在某種意義上，數(shù)據(jù)中心的空間即成本；電費則是運營時期成本的大頭。今天，我們將從設(shè)備占地空間+運營期間的用電效率兩個角度，將“市電+HVDC”與傳統(tǒng)UPS供電架構(gòu)成本進行對比。
圖1是“2N UPS”和“市電+240V HVDC”從低壓側(cè)到服務(wù)器的供電拓撲。目前數(shù)據(jù)中心應(yīng)用最為廣泛的容量等級約為400KVA、UPS輸出功率因數(shù)典型值為0.8-0.9，折算成360KW，相當于同樣功率的單套1200A的高壓直流系統(tǒng)。
即兩套400KVA的”2N UPS“和一路360KW市電+另外一路360KW的”240V HVDC“混合供電架構(gòu)做對比，兩者容量基本一樣，供電可靠性也基本處于一個等級，具備可比性。
由于變壓器及其輸入前級基本一樣不再比較，這里分別從變壓器輸出柜、不間斷電源系統(tǒng)、電源輸出配電柜、末端列頭柜等多級配電路由來進行對比，定量分析配電柜的造價成本及配電柜數(shù)量，后者會影響到機房空間占用面積及場地租金等成本。
圖1所示，對于400KVA的UPS，變壓器輸出側(cè)（變壓器輸出總開關(guān)沒畫出）給到UPS需要兩個800A左右的框架斷路器，一個給到主路，另外一個給旁路，占用整個低壓配電柜。這里還沒有考慮UPS諧波治理額外需要的濾波器等配電柜，也沒考慮可能的手動維修旁路柜等，因此兩套UPS占用2個整低壓配電柜，每個低壓配電柜內(nèi)部包含2個800A的大框架斷路器。
而對于"市電+240V HVDC"供電架構(gòu)，市電直供支路直接由低壓母線排直聯(lián)的1個低壓配電柜直接輸出多路到各個列頭柜，比如該低壓配電柜內(nèi)有5個250A的抽屜式塑殼開關(guān)，輸出5路直接直聯(lián)到5個市電直供的列頭柜。而高壓直流系統(tǒng)只需要1個800A的框架斷路器，占用半個低壓配電柜，剩余1個800A框架開關(guān)預留給另外一套高壓直流系統(tǒng)用。此外，為考慮負載均衡等，兩套變壓器會交錯同時各帶一半的市電直供負載和高壓直流系統(tǒng)負載。
綜上，在低壓側(cè)，2N的UPS系統(tǒng)只需要2個整低壓配電柜，共4個800A的框架斷路器；而市電+240V HVDC系統(tǒng)在低壓配電部分會占用半個低壓配電柜，計1個800A框架斷路器，以及1整個低壓配電柜，帶5個250A的塑殼斷路器。
對于不間斷電源系統(tǒng)，考慮同樣大小的負載及同樣15到30分鐘時長的后備電池時間，理論上電池的安時數(shù)應(yīng)該是基本一樣的，同樣電池占用場地也基本一樣，這里不再深入比較。再考慮不間斷電源系統(tǒng)本身，不同廠家的電源系統(tǒng)可能略有不同，但差異不會很大取典型值，對于400KVA的UPS通常都有1個輸入配電柜、2個主機柜及1個主輸出開關(guān)共4面柜子，對于1200A的“240V HVDC”也類似有1個輸入配電柜、2個整流柜及1個輸出熔絲配電柜共4面柜子�？梢�，不管是電池還是不間斷電源系統(tǒng)的機柜數(shù)量及占地面積兩者差異不大，各占用了4個不間斷電源系統(tǒng)柜。但這個配電層，市電直供支路無需任何開關(guān)及配電柜。
因此，對于2N的UPS架構(gòu)占用了8個機柜位，而市電+240V HVDC架構(gòu)只占用4個機柜位。
對于輸出配電柜部分，由于UPS通常都帶有輸出配電柜，因此每套400KVA的UPS輸出通常都需要一個800A或者630A的框架斷路器，以及5個左右的250A抽屜柜到每個列頭，所以每套UPS的輸出配電柜部分會占用2個配電柜位，計1個800A的框架斷路器及5個250A的塑殼斷路器。
兩套2N的UPS系統(tǒng)共需要4個配電柜位、2個800A框架斷路器及10個250A的塑殼斷路器。而對于“市電+240V HVDC”系統(tǒng)，市電直供支路無需配電柜及開關(guān)，同樣對于“240V HVDC"系統(tǒng)，由于其輸出配電部分已經(jīng)包含在電源系統(tǒng)的輸出熔絲柜內(nèi)了，所以也不需要額外輸出配電柜及輸出開關(guān)等。
到最后的列頭柜層面，基于同樣總功率及單機柜功率密度來測算，2N的UPS和“市電+240V HVDC”兩個方案在列頭柜數(shù)量及配電開關(guān)數(shù)量方面可以認為基本一樣，只是會在配電空開及線纜方面會有些差異，造價有所不同。直流空開比交流空開貴，因此配電空開造價市電+240V架構(gòu)會貴一些。在線纜投資方面，UPS系統(tǒng) 因為增加兩套輸出配電柜及線纜，以及手動維修旁路線纜等；而”240V HVDC“因為是單相供電，高壓直流輸出到列頭柜的單相線纜成本會比2NUPS的三相傳輸線纜成本稍高些，但總功率一樣，耗銅量差別不會很大。
我們定性認為“市電+240V HVDC”的線纜總投資不會超過2N UPS的線纜總投資。
從前面各級配電部分進行分拆對比，我們還會發(fā)現(xiàn)從傳統(tǒng)UPS供電，到“240V HVDC”供電，再到市電直供技術(shù)，其配電結(jié)構(gòu)層級是不斷精簡的，分別從四級配電精簡到三級配電直至市電直供的兩級配電。而且配電越來越靠近負載末端，從集中式系統(tǒng)逐步向分布式系統(tǒng)演進，還可以大大減少線纜投資及傳輸過程損耗，減少投資簡化運營。
配電結(jié)構(gòu)層級綜上討論，我們對比了供電能力均為360KW的2N UPS的配電架構(gòu)和市電+240V HVDC的配電架構(gòu)，得到如下的投資成本對比。結(jié)果表明市電+240V HVDC架構(gòu)會比2N UPS架構(gòu)節(jié)省較大投資，且占用了更少的機房面積。
前面分析了很多一次性投資成本CAPEX及占地面積的比較。對于數(shù)據(jù)中心而言，更長的生命周期處于運營階段，而運營成本構(gòu)成中很大一塊是電費，下面繼續(xù)分析OPEX中的用電成本，對于360KW的系統(tǒng)，這里按320KW的實際負載來估算，分別比較2N UPS和市電+240V HVDC在8年生命周期內(nèi)的總電費差異。
UPS系統(tǒng)的效率往往隨著負載率的提升而增加，如果UPS系統(tǒng)長期處于輕載狀態(tài)，那么運行的實測效率并沒有達到宣稱的最高效率點。對于2N UPS架構(gòu)，每套UPS的負載率往往只有30%-40%之間，雖然選用了最高效率為94%的UPS，但實際的運行效率很可能只有90%左右。而對于“240V HVDC”系統(tǒng)，由于有電池直接掛接母線，那么高壓直流系統(tǒng)是允許節(jié)能休眠的，監(jiān)控會自動開啟需要工作的電源模塊數(shù)量，并使電源系統(tǒng)在任何負載情況下都可以工作在最高效率點附近，即高壓直流可以在全負載范圍內(nèi)都達到94%以上效率，而市電直供支路基本是100%供電效率，因此市電+240V HVDC綜合供電效率為97%。如圖5：
由于每千瓦IT都需要經(jīng)過不間斷電源系統(tǒng)供電，因此320KW的IT負荷經(jīng)過90%效率的2N UPS架構(gòu)每年浪費的電費（按每度電8毛RMB估算）高達22.43萬元，而“市電+240V HVDC”只浪費6.73萬元。此外，電力室內(nèi)的不間斷電源設(shè)備產(chǎn)生的熱量需要額外的空調(diào)系統(tǒng)帶走，還需考慮這部分空調(diào)能耗產(chǎn)生的電費，為簡化分析按電力空調(diào)的散熱能效COP為4估算。這樣320KW的IT負荷在數(shù)據(jù)中心8年的生命周期內(nèi)，僅僅計算不間斷電源系統(tǒng)效率損耗及電力室空調(diào)能耗，2N UPS供電架構(gòu)浪費電費224.32萬，而“市電+240V HVDC”只浪費電費67.28萬，節(jié)省了157萬元的運營電費。
綜上所述，在類似可靠性及輸出能力的2N配置400KVA UPS和容量為360KW的“市電+240VHVDC”供電架構(gòu)，在帶320KW負載的模型下。市電+240V HVDC供電架構(gòu)比傳統(tǒng)的2N UPS架構(gòu)減少投資44萬（不含電池及配電線纜約節(jié)省投資40%），并節(jié)省6個配電柜（不含電池室約節(jié)省了57%的配電柜占用面積）。還在機房運營的8年生命周期內(nèi)，節(jié)省運營電費157萬。折算成TCO，僅僅在CAPEX及OPEX的電費部分就節(jié)省投資200萬。
如果對于10萬臺服務(wù)器的一個大型數(shù)據(jù)中心，僅僅是采用了“市電+240V HVDC”技術(shù)在8年時間內(nèi)就可以節(jié)省TCO高達1.2億元，非常可觀，包括帶來的運維簡化等，該技術(shù)很值得在業(yè)界推廣使用。
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