(shè)備的數(shù)量 發(fā)生了變化，而不只是現(xiàn)有 IT 設(shè)備的負載發(fā)生了變化。因此，數(shù)據(jù)中心內(nèi)總 IT 負載的變化將反映在 UPS 和布線系統(tǒng)的負載上，而一般與各個 PSU 的運行負載無關(guān)。雖然 UPS 中的電流需要流經(jīng)布線和 IT 電源才能到達 IT 負載，但這并不意味著，所有這些設(shè)備都以額定容量的相同百分比運行（即以相同的運行負載工作）�？傠娏魍ǔ魅牒芏嗄酥翑�(shù)以千計的 IT 設(shè)備。請考慮一個以 5% 的容量運行的數(shù)據(jù)中心。您可以合理地認為，其 UPS 的運行負載為 5%（即數(shù)據(jù)中心容量的 5%），但是從這一數(shù)字并無法獲知任何有關(guān)各個下游 IT PSU 的運行負載信息。 UPS 上 5% 的負載可能源自以下方面： • 只有為數(shù)不多的幾臺 IT 設(shè)備以其額定輸入功率的 100% 運行；或者 • 20 倍于現(xiàn)有數(shù)目的 IT 設(shè)備以其額定輸入功率的 5% 運行；或者 • 100 倍于現(xiàn)有數(shù)目的 IT 設(shè)備以其額定輸入功率的 1% 運行。 UPS 上 5% 的運行負載顯然與受其供電的所有 IT 設(shè)備的總運行負載有關(guān)，但 IT 設(shè)備的各個工作負載彼此并不關(guān)聯(lián)，且與 UPS 上 5% 的運行負載的關(guān)聯(lián)程度也不一樣。這意味著，在數(shù)據(jù)中心供電線路的三個部分中，由于布線對效率的影響甚微（不論負載如何），因此隨著 IT 負載（無論使用交流電還是直流電）的變化，UPS 效率 的變化將對數(shù)據(jù)中心的整體效率產(chǎn)生大的影響。從上述分析可以得知，IT 負載變化對效率的影響非常小，沒有理由認為交流系統(tǒng)或直流系統(tǒng)在不同的 IT 運行負載下比對方有任何優(yōu)勢。因此，IT 負載變化的影響對本白皮書的分析和結(jié)論都不重要。結(jié)論的可信度用于建立直流與交流配電系統(tǒng)效率模型的數(shù)據(jù)計算是無可爭辯的。另一點毋庸置疑的是，沒有哪一臺配電設(shè)備的效率大于 100%。這就直接限制了假想的直流架構(gòu)的效率優(yōu)勢，媒體中公布的數(shù)據(jù)普遍都偏高了。正如本白皮書所述，只有三個關(guān)鍵值可對效率分析產(chǎn)生重大影響，它們是： 1. 交流 UPS 系統(tǒng)的效率 2. 直流 UPS 系統(tǒng)的效率 3. 通過將 IT 電源 (PSU) 轉(zhuǎn)換為直流供電而可能提高的效率這三個值的不確定性將影響效率比較的結(jié)論。因此，我們需要考慮，隨著研究的進一步深入或新技術(shù)的問世，這些值是否可能會發(fā)生顯著變化。數(shù)據(jù)中心的電力效率建模資源鏈接第 113 號白皮書數(shù)據(jù)中心高效交流配電與直流配電的量化比較施耐德電氣 — 數(shù)據(jù)中心科研中心 第 127 號白皮書 版本 2 15 交流 UPS 的效率關(guān)于交流 UPS 的效率，本白皮書中使用的數(shù)值基于目前市場上的實際產(chǎn)品，其效率性能已經(jīng)過第三方認證。在 施耐德電氣，我們可以知道在即將面市的其他產(chǎn)品中，哪些可能實現(xiàn)類似或稍高的性能�，F(xiàn)在市場上無疑還有很多舊式的交流 UPS 產(chǎn)品，與其他產(chǎn)品相比，它們的效率要低得多。因此，要建造高效的數(shù)據(jù)中心，就應(yīng)當(dāng)確保采用高效的 UPS。目前，我們預(yù)計一流的交流 UPS 的效率在接下來的幾年中不會有大幅提升。 直流 UPS 的效率關(guān)于直流 UPS 的效率，本白皮書中使用的數(shù)值均源自一家制造商公布的數(shù)據(jù)，事實上并沒有一種已知的直流 UPS 可使數(shù)據(jù)中心的配電系統(tǒng)獲得更高的效率。盡管如此，探討是否存在具有更高效率的直流 UPS 系統(tǒng)，仍具有重要意義。直流 UPS 必須將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，它必須能提供穩(wěn)定的輸出，并向市電提供經(jīng)功率系統(tǒng)校正的輸入。在這些限制下，可以認為設(shè)計出效率高于 96% 的直流 UPS 系統(tǒng)是可能的，但這些想法無一得到證實。目前，實際中類似于直流 UPS 的商用設(shè)備的例子是光電設(shè)備交互式逆變器，這種逆變器的效率已經(jīng)過優(yōu)化，從技術(shù)角度而言，它們是使用逆電流運行的直流 UPS。通過分析美國加州能源委員會公布的一份數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，這些逆變器在負載為 50% 時的效率處于 94% 到 96%（高效率）之間。本模型中假定直流 UPS 的效率為 96%，上述數(shù)據(jù)無疑為這一假設(shè)的有效性提供了重要佐證。不過，施耐德電氣的研究發(fā)現(xiàn)，終使直流 UPS 系統(tǒng)的效率略高于 96% 是可能的。因此我們認為，經(jīng)過優(yōu)化的直流 UPS 可以提供與商用交流 UPS 同樣的高效率。如果實現(xiàn)這一設(shè)想，那么佳的直流與交流配電系統(tǒng)將具有基本相同的效率，的區(qū)別在于 IT 電源因轉(zhuǎn)換為直流供電而可能會使效率有些許提高。通過將 IT 電源轉(zhuǎn)換為直流供電而可能提高的效率普遍認為，通過將 IT 電源 (PSU) 轉(zhuǎn)換為 380 V 直流輸入可以提高效率。正如本白皮書所述，新型交流電源的效率數(shù)值在較大的負載范圍內(nèi)均可達到 90% 以上。實際上，某些將在 2008 年面市的型號已達到了 94% 的效率峰值。這意味著，即使直流電源的效率為 100%，直流電源的大理論效率優(yōu)勢也只有 6% (100% – 94% = 6%)。本白皮書在分析時采用的效率提升數(shù)值為 1.5%，這是基于 Sun Microsystems 的結(jié)論而確定的。實際上，這些效率提升數(shù)值的獲取并沒有回答以下問題：1.5% 的效率提升是否處于預(yù)期之內(nèi)，或可能實現(xiàn)多大幅度的改進。關(guān)于電源在轉(zhuǎn)換為直流供電后可使效率提升多大幅度，以下討論為這一問題的確定提供了理論基礎(chǔ)。 PSU 主要有兩項功能： • 在計算電路與輸入電源之間提供安全隔離 • 將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的 12 V 直流電采用直流配電系統(tǒng)后，同樣需要進行安全隔離，以及提供穩(wěn)定的 12 V 直流電。但是，如果采用了直流配電系統(tǒng)，將可以省去 PSU 中負責(zé)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的部分電路。近，Sun Microsystems 公布了一份資料，其中對 PSU 在從交流輸入轉(zhuǎn)換為直流輸入后可能實現(xiàn)的效率提升進行了量化分析。圖 10 13顯示了有關(guān)服務(wù)器 PSU 中電力使用情況的明細。標(biāo)記為“在直流系統(tǒng)中已消除”的項是指在 PSU 轉(zhuǎn)換為直流輸入后，可以確定消除的一些部件的損耗。標(biāo)記為 “在直流系統(tǒng)中已減少”的項是指在 PSU 轉(zhuǎn)換為直流輸入后，因需要反向饋電保護而無法完全消除，但多可以減少一半的損耗。 13 由 Mike Bushue 在 Sun Microsystems 直流數(shù)據(jù)中心股東大會上所做的演示，主持方為美國勞倫斯伯克萊國家實驗室，2007 年 7 月 12 日，請參見復(fù)合 PDF 的第 19 頁（共 67 頁）第 9 張幻燈片。 /presentations/dc-powering/dc-stakeholders/ 數(shù)據(jù)中心高效交流配電與直流配電的量化比較施耐德電氣 — 數(shù)據(jù)中心科研中心 第 127 號白皮書 版本 2 16 從圖 10 中可以看出，通過轉(zhuǎn)換為直流輸入，可以消除 PSU 中大約 20% 的損耗。若要確定這些減少的損耗可使電源效率提升多大幅度，可以采用下列計算方法： Δη = η' – η = (1 – 損耗') –η = (1 – (1 – η) x (1 – PSLR)) – η = (η + PSLR – η x PSLR) – η = PSLR x (1 – η) 其中，η 是交流電源的效率，η' 是改為直流輸入后的效率，PSLR 是因轉(zhuǎn)換為直流輸入而減少的電源損耗。鑒于佳電源效率為 91.5%，而轉(zhuǎn)換為直流輸入后減少的電源損耗為 20%，因此效率的提升幅度為 1.58%。需要說明的是，效率提升主要受電源啟動效率的影響；因此，對于效率較低的電源，其在轉(zhuǎn)換為直流輸入后的效率提升幅度可能更大。但是，對于未來高效的數(shù)據(jù)中心，我們必須承認其中會不可避免地采用高效電源，因此相應(yīng)的效率提升幅度也就只有 1.5% 左右。新一代 IT 設(shè)備的 PSU 效率都在 90% 以上，因此通過計算可以看出，將 IT 設(shè)備的電源轉(zhuǎn)換為直流輸入后的效率提升幅度預(yù)計在 1.6% 左右。此發(fā)現(xiàn)與 Sun Microsystems 在近期一次演講中的結(jié)論是一致的，該結(jié)論指出，“直流/直流電源的效率通常比交流/直流電源高 1-3%”14。此外，這一發(fā)現(xiàn)與 LBNL 在直流供電數(shù)據(jù)中心演示項目中的結(jié)論也是一致的，該結(jié)論表明，采用直流系統(tǒng)后的效率提升幅度大約為 2%。15 14 由 Mike Bushue 在 Sun Microsystems 直流數(shù)據(jù)中心