电源行业深度报告:电力基础设施,筑牢新基建

电源行业深度报告:电力基础设施,筑牢新基建

时间:2020-03-21 19:14 作者:admin 点击:
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发布时间:03-15 07:00

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1、传统数据中心电源方案 UPS&HVDC 各据山头,HVDC 更得互联网厂商青睐

数据中心对能源利用率(PUE)的要求越来越高,数据中心配电系统的更新需求 增大。

随着云计算技术成熟,数据中心的规模也在不断扩大,达到万级甚至十万级服务 器的水平,成为数据存储、处理的重要枢纽。

在 DC 管理不断细致化和智能化过程中,数据中心相对于普通机房对外界环境要 求具有极高的严苛性(包括湿度、温度、磁场干扰等)。为使 DC 核心设备服务器等能 够正常运行,需要大量基础设施的辅助,这也是目前 IDC 能耗巨大的原因之一。

当前数据中心集中使用大规模的服务器和小型机,稳定安全的电源系统是保证数 据中心稳定运行的最基础的动力保证。因此只有根据计算中心服务器等设备用电特性 和使用中面临的问题进行预先设计并选择最优方案,才能在数据中心运行中保证供电 的高可靠性和高可用性。

传统数据中心配电系统主要由以下四部分构成:

(1)备用电源: IDC 一般设置双电网的供电系统,一条在市电正常情况下作为 负载提供电源,另一路市电则用于备用电源,也可以用发电机组代替。最后备用电源 在市电和发电机均出现故障时,为负载供电。

(2)电源转换设备: 包括自动转换开关电器(ATS)、 UPS 和静态转换开关(STS) 三部分。ATS 能够实现从一路电源自动切换到另一路电源,保证一级负荷的稳定运行。 如果交流供电发生故障,UPS 提供后备电源,将蓄电池通过 DC/AC 转换成交流电持续 给负载供电。

(3)配电设备: 主要包括交流输入配电、UPS 输入配电、UPS 输出配电、负载 机架排配电(列头柜)以及机架配电(PUD)等。

(4)谐波抑制与治理设备: 由于系统存在整流环节,不可避免的带来谐波源, 所以必须增加谐波抑制与治理设备来减少谐波对电网造成的污染。

根据 GB50174--2008《电子信息系统机房设计规范》,电子信息系统应划分为 A、 B、C 三级。具体分级如下:

供电系统中的交直流相互转换,不仅是电能损耗的主要来源,同时也可能危及供 电系统的稳定性与安全性。理想的数据中心供电系统即是电能直接以直流电的形式相 互转换,忽略整流和逆变单元。

IDC 和数据机房作为数据业务专用机房,根据直交流转换的不同,目前的数据中 心供电方式主要有以下三种模式:传统 UPS 供电系统、HVDC 供电系统和市电直供。

1.1.传统 UPS:超大型数据中心牵引电源备份增加,向大功率、模块化发展,电源整体价值量有望提升

UPS(Uninterruptible Power Supply)利用电池的化学能作为能量后备,当市 电发生断电或异常等电网故障时,为用户设备提供不间断的(交流)电能的一种能量 转换装置,被称之为不间断电源。目前数据中心应用最广的主流产品即在线双变换 UPS。

目前 UPS 从储能方式大致分为动态 UPS 和静态 UPS,动态 UPS 和静态 UPS 又可以 细分为后备式,在线互动式,在线双转换式等;从技术上又分为工频机和高频机, 高频机中又细分为塔式机和模块化。

UPS 作为应用最为成熟的不间断电源产品在各行各业应用广泛,尤其是通信、互 联网、电力、军事等对于供电要求比较严格的行业。

UPS 主要分为三大部分: 整流模块、逆变模块和蓄电池。当电网给系统输电时, 经过整流模块整流后,将 AC 转化为 DC,DC 经逆变模块逆变成 AC 供给给各个负载, 并给蓄电池充电,而大多负载又通过内部适配器将 AC 再次转化为 DC 使用。若电网故 障无法给系统输电时,蓄电池中储存的电能立刻就会大幅度输出,经过逆变器输送给 各个负载。

AC UPS+后备电池方案由于高成熟度在世界范围内广泛应用。但是随着数据中心 建设规模越来越大,用户对数据中心能耗和可用性要求逐渐提高,该方案固有的低效 率和可用性差等缺点逐渐暴露。

UPS 技术架构存在的缺陷:

1.1.1.大型及超大型数据中心采用更为节能的 ECO 模式,电源备份冗余增加

由于 UPS 结构复杂,因此自身容易发生故障,因此在实际应用中,依靠设备冗余 能够提高供电可靠性,普遍采用 N+1(冗余并联 UPS)或 2N(双系统 UPS)的供电架构。除此之外,UPS 系统设计配置方案还包括无冗余、串联冗余、分布式冗余等,其 相关使用信息如下表:

实际应用 N+1 或 2N 系统配置,因冗余度较高而造成实际负载率较低,直接导致 实际系统效率仅约 200kW,能效过低。另外, UPS 由于自身原理特性,系统架构复 杂,内部器件繁多,导致可靠性差(尤其是输出端静态开关切换时容易产生瞬断), 维护难度大,实际可用性较低。

但 UPS 的双变换拓扑的稳压、滤波功能使得传统 UPS 能够保证引入储能系统并提 供稳定输出,因此其抗干扰能力在交通、通信等行业及其他具备恶劣使用环境(矿场、 车间)一直广泛应用。

虽然传统 UPS 系统配合双路市电引入及后端双路供电服务器设备能够达到符合要 求的可靠性,但是同时也带来投资的增长。对于目前规模体量不断增加的数据中心来 说,其系统架构越来越复杂,成本越来越高并不适用其长期发展。

因此随着电网环境不断转好,且服务器成本下降,同时包括数据中心采用 ECO 模式(经济模式)供电应用越来越广泛:

ECO 模式即 UPS 通过旁路来进行供电,在停电或者电网波动超过设定上线时自动 切换到双变换模式。

在数据中心供电系统中,如今数据中心大多选在一线城市或周边,其电网环境普 遍较好,同时服务器不仅价格低廉且电源抗干扰能力不断增强(自带 PFC 校正功能), 因此在欧洲等电网环境较好的地区 ECO 模式应用不断增加。

1.1.2.模块化数据中心建设,引导 UPS 产品大功率化、模块化

随着云计算、虚拟化等技术成熟以及集中化、高密化服务器的发展,数据中心需 要更加可靠、高效并能够整体快速部署的建设方案,模块化数据中心就应需而生,并 逐渐成为目前广受市场认可的新模式。

而在数据中心初期建设过程中,就必须要考虑未来扩容增量的需求,因此统一标 准化的模块化设计能够为未来规划设计带来便利,同时其整理快速部署也能大大缩减 建设周期,尤其有利于大规模数据中心的分阶段投产以及后期的统一维护等。

模块化数据中心简单来说是指供配电和空调系统能够标准化并整体快速部署组成 数据中心并开始运行的系统,即可以是一个机房,一层楼或者是一整栋建筑作为一个 模块。

但实际应用中,模块化数据中心并不只是简单的模块化 UPS 和列间空调的简单组 合,还应该考虑灵活匹配不同行业需求,根据数据中心规模大小、场景、应用等作出 差异化部署。其能够灵活运营于中小型数据中心部署,同时在数据中心超大型规模导 向下,其产品化、标准化的模式也能有效解决超大型数据中心“高可靠、高效节能和 整体快速部署”的需求。

不过从技术演进角度来说,模块化数据中心源自于模块化 UPS 的出现,模块化 UPS 的可拓展性、高能效性等方面补足了对比 HVDC 模块的缺陷。而模块化数据中心 在模块化 UPS 基础之上进一步集成制冷系统、电力分配系统以及机柜系统,同时模块 化设计能够帮助数据中心分期投资,减少一次到位的资本支出负担以及缩短大规模数 据中心建设初期低负载的运行时间,最终达到节约成本,提高能效的目的。

1.2.互联网厂商率先推广市电+HVDC,迎接未来数据中心电源新模式

1.2.1.模块化 UPS 弥补了传统 UPS 的技术缺陷,但在成本侧和并机条件上仍稍弱于 HVDC 系统

前文中就体积模块化 UPS,弥补了传统 UPS 在弹性扩展、匹配性、高可用性、高 密度、高效率等多方面的不足,产品性能与 HVDC 模块差异不大。

但是 HVDC 系统的直流模块并机只涉及模块均流,只需调压即可,而 UPS 模块在 实际运用中,并机需要幅度、频率和相位一致才能可靠并机,因此 HVDC 模块能够更 为安全的去热插拨增加或者更换故障模块。

1.2.2.HVDC 系统对传统 UPS 电源的替代效应

相对传统 UPS 而言,HVDC 系统结构大大简化,同时在低故障率、在线扩容、系 统复杂度、可维护性上都具有一定优势。

其架构优势具体表现为:

a、拓扑简单: 蓄电池连在输出母线上,可靠性高;

b、维护便捷,割接改造更为方便: 插拔式设计,可在线扩容、不掉电割接;

对于采用 UPS 供电的设备来说,除非其采用双电源(或四电源、六电源),或专 门配置有 STS 设备,否则通常只能采用停电方式割接。对于重要系统来说,这是难以 忍受的,更为麻烦的是,一些没有厂家支撑的老型设备,很有可能出现停机不能重启 的现象。

直流电源只要做到输出电压和极性相同即可连接到一起,从而实现不停电割接。

c、受到干扰少,可靠度更高 :UPS 在断电时蓄电池需要通过逆变电路进行输出, 而 HVDC 蓄电池与输出共母排,理论上备电系统更加简单可靠。但同时电池长期热备 份同样对其使用寿命造成影响,因此 HVDC 对电池管理要求更高;

高压直流供电技术引入的主要目的就在于提升系统的可靠性。UPS 系统本身仅并 联主机具有冗余备份,整机系统组件之间更多是串联关系,总体可靠性低于单个组件 的可靠性。直流系统,系统的并联整流模块、蓄电池组均构成了冗余关系,总体可靠 性高于单个组件的可靠性。理论计算和运行实践都表明,直流系统的可靠性要远远高 于 UPS 系统。

d、低冗余度和模块休眠功能提高实际运行效率: 虽然 HVDC 和 UPS 的单机设备 在一定负载率下效率相差无几,但 HVDC 系统整流模块采用小容量 N+1 冗余,冗余度 较低,且具备模块休眠功能,使得其在实际应用中整流模块能够运行在 50%-80%的高 负载率区间中,大幅提高实际运行效率,较传统 UPS 实际效率高出 10%-15%。

目前大量使用的 UPS 主机均为在线双变换型,在负载率大于 50%时,其转换效率 与开关电源相近。为了保证 UPS 系统的可靠性,UPS 主机均采用 n+1 方式运行,UPS 单机的设计最大稳定运行负载率仅为 35~53%。而受后端设备虚提功耗和业务发展的 影响,很多 UPS 系统通常在寿命中后期才能达到设计负载率,甚至根本不能达到设计 负载率,UPS 主机单机长期运行在很低的负载率,其转换效率通常为 70%,甚至更低。 对于直流电源系统而言,因其采用模块化结构,可根据输出负载的大小,可灵活控制模块的开机运行数量,使整流器模块的负载率始终保持在较高的水平,从而使系统的 转换效率保持在较高的水平。

e、带载能力大大提高

UPS 系统带载能力受两个因素的制约,一是负载的功率因数,二是负载的电流峰 值系数,通常 UPS 主机的设计波峰因数为 3,如果负载的电流峰值系数大于 3,则 UPS 主机将降容使用。

对于直流系统而言,不存在功率因数的问题;因其并联了大容量蓄电池组,加之 整流器模块有大量的富余(充电和备用),其带大电流峰值的负荷能力很强,不需专 门增加安全余量。

但在实际应用过程中,HVDC 普遍还被商家宣传效率高,节能环保,虽然 HVDC 系 统效率比工频 UPS 高,但与目前模块化 UPS 并没有明显差别(模块化 UPS 在下文再 详细描述);

此外在模块化方面,HVDC 模块支持热插拨,相比传统塔式 UPS 在扩容和维护上 都有很大优势,但与模块化 UPS 差别不大。

小结:HVDC 系统以其在系统效率、可靠性、可维护性及建设成本等方面的突出 优势大获互联网厂商青睐。虽然传统 UPS 行业也衍生出了高频 UPS 等技术分支,部 分解决了传统 UPS 负载率低、分期建设难、可扩展性差等问题,但由于多模块的交 流并机复杂性、单点并机板、异常转旁路、电池挂接在逆变器前逆变损坏等风险都 无法和 HVDC 技术媲美。此外目前模块化 UPS 在产品端与 HVDC 产品也差别不大,但 由 HVDC 构成的供电系统及其后端服务器的变化才是 HVDC 真正的价值体现。

A、成本端:大大压缩前期投资和后期维护成本

(1)高压直流电源投资成本低

HVDC 系统比传统 UPS 系统节省至少 40%的投资,且占用更少机房面积,而对于 数据中心来说更小的占地面积也意味着更低的成本 。以 2N UPS 和 240V HVDC 为例, 目前数据中心应用最为广泛的容量等级约为 400KVA、UPS 输出功率因数典型值为 0.8-0.9,折算成 360KW,相当于同样功率的单套 1200A 的高压直流系统。

(2)电源维护成本低

在维修成本方面,高压直流供电采用的整流模块化结构,现场替换非常方便,而 且由于直流供电系统的可靠性远高于交流 UPS 系统,故维修概率也大大减小。

B、技术端:HVDC 系统与当前的模块化 UPS 产品差异并不大

模块化 UPS 弥补了传统 UPS 在弹性扩展、匹配性、高可用性、高密度、高效率等 多方面的不足,产品性能与 HVDC 模块差异不大,但成本略高于 HVDC,安全性高于 HVDC。

C、政策端:通信行业及国家技术标准逐渐完善

近几年来,随着国家队节能减排以及绿色数据中心技术的愈加重视,中国通信行 业及国家相关 HVDC 标准相继发布,不断引导和支持 HVDC 推广工作。

2012 年,为贯彻落实节能减排,加快节能技术推广普及,发改委公布的《国家 重点节能技术推广目录(第五批)》中就有“通信用 240V 高压直流供电系统技术”, 是信息通信行业的唯二项目之一。

2014 年,国家发改委将此相关技术纳入《国家重点节能低碳技术推广目录》 (2014 年版)。

2015 年,工信部、国家机关事务管理局及能源局为开展绿色数据中心试点工作, 共同研究制定《国家绿色数据中心试点工作方案》,其中特别强调“数据中心关键设 备生产企业要加强生态设计,提高设备能源使用效率,控制有毒有害物质使用,采用 易于拆解和回收处理的设计。试点单位要加强绿色智能服务器、能源管理信息化系统、 热场管理、余热利用、自然冷源、水循环利用、分布式供能、直流供电等技术和产品 应用”。

2016 年,工信部组织开展绿色数据中心先进适用技术筛选工作,其中通信用 240V/336V 直流供电技术位列供配电类技术首位。

信通院与开放数据中心委员会 2018 年发布的《数据中心白皮书》中指出,“随着 产业规模快速增长,数据中心建设成本和能耗激增,可靠性高、成本低的高压直流 (HVDC),成为数据中心供电系统的新选择,采用“HVDC+市电直供”相结合的模式, 供电效率可提升到 94%-95%,若采用 HVDC 离线模式,其供电效率可提升至 97%以上, 目前 HVDC 已在 BAT 等大型互联网公司得到了广泛应用。”

近年来,互联网公司探索 48V、12V 供电模式,如谷歌、Facebook 的 48V 整机柜 供电架构、百度的 12V 分布式锂电池系统等,进一步提高供电效率,并实现模块化部 署,热插拔维护。

“总体来看,供电系统逐渐由交流/集中式向直流/分布式转变,提高效率,降 低成本,简化运维。”

D、应用情况:运营商和 BAT 等互联网厂商大力推广 HVDC 应用

HVDC 作为一项已经成熟的技术,在国内外应用却并没有铺开。直到近些年随着 数据机房规模不断扩大,对能耗指标的不断提高才促使互联网厂商等开始重视高压直 流的应用,2007 年江苏电信就最早在国内尝试。随后通信网络和数据中心就开始广 泛应用 240V 的 HVDC 技术。 前期,主要由三大运营商主导(主要是中国电信)HVDC 推广应用,随后 BAT 等互联网企业在云数据中心建设中也纷纷开始尝试相较于 UPS 更加节能减排且高效的 HVDC 技术应用当中。

目前,高压直流的主流方案为国内的 240V、336V 和国外的 380V 等形式。由于大 部分标准交流输入设备可直接采用 240V 直流供电,因此国内主流运营商正逐步扩大 面积推广 240V HVDC 系统,但 336V、380V 等电压等级的 HVDC 需要定制的服务器电源, 其推广难度相对较大,且配套配电系统仍未成熟,因此应用范围较少。

同时,目前主流 HVDC 都是基于通信电源进行开发(即采用 48V 输出),所以 HVDC 供电架构在数据中心和通信机房或基站电源应用中存在很大的共通之处。

近年来运营商和 BAT 等互联网企业不断推动 HVDC 应用,在通信电源侧的推广是 基于其易维护、易扩容的特性导向下造成的,而互联网企业则是基于对 HVDC 较低成 本及系统简单性的考量而选择 HVDC 进行推广。

通信用 HVDC 大量应用于互联网和运营商数据中心中,互联网企业后来居上。 据 不完全统计,截止 2017 年 11 月,国内通信用 HVDC 实际应用量已达到 5810 个,累计 总供电容量达到 5379800A。无论是数量还是容量上互联网企业和运营商共占去 85%以 上的份额。

HVDC 技术应用前期由三大运营商(主要中国电信)引导,后期互联网企业成本 需求带动技术广泛应用: 通过纵向对比,2007-2014 年之前,HVDC 应用系统主要以 电信运营商为主,在通信网络应用的系统数占大头。但是受制于供电需求和技术发展 水平限制,系统容量都不大。但近几年随着云计算逐步成熟,尤其是互联网企业 (BAT 等)开始大力建设大型 IDC、云数据中心等,HVDC 需求量突飞猛进,HVDC 应用 也后来居上。

2017 年,互联网企业的 HVDC 应用系统无论从数量还是容量均超过电信企业。

1.2.3.市电+ UPS/HVDC 模式优于传统集中供电系统;市电+HVDC 成为互联网企业争先应用的最新领域

前文提到 UPS 的 ECO 模式,即是市电+UPS 模式的应用之一。在数据中心供电系 统中,传统 UPS 系统依靠前端双路引入市电来提高供电可靠性,但同时也带来投资的增长。对于目前规模体量不断增加的数据中心来说,其系统架构越来越复杂,成本越 来越高并不适用其长期发展。

同时随着虚拟化等技术普及,比如两地三中心、同城双活等备灾方案也大幅提升 互联网数据中心业务的连贯性,单个数据中心的 IT 设备本身对于供电可靠性的要求 也有所降低。因此,依靠引入一路市电直供+UPS/HVDC 的模式应用更受互联网厂商青 睐。

(1)市电+AC UPS 方案: 该方案国内最初应用来自于百度在 2009 年自建机房, 在保证较高可用性基础上,建设投资缩减近半,运行效率提升 5%以上。

高可用性: 近年来国内供电质量稳步提升,电力公司可承诺供电可用性可达到 99.9%,1 路市电+1 路 AC UPS 配置的系统可用性可达到 7-8 个 9 的可用性,与传统 2N 配置的 AC UPS 相比差不多,可满足 T4 级供电可用性要求,高于传统 N+1 配置的 AC UPS 系统可用性(5 个 9)。

应用过程中,市电闪断或波形变动对服务器断电没有直接影响,市电供电也未给 服务器电源模块运行带来明显故障率上升。

建设成本更低: 与 2N AC UPS 系统比,建设投资缩减近半;与传统 N+1 AC UPS 系统比,投资略低。

运行效率更高: 实际末端配电系统效率可达 97%,较 2N AC UPS 系统高出约 10%, 较 N+1 AC UPS 高出约 5%。

因此,综合考量可用性、建设成本及运行效率,无论是双系统 2N 式还是并联冗 余 N+1 式 UPS 供电系统,都无法优于市电+ AC UPS 供电模式。

(2)市电+HVDC 方案: 随着 HVDC 技术逐步成熟,在试点+AC UPS 应用基础上, 部分国内企业开始逐步尝试市电+HVDC 供电方案。

由于 HVDC 自身可用性高于 AC UPS 系统,因此市电+HVDC 系统可用性可达 8-9 个 9,强于市电+AC UPS 系统,且投资较低,运行效率高。

综上所述,市电+HVDC 模式无论在系统实用性、可靠性、成本端都领先于其他几 类供电方案。

1.3.超大型数据中心 HVDC 更具优势,更低的运行成本能为其带来更大的成本压缩空间

前文中分析了在数据中心建设中各项配点方案的指标。其中,最核心的两项指 标——运行成本和建设成本中,尤其是实际系统效率(对超大型数据中心运行成本 影响较大)对互联网厂商的决策影响因素最大,也能为其带来更大的成本压缩空间。

因此市电+UPS 和市电+HVDC 更具有优势,其中市电 HVDC 显而易见更受大型互联 网厂商的青睐。

百度将市电+HVDC 离线模式做到供电效率 99.5%: 在 2010 年率先使用市电+UPS 供电方案,其效率达到 95%。而在最新的阳泉数据中心则采用了市电+UPS、市电+UPS ECO(节能休眠模式)、市电+HVDC 在线和市电+HVDC 离线模式,其中市电+HVDC 离线 是世界首例采用该种供电架构,其供电效率由原来的 2N UPS 的 90%一月提升至 99.5%。 (所谓离线,是指正常情况下市电直供 IT 设备,HVDC 仅作为蓄电池提供浮充,市电 中断,转由蓄电池供电,该架构下,正常市电直供不经过 HVDC 转换,因此节能效果 显著)。

腾讯第三代供电系统“市电直供+240V HVDC ECO”供电效率高达近 98%: 天津数 据中心二期采用腾讯的第三代供电系统,即“市电直供+HVDC”双路供电架构,并运 行相关测试发现,相比传统 UPS 系统和双路 HVDC 系统,市电直供+HVDC 模式在各个 负载率下供电效率均在 97%以上,且在不同负载率时,供电效率波动较小。其中部分 系统负载率在 20%以上时,供电效率稳定在 98%以上。此外在节能性和故障率上腾讯 第三代供电系统均优于其他系统。

阿里巴巴太阳能+240V 直流+柴油发电互备冗余 :阿里巴巴张北数据中心同样采 用市电直供+HVDC 供电模式,而最新的千岛湖数据中心采用光伏太阳能+240C 直流+柴 油发电机互备冗余架构,太阳能作为一种补充,综合供电效率达 97%以上,供电可靠 性接近 Tier4 最高级别。

未来的张北机房二期工程也正积极探索太阳能、风能在 IDC 供电系统中的补充应 用,包括千岛湖数据中心利用水力二次发电等,不断往绿色节能数据中心方向创新。

1.3.1.市电+ HVDC 优于市电+ UPS 模式,将成为未来发展的趋势

以 400KVA 数据中心为例,对于 360KW 的系统,这里按 320KW 的实际负载来估算, 分别比较市电+UPS 和市电+ HVDC 在 8 年生命周期内的总电费差异。系统的效率往往 随着负载率的提升而增加,如果 UPS 系统长期处于轻载状态,那么运行的实测效率并 没有达到宣称的最高效率点。对于 UPS 架构,每套 UPS 的负载率往往只有 30%-40%之 间,实际的运行效率只有 90%左右;市电+模块化 UPS 系统,而市电直供支路基本是 100%供电效率,所以整个系统效率大约为 95%;市电+HVDC 系统,由于有电池直接挂 接母线,那么高压直流系统是允许节能休眠的,监控会自动开启需要工作的电源模块 数量,并使电源系统在任何负载情况下都可以工作在最高效率点附近,即高压直流可 以在全负载范围内都达到 96%以上效率,而市电直供支路基本是 100%供电效率,因此 市电+HVDC 综合供电效率为 98%。

因此,市电+HVDC 系统在机房运营的 8 年生命周期内,相比模块化 UPS 和市电+ 模块化 UPS 分别节省运营电费 43.65 万和 14.65 万元。

如果对于 10 万台服务器的一个大型数据中心,按 60 个供电系统计算相比模块化 UPS 及市电+模块化 UPS 仅仅是采用了“市电+240V HVDC”技术在 8 年时间内就可以 节省电费高达 2619 万元,非常可观,该技术很值得在业界推广使用。

1.3.2.HVDC 市场化推广仍存在一定局限,渗透率提升空间较大

A、HVDC 仍未放量,UPS 依旧是市场主流

(1) UPS 销量下滑,但基数巨大;模块化 UPS 占比不断提升。

目前,虽然 UPS 整体市场销量连续下滑,但超大数据中心对大功率 UPS 产品需 求不断提高,整体销售额仍保持大幅上升趋势。

国内 UPS 市场呈现量减价升的趋势,主要是由于大功率 UPS 占比增加。 根据赛 迪咨询统计,2017 年中国 UPS 整体市场销售额约为 62 亿元,与 2016 年相比同比增 长 10.7%,其中大功率 UPS(20KVA 以上)销售额大幅增长,占整体市场的 65.7%。从 销量来看,2017 年中国 UPS 整体市场销量为 155.9 万台,同比下降 21.0%。受原材料 成本上涨和 UPS 功率段结构影响,市场平均价格大幅度增长。

模块化 UPS 销售额销量均稳定增长: 根据赛迪顾问统计,2017 年中国模块化 UPS 市场销售额为 17.59 亿元,相比 2016 年同比增长 31.0%,份额达到整体 UPS 市场 的 28.5%,占比进一步增加,虽然增长率较上一年有所回落,但仍远高于整体市场的 增长速度。

(2)HVDC 系统应用数量大幅增长,但占比依旧很小。

目前 HVDC 模块的市占率,根据市场调研约占总体备电电源的 10% 。据不完全统 计,截止 2017 年 11 月,国内通信用 HVDC 实际应用量为 5816 个,累计总供电容量达 到 5376750A,应用量复合增长率达 71.5%,虽然增速很快,但基数较小,短时间内依 旧难以替代 UPS(电信技术数据) 。

B、HVDC 产业成熟度不如 UPS,UPS 依旧有广阔发展空间

虽然 HVDC 相比 UPS 具有一定优势,但是现在很多配套机房设施还是交流的,无 法使用直流。

目前国内拥有 HVDC 产品的主要厂家有华为、中恒电气、动力源,海外厂家包括 维谛技术(原艾默生)、ABB、伊顿等,虽然技术成熟但是发展时间较短,产业成熟度 依旧不如 UPS 系统,众多传统 UPS 厂商近些年都开始针对 HVDC 进行研发并发布产品, 例如华为最新模块化 UPS 电源其性能如系统效率与中恒电气 HVDC 系统相同,而抗干 扰性及机架容量及智能化程度等强于中恒电气 HVDC 系统,HVDC 依旧难以替代 UPS。

此外,国内 UPS 市场并未饱和,目前国产 UPS 在国内市场份额只有 40%左右,依 旧有广阔的发展空间,且技术成熟度可以继续提高,深圳艾普诺高管认为,发展好 UPS 产品,是完善国内电源必走的路。

HVDC 危险性要高于 UPS 系统。对于相同功率的 HVDC 和 UPS 系统,虽然高压直流 电压与交流电压的峰值相比并不高,但是由于交流电压过零的存在,UPS 的危险性远 远低于高压直流。

1.4.数据中心电源市场 HVDC 市场复合增长率超过 30%

根据测算,目前每年全国后备电源市场约在 65 亿元,其中 UPS 占据大部分市场, HVDC 占比约 10%。目前大功率 UPS 由过去的由海外厂商主导逐渐演变成国内外品牌混 战,华为、科华、英威腾等纷纷进入大功率 UPS 市场,而国内模块化 UPS 更是被华为 占据近 1/3 的市场。

从机架数量上预测: 根据工信部发布的《数据中心白皮书(2018 年)》,我国 2017 年底在用数据中心机架数为 166 万架,规划在建数据中心规模 107 万架。

按照单体机架配置 HVDC 电源均价 7000 元-8000 元,预计现有数据中心机架替换 空间 90%,预计 HVDC 替代市场 132.8 亿元。按照数据中心行业增速判断,未来 HVDC 的年化增长率将超过 30%以上。

2.5G 基站能耗高、基站规模大,基站电源有望迎来“量价齐升”

5G 网络的架构是无线侧接入网+承载网+核心网,无线侧接入网就是 RAN,基站就 属于无线接入网;核心网分为机房和骨干网;承载网为各部分之间的信号传输网络。

通信电源同作为基站最基础的供能设施,是保证基站在室内/外,尤其是恶劣天 气、环境下正常运行的基础设施。伴随基站总数增长,国内通信电源市场也不断扩大。 根据中国产业研究院数据,国内通信电源市场从 2012 年的 65.5 亿元增加到 2017 年 的 120 亿元规模。

为满足未来 5G 容量和覆盖需求,全球站点数量将急剧增加。随着 5G 建设周期开 启,5G 组网对于供电功率密度、供电效率及损耗率等提出更高的要求,带来技术变 革。

2.1.基站侧:5G 基站能耗增加电源功耗加大,新增 HVDC、锂电池等方案为 5G 基站供电

通常情况下,基站侧供电系统由一路 380V 交流市电引入,通过交流配电箱、开 关电源转换为-48V 直流后连入基站设备,基站设备再通过馈线/光纤连接到铁塔上的 天线。

市电运行正常时,由市电作为主用交流电源为基站供电;当市电故障时,将运送 移动油机至故障基站,为站内设备供电,在油机尚未启动前,由蓄电池组供电。

根据 IMT-2020(5G)推进组发布的 5G 承载需求白皮书,未来 5G 接入网云化将 推动 CU、DU、AAU 分离的大规模 CRAN 部署。

原 BBU 非实时部分将分割出来,重新定义为 CU,负责处理非实时协议和服务, BBU 的部分物理层处理功能和原 RRU 合并为 AAU,BBU 剩余功能重新定义为 DU,负责 处理物理层协议和实时服务。

之所以要将 BBU 功能拆分的根本原因,就是为了满足 5G 不同场景的需要。 所以, 把网络拆开、细化,就是为了更灵活地应对场景需求。这样可以优化网络资源分配, 实现最大成本效率,满足多元化要求,所以,才有了 DU 和 CU 这样的新架构。

4G RAN 采用 D-RAN,拉远 RRU 靠近天线,不仅使得网络规划更加灵活,而且能够 大大缩短馈线长度,减少信号损耗且降低馈线成本。

在 D-RAN 的架构下,运营商仍然要承担非常巨大的成本。因为为了摆放 BBU 和相 关的配套设备(电源、空调等),运营商还是需要租赁和建设很多的室内机房或方舱。 所以为了节约成本,5G 采用 C-RAN 架构将 BBU 分离并集中化,进一步减少基站机房 数量以及配套设备带来的损耗。且拉远之后 AAU 配天线,可以安装在离用户更近距离 的位置,这样可以降低发射功率。 低的发射功率意味着用户终端电池寿命的延长和 无线接入网络功耗的降低。

为满足 5G 的低时延、广覆盖等高度碎片化应用场景需求,核心网部分业务“下 沉”无线接入网。依据 5G 标准,CU、DU、AAU 可以采取分离或集中方式,随着 C-RAN 的部署, 未来 5G 无线接入网将会是 D-RAN 和 CU 云化并存的趋势。

第一种与传统 4G 宏站一致,CU、DU 共硬件部署构成 BBU;

第二种 DU 部署在站点机房,CU 集中部署;

第三种 DU 在站点机房集中部署,CU 更高层级集中。

在 5G RAN 分级架构下,CU 集中在中心机房,利用 NFV 技术能够对其虚拟化,大 大节约成本。而下层 DU 呈现集中化趋势,基站侧的站点机房构成类小数据中心模式, 其整体制冷和供电系统的规划均可参照数据中心建设。 从 5G 的技术特点与发展趋势 来看,5G 的频谱资源需求宽,需要用到 6GHz 以上的频率,同时基站站距变短,5G 网 络基站的数量将远远大于 4G 网络。5G 设备能耗增多,5G 站点电源面临新的挑战。随 着三家运营商 5G 新频段的引入,供电服务需求增加,5G 设备由 4G 的 4T4R 发展到 3DMIMO,容量是原来的 33 倍,用电功耗将是原来的功耗 1.2 倍左右。

2.1.1.5G 基站功耗大幅增加,可靠性要求更高,单站电源模块价格有望提升

5G 站点要求更高的可靠性,备电成为必需 。5G 网络主要应用于移动支付、智慧 城市、虚拟社会、VR/AR、无人驾驶、人工智能以及 4K 等“万物互联”业务,断网影 响难以承受,通信保障压力空前。因此,可靠的基站后备电源是基站建设中必需要考 虑的事项。

对于基站 BBU 和 AAU 设备的功耗,目前不同厂商设备的差异性较大。以现有 64T64R S111 宏站设备为例,单基站的功耗约为 3~4kW,作为对比,4G 的单系统功耗 仅为 1300W,5G 是 4G 的 3-4 倍(注:后期随着技术的进步,设备型号的变化,基站 功耗也将发生变化,因此下表中的数据仅作为功耗分析时的参考),这将是 5G 网络供 电系统建设和运营面临两个难点。

如果未来 5G 覆盖要达到目前 4G 网相同的覆盖效果,5G 的基站数量将要达到 4G 基站的 1.5 倍左右,每年三大电信运营商电费开支将达到 1100 亿元以上(4G 时期为 350 亿左右)。

机房空间、散热、供电和备电能力受限,改造压力大。 经过测试,一个系统 5G 基站功耗 3KW 以上,因为 5G 设备是集中放置,电源被要求能够容纳 50 个 BBU,所以 一个基站功耗 100KW 以上,且依照移动公司备电 7 小时的要求,需配置容量高于 700kAh 的蓄电池。一个 BBU 机柜占地 5 平米左右,蓄电池组占地面积维持在 24 平米 左右。现有大部分机房的空间、供电和散热能力均严重不足,需进行机房改造,改造 成本高昂。同时,由于 BBU 堆叠放置备电要求较高,铅酸电池体积大、质量重,机房 承重严重受限。

2.1.2.5G 基站能源新解决方案:锂电逐渐成为趋势

针对能源不足的问题有几种解决方案,如使用站点叠光技术。站点叠光是在传 统太阳能供电系统的基础上,利用新型智能开关电源系统,实现供电统一监控,智能 调度太阳能、市电和蓄电池的使用,实现太阳能优先供电。在正常情况下,通过使用 太阳能,降低市电输入,节约电费支出;而在断电时,优先使用太阳能,蓄电池作为 备用,有效降低蓄电池损耗,并在一定程度上减少应急上站发电次数,降低成本。从 前期的试点情况来看,经叠光改造后,虽然系统建造成本需花费 2 万元左右,但后期 用电电费及油机发电投资每年可节省 3.76 万元,效益可观。实际应用中, 站点电源 叠光主要需解决三大问题——如何进一步降低部署成本、太阳能发电更加高效以及怎 样统一管理界面。 当前, 叠光技术已经发展得比较成熟, 站点叠光能够带来切实持 续的效益。

将系统电压升高。 当前,常用直流供电系统电压为-48V,可将直流系统电压升 至 57V 输出,支持 5G 大功率模块,降低线缆成本。同时,在系统电压升高后,相同的负载功耗情况下,电力电缆中通过的电流减小,从而减小所需电力电缆的截面积, 实现降低线缆采购成本的目的。升压操作只需设定直流供电系统的电压值即可,无需 新增供电设备,也不必增加任何额外成本,不影响用电设备的正常工作。

更换更优越的电池。 铁锂电池在循环放电次数、能量体积比与工作温度范围方 面均优于铅酸蓄电池。在体积相同情况下,铁锂电池的备电能力是铅酸电池的两倍, 可有效解决机房承重不足的问题。由于铁锂电池的采购价格较高,一定程度上限制了 铁锂电池的大范围推广使用。铁锂电池在通信基站使用的常见模式如下:

(1)铁锂电池单独备电。在部分机房楼板承重能力或机房空间受限的基站,如 租用民房等楼板荷载能力较低机房情况下,可使用铁锂电池代替铅酸蓄电池。凭借铁 锂电池的高能量、小体积特性,降低对安装空间与机房楼板承重的要求。同时,由于 铁锂电池的工作温度范围较宽,可将机房内空调的设置温度升高,降低空调运行能耗, 实现节能减排的目的。

(2)铅酸铁锂电混搭。一般情况下,不同厂家、不同时期、不同容量乃至不同 型号的蓄电池不能混用。可通过电池合路器,实现铅酸蓄电池与铁锂电池的混搭使用, 提高基站备电能力,实现对基站蓄电池资源的优化,降低通信网络的建设和运营维护 成本。

(3)梯次电池应用。梯次电池理论上是对原来应用于电动汽车,容量衰减至初 始容量 80%的“退役”动力锂电池实施二次使用。在三类市电环境温度无法保证的高 温场景以及四类市电场景作为备电使用时,传统铅酸电池寿命会大幅下降,而梯次利 用动力锂电池循环寿命长、耐高温性能好的优点能够在上述场景中实现经济性应用。

使用直流远程供电。 直流远程供电系统由局端设备、远端设备和光电混合缆三 部分组成。它可以将机房内稳 0 定的-48V 电源隔离升压到 DC250~DC410V,并通过光 电混合缆或电力电缆以最大效率远距离输送至远端设备,远端设备进而将直流高压变 换成 DC48V、DC280V 或 AC220V 电压为负载(RRU)、微基站以及室外综合接入机柜等 设备提供 24 小时稳定的、在恶劣条件下免维护的供电,此种方式可以使用 UPS 或者 HVDC。

华通远航及宇能电力提供站点叠光解决方案: 华通远航公司 2017 年就为尼泊尔 通信基站提供了太阳能供电解决方案,为急需用电的地区提供了有效的电源备用方式, 大大提高了可靠性。宇能电力已在浙江建成 500 个宏基站, 江苏拥有 17 个宏基站试 点, 计划将在 2019 年建设 2000 个, 至 2022 年累计建设 6.2 万个风光储 5G 基站。该 装置一套 2~3 万元,每年可发电近 2.4 万度, 以 1 度电 0.65 元计算节约电费超 1.5 万元;以设计寿命 25 年计算, 可发电近 60 万度, 节约电费近 40 万元。

汉维通信、宇球通信等公司提供铁锂电池解决方案: 汉维通信研发出了循环寿 命、质量能量密度、体积能量密度更优越的磷酸铁锂电池,减少了占地空间,并且抗 腐蚀并具备加热降温系统,可在恶劣环境下使用;宇球公司也研制出功率因数达 0.99 的三元锂电池,使 5G 基站供电更加可靠

中恒电气提供直流远程供电解决方案: 中恒电气为建设中的杭州奥体中心大型 室分基站,以及杭州火车东站的准 5G(或 4G+)基站,提供了 HVDC 拉远供电解决方 案与试点。中恒电气系统体积小重量轻、户内户外环境均可适应,可灵活选择抱杆, 壁挂,嵌入等安装方式,适应快速布站,可帮助客户实现网络简单部署、全网节能、 高效运维的要求,最大限度节省客户部署及运维开支。

HVDC 未来将与 UPS 共存为 5G 基站供电:

传统通信电源大多使用 48V 直流供电,安全可靠,技术成熟,但是之前功率密度 小,现在 5G 基站结构采用集中拉远模式,要求功率密度大,传输距离远,而传统供 电方式电压较低,电流较大,能耗较大,并不适合 5G 基站。需要提高电压,所以未 来将会是 UPS 和 HVDC 为 5G 基站供电。

相比模块化 UPS,HVDC 依旧有一定优势。 经研究发现所有的 IT 负载都是交直流 通用的,因此 HVDC 完全可以替代模块化 UPS。目前模块化 UPS 投资成本较高,相同 功率下要高于传统 UPS,而 HVDC 系统相同功率要节约 30%-40%投资成本。现在模块化 UPS 技术成熟,革新之后基本无能效方面的突破,但是 HVDC 依旧有发展空间在系统 效率方面可以继续做出突破。

HVDC 产业链成熟度不高,短期内依旧难以替代模块化 UPS。 虽然在 20 世纪 20 年代就开始对高压直流技术进行研究,并且在 1954 年建成第一条高压直流输电线路, 但是直至 20 世纪 90 年代 HVDC 电源才被人提出,虽然在系统效率上全面超越主流 UPS,但是起步较晚,技术及产业链依旧不成熟。众多传统 UPS 厂商近些年都开始针 对 HVDC 进行研发并发布产品,例如华为最新模块化 UPS 电源其性能如系统效率与中 恒电气 HVDC 系统相同,而抗干扰性、机架容量及智能化程度等强于中恒电气 HVDC 系统,在安全性方面 HVDC 弱于 UPS,且机房的很多配套设施依旧是交流的,无法使用直流。2015-2017 年 HVDC 销量复合增长率为 11%而模块化 UPS 销量复合增长率为 26%,模块化增长率远超 HVDC 增长率,且模块化 UPS 基数超过 HVDC,HVDC 短时间内 依旧难以替代模块化 UPS。

不过随着技术的发展,HVDC 系统将会继续在系统效率、抗干扰性、机架容量及 智能化等方面逐渐做出突破,未来将会逐步赶上模块化 UPS。

未来 5G 海量数据、高功耗、高密组网等带来接入侧 DU 的集中化、AAR、Massive MIMO 等新技术或架构应用,也拉动基础电源与配套设施的变革升级。 传统的-48V 供 电功率小,传输距离较短,由于 5GRAN 结构采用集中拉远模式,传统的供电方式并 不适合,所以未来主流供电模式将是模块化 UPS 和 HVDC 共存。且解决能源问题方法 较多样,如在合适的区域如郊区可以采用站点叠光技术,并可更换更优越的电池节 省空间。

2.2.机房侧:HVDC 替代 UPS 效益增强,市电+HVDC/UPS 或将成 为主流供电模式

从 4G 时代设备商就开始直接使用了 HP、IBM 等 IT 厂家的通用服务器,并使用 NFV 技术将网元虚拟化,自此开启了虚拟化时代。设备商基于 openstack 这样的开源 平台开发自己的虚拟化平台,把核心网的网元放在这个平台上。也就是说,并不是只 有 5G 才能用虚拟化平台。设备商先用虚拟化平台部署 4G 核心网,即在为后面部署 5G 核心网做准备,提前实验。

5G 核心网采用的是 SBA(Service Based Architecture)即基于服务器的架构, 把原来具有多个功能的整体分拆成具有独自功能的个体,每个个体实现自己的功能。 这样的变化有个明显的外部表现,就是网元大量增加。

这些网元看上去很多,实际上,硬件都是在虚拟化平台里面虚拟出来的。这样一 来,非常容易扩容、缩容,也非常容易升级、割接,相互之间不会造成太大影响,总 之, 5G 核心网就是模块化、软件化。