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数据中心电源深度报告.pdf

发布时间：2022-06-11 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.87M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 [Table_Title] 电源深度报告之一：电力基础设施，筑牢“新基建”底盘 [Table_Title2] 通信行业 [Table_Summary] 1、电源系统作为数据中心、5G、新能源充电桩等新基建“底盘”，也将充分受益于新基建加速发展。 1）数据中心层面，传统数据中心电源方案UPS&HVDC各有优势，HVDC在超大型数据中心份额有望提升：大型数据中心将会是未来数据中心主流，传统数据中心UPS电源向大功率、模块化方向发展，备电加大电源市场需求。 HVDC凭借冗余度较低、负载率高、低能耗高、运行成本更低等优势，HVDC市场份额在超大型数据中心发展过程中有望提升，保守预计数据中心电源市场每年新增100亿左右。 2）5G基站能耗高、基站规模大，电源产品有望迎来“量价齐升”：5G基站功耗相较4G提升两倍以上，同时5G站址密度远超4G，电源产品单价有望“量价提升”，预计5G时期基站电源市场规模有望超过450亿。 2、投资建议 1）在数据中心电源领域， HVDC供电系统由于其建设和运营成本更低的特点在超大型数据中心中应用更为广泛。相关受益标的国内HVDC龙头中恒电气,以及国内≥20KVA UPS市场龙头科华恒盛。 2）在5G基建领域，基站侧电源改造方案包括直流拉远方案、智能锂电替换铅酸电池方案，相关受益标的包括中恒电气（直流拉远方案）、国轩高科、亿纬锂能（中国铁塔锂电池采购相关）。 传统通信电源厂商有望依靠自身客户及技术平台优势，在5G新基建扩大的市场容量中迎来新的增长机遇，相关受益标的包括新雷能（海外三星供货商及烽火、大唐供货商）等。 3、风险提示：全球疫情持续扩散带来订单不确定性影响及系统性风险； HVDC在数据中心领域应用不及预期；5G建设不及预期。 评级及分析师信息 [Table_IndustryRank] 行业评级： 推荐 [Table_Pic] 行业走势图 [Table_Author] 分析师：宋辉 邮箱：songhui@hx168.com.cn SAC NO：S1120519080003 联系人：柳珏廷 邮箱：liujt@hx168.com.cn -25%-18%-10%-3%5%12%2019/032019/062019/092019/122020/03通信沪深300证券研究报告|行业深度研究报告 仅供机构投资者使用 [Table_Date] 2020年03月13日
    证券研究报告|行业深度研究报告 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 2 正文目录 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 ................................... 4 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 ......... 5 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 ................... 6 1.1.2. 模块化数据中心建设，引导UPS产品大功率化、模块化 ............................... 7 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 ........................................ 8 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 .... 8 1.2.2. HVDC系统对传统UPS电源的替代效应 .............................................. 9 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 .................................................................................. 14 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 ....................... 16 1.3.1. 市电+ HVDC优于市电+ UPS模式，将成为未来发展的趋势 ............................ 18 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 ............................. 18 1.4. 数据中心电源市场HVDC市场复合增长率超过30% ................................................... 20 2. 5G基站能耗高、基站规模大，基站电源有望迎来“量价齐升” ......................................... 21 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 ...................... 22 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 ................. 25 2.1.2. 5G基站能源新解决方案：锂电逐渐成为趋势 ....................................... 27 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 .............................. 30 2.2.1. 5G机房能源解决方案 ........................................................... 31 2.2.2. 市电+HVDC/UPS未来将成为5G机房主流供电模式 ................................... 32 2.3. 5G通信电源市场整体市场有望超过450亿 ......................................................... 33 3. 投资建议 ....................................................................................... 33 3.1. 中恒电气——HVDC电源平台技术优势显著，全栈式布局数据中心、5G、充电桩等“新基建” ............. 33 3.2. 新雷能——传统通信电源龙头，军工&通信行业双改善 ............................................... 34 4. 风险提示 ....................................................................................... 34 图表目录 图1 UPS典型方案与ECO方案 ............................................................................................................................................... 6 图2 模块化数据中心演进流程 .............................................................................................................................................. 8 图3 UPS和HVDC可靠性分析 ............................................................................................................................................... 10 图4 HVDC应用系统数量发展情况（单位：个） ................................................................................................................ 14 图5 HVDC应用系统容量发展情况（单位：个） ................................................................................................................ 14 图6 市电+AC UPS典型方案 ................................................................................................................................................. 15 图7 市电+AC UPS典型方案 ................................................................................................................................................. 16 图8 市电直供+HVDC、双路HVDC和UPS供电效率对比 ..................................................................................................... 17 图9 国内UPS市场销量规模 ................................................................................................................................................ 19 图10 国内UPS市场销售额规模 .......................................................................................................................................... 19 图11 国内模块化UPS销量 .................................................................................................................................................. 19 图12 全球模块化UPS销量 .................................................................................................................................................. 19 图13 国内UPS市场 .............................................................................................................................................................. 20
    aVvVvWuXuUsZ8ObP9PmOpPnPmMlOoOnOfQqRmQ6MoPmQuOsRsPxNtPuM 证券研究报告|行业深度研究报告 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 3 图14 5G移动通信架构图 ..................................................................................................................................................... 22 图15 基站内部设备布线安装示意图 ................................................................................................................................... 23 图16 5G 接入网 .................................................................................................................................................................... 23 图17 5G RAN分级结构 ......................................................................................................................................................... 24 图18 C-RAN架构推动电源技术变革 .................................................................................................................................... 24 图19 未来5G无线接入网将D-RAN和CU云化并存，协同组网 ....................................................................................... 25 图20 基站退服原因统计 ...................................................................................................................................................... 27 图21 站点叠光ROI分析 ...................................................................................................................................................... 27 图22 直流远程供电 ................................................................................................................................................................ 29 图23网元功能软件与硬件分离 ............................................................................................................................................. 30 图24 5G网络架构 ................................................................................................................................................................... 31 图25 5G核心网网元结构 ....................................................................................................................................................... 31 表1 数据中心等级划分 ............................................................................................................................................................ 5 表2 UPS系统存在的技术架构问题.......................................................................................................................................... 6 表3数据中心的UPS涉及配置的选取 ...................................................................................................................................... 7 表4不同类型UPS对数据中心需求的适配度表 ...................................................................................................................... 8 表5 HVDC与传统UPS电源比较 ................................................................................................................................................ 9 表6 HVDC与传统UPS电源一次性投资比较 ......................................................................................................................... 11 表7 HVDC与模块化UPS对比 ................................................................................................................................................. 12 表8 2007年以来HVDC技术标准规范制定 ........................................................................................................................... 13 表9 AC UPS系统和市电+AC UPS系统比较 .......................................................................................................................... 15 表10 8年内两种供电架构浪费电费对比 ........................................................................................................................... 18 表11 8年内两种供电架构浪费电费对比 ........................................................................................................................... 18 表12 后备电源市场主要厂家 .............................................................................................................................................. 20 表13 不同模式能效对比...................................................................................................................................................... 25 表14 相关5G主设备厂商功耗 ............................................................................................................................................ 26 表15 4G时代与5G时代全网电费对比 ............................................................................................................................... 26 表16 4G时代与5G时代全网电费对比 ............................................................................................................................... 28 表17 4G时代与5G时代全网电费对比 ............................................................................................................................... 32 表18 通信电源市场基站侧预测 .......................................................................................................................................... 33
    证券研究报告|行业深度研究报告 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 4 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。 2007年，The Green Grid提出了数据中心能源利用率（Power Usage Effectiveness，PUE）被用来作为衡数据中心能耗的关键指标之一。 PUE=数据中心总功率峰值/IT设备功率峰值 PUE值越接近1，即IDC总功率峰值越接近IT设备功率峰值，说明DC能耗越低。然而目前的大多数传统IDC的PUE值一般在2.5-3之间，与理想能耗值仍有很大差距。 在一个典型的数据中心的能耗分析中，IT 主设备、空调系统和供配电系统的耗电比例大致为 5：4：1。由此可以得出以下三点结论： （1）数据中心节能的关键在于 IT 主设备负载效率的提高与节能； （2）空调系统的节能是整个数据中心基础设施节能的重点对象； （3）供配电系统的节能也不容忽视。 根据数据中心能耗分布，可以将PUE分解为： PUE=（IT主设备+空调+供配电）/ IT设备=1+CLF+PLF 即PUE由IT主设备因子1、制冷能耗因子CLF和供配电能耗因子PLF三部分构成。 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。
    证券研究报告|行业深度研究报告 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 5 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： 表1数据中心等级划分 序号 数据中心等级 不间断电源系统配置 空调配电 可用性 典型解决方案 1 A 2N或M(N+1)冗余 双路电源（其中至少一路为应急电源），末端切换，采用放射式配电 99.99999% 双总线系统 2 B N+X冗余 双路电源，末端切换。采用放射式配电 99.999% 并机系统 3 C N 采用放射式配电 99.99% 单机系统 资料来源： GB50174--2008《电子信息系统机房设计规范》，华西证券研究所 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。
    证券研究报告|行业深度研究报告 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 6 图1 UPS典型方案与ECO方案 资料来源：李晶晶，C114中国通信网，华西证券研究所 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： 表2 UPS系统存在的技术架构问题 系统缺陷 附注 a、N+1 UPS系统上下游仍存在单故障点，无法克服单点故障率高 UPS供电时，IT设备内部的电容器每秒钟发生100次的充放电过程，充放电过程中电流通过电容器产生热量，热量加速电容器的老化，无法克服单点故障率高。 b、增加逆变器设备，使系统效率降低，能耗增加 c、UPS受到的干扰多 当UPS处于旁路运行时，市电电源的高频开关操作电压、瞬态过电压变化、雷电过电压和谐波等都可能直接干扰通信设备。即是UPS正常运行，由于逆变器输出交流电，接到下一级高频开关整流器等电源设备而产生的谐波也有可能干扰数据中心设备。如果干扰过大或频繁发生，轻者导致互联网传输速率下降，网络服务器的数据“丢包率”增大等隐患，从而导致互联网设备被迫进入“降额”使用状态，严重时还会导致网络瘫痪。 d、三次谐波的火灾隐患 三次谐波在中性线中不会抵消而产生过载发热，甚至发生火灾，也会经常发生断路器跳闸或熔断器熔断现象。 e、供电系统复杂性 为了达到高可靠性要求，UPS供电模式必须采用UPS冗余供电系统、双总线输出的配线方式，有时还需要在三相交流馈电线的中性线中加装隔离变压器设备，增加供电系统复杂性。 f、负载端的短路瞬变电流影响 负载端线路发生短路事故时，直流回路由于有蓄电池并联工作，蓄电池能吸收短路瞬变电流，或者利用电缆配电系统使领近馈电线路不受影响。但在交流UPS系统中，负载接到逆变器上，临近馈电线路会受到瞬变电压影响。 资料来源：邮电设计技术，朱雄世，华西证券研究所整理 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
    证券研究报告|行业深度研究报告 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 7 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： 表3数据中心的UPS涉及配置的选取 配置 过往使用 使用原因 无冗余（N） 小型公司 具有多个本地办公地点的公司 具有地理冗余数据中心的公司 减少投资成本和能源成本 支持关键性较低的应用 简单配置和安装 允许停机维护 串联冗余 中小型公司 IT容量通常小于500kW的数据中心 与“1N”相比具有较好的容错性 允许使用不同型号的UPS 允许未来增加负载 并联冗余（N+1） 有数据中心的大中小型公司，其IT容量通常小于500kW 与“1N”相比具有较好的容错性 允许未来增加负载 分布式备用冗余 有数据中心的大型公司，其IT容量通常大于1MW 允许使用不同型号的UPS 允许添加更多容量 与2N相比更加经济 带STS的分布式冗余 有数据中心的大型公司，其IT容量通常远大于1MW 并行维护的能力 与2N相比更加经济 无STS的分布式冗余 （如：三重冗余） 大型外包服务提供商 与2N相比更加经济 通过带有STS的设计可以节约成本 双系统冗余（2N,2N+1） 大型MW级数据中心 在A侧和B侧之间完全冗余 更容易保持UPS系统平衡负载 资料来源：施耐德电气数据中心科研中心，华西证券研究所整理 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
    证券研究报告|行业深度研究报告 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 8 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。 图2 模块化数据中心演进流程 资料来源：CAICT，华西证券研究所整理 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。 表4不同类型UPS对数据中心需求的适配度表 工频UPS 高频UPS 模块化UPS 弹性扩展 难以按需扩容 难以按需扩容 按需扩容 可用性 可用性低，一旦故障运维人员无法处理，需要原厂维护，故障恢复时间长 可用性低，一旦故障运维人员无法处理，需要原厂维护，故障恢复时间长 可用性高，N+X冗余实现更高可靠性；运维人员更换故障模块即可消除故障 效率 低，低负载率及谐波治理措施导致运行效率远低于宣传较高，运行效率一般典型值90%-94% 高，一般均采用低载高效设计，典型值95%。模块N+X冗
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