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데이터센터 내의 직류급전
2015년 5월 1일 (금) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2015년 5월호 - 전체 보기 )

데이터센터 내의 직류급전


데이터센터란 컴퓨터 시스템과 통신장비, 저장장치인 스토리지 등이 설치된 시설을 말한다. 데이터센터는 빅데이터를 저장하고 유통시키는 핵심 인프라로서 대규모 전력을 필요로 한다. 데이터센터의 소비전력을 절감시키고 운용 효율을 향상시키는 하나의 방법으로서 ICT 장치(서버, 라우터 등)에 직류(DC)로 전력을 공급하는 직류급전기술의 적용이 전 세계적으로 주목을 받고 있다. 본고에서는 왜 데이터센터용 전력설비로서 직류급전이 재검토되고 있는가를 설명하고, 직류화의 장점 및 핵심 기술에 대해 소개한다.
번역·정리 김대근 기자

오늘날 인터넷으로 대표되는 ICT(Information and Communications Technologies)는 가정에서 산업, 의료, 행정에 이르기까지 광범위하게 이용되고 있으며, 필요불가결한 인프라 스트럭쳐(사회간접자본)가 되었다. 사회의 CO₂배출량 저감 및 에너지 절감화에 있어서도 ICT의 유효활용은 높은 효과를 기대할 수 있으며, e러닝 및 원격회의, 페이퍼리스화 등 이미 많은 실적을 이루고 있다. 그러나 한편 경제산업성의 발표에 따르면, 2025년도에 사회에서 취급하는 정보량이 200배에 달할 것이라는 예측도 있으며, ICT 관련 소비 전력량은 해마다 증가하는 경향을 보이고 있다. 이 ICT 서비스를 지원하는 서버 및 라우터 등을 대량으로 설치·운용하는 건물이 데이터센터이다. 일본 국내 데이터센터에서의 소비전력의 시산([그림 1] 참조)에 따르면 2013년도에는 연간 소비전력량이 100억kWh를 넘는 것으로 예상되고 있어, 이제 전력의 절감화는 시급하고도 중요한 과제가 되고 있다.


직류급전의 역사
직류급전의 역사는 1800년도에 알레산드로 볼타가 전지를 발명하고, 1882년에 토머스 에디슨이 뉴욕에서 직류송배전 사업을 개시했을 무렵부터 시작한다. 당초 직류송배전은 미국의 표준적 방식이었는데, 당시는 직류의 변압이 어려웠기 때문에 발전소에서 부하까지 일관되게 120/240V의 저전압으로 송전하고 있었다. 그러나 전력수요가 증가함에 따라 장거리 송배전 시의 손실(전압강하)이 문제가 되어 트랜스로 간편하게 변압 가능한 교류급전이 세계표준의 자리를 차지하게 되었다. 또한 직류송배전 사업은 뉴욕에서 근근이 이어져 왔으나, 2007년 11월 14일을 끝으로 완전히 종료되었다. 이렇듯 교류는 송배전의 중심이 되었지만, 직류급전도 특정 분야에서 발전의 역사를 계속해서 쌓아 왔다. 1890년대(메이지 20년대)부터 시작된 전기통신(전화 서비스) 및 전기철도 등의 분야에서는 현재에도 직류급전이 주력을 이루고 있다. 또한 1950년대 이후에는 반도체 파워 디바이스도 개발되어 스위칭에 의한 전압변환(DC/DC)이 고효율로 가능해졌으며 다양한 분야에 응용되고 있다.([그림 2] 참조) 최근에는 환경 배려라는 측면에서 전 세계적으로 전력시스템의 다양화가 진행되고 있다.


직류급전의 장점

데이터센터의 현황과 구성
근 10년 사이에 크게 증가한 전력부하중 하나가 바로 데이터센터이다. 2009년도의 총 소비 전력량이 70.5억kWh로 예상되고 있으며([그림 1] 참조), 이것은 정격 100만kW 출력의 발전소(연간 총 시간 8460h, 가동률 0.8)의 연간 발전 전력량에 상당한다. 데이터센터의 기계실에서는 랙 1개당 4~6kW에 달하는 경우도 있으며, 이것은 블레이드 서버와 같이 장치의 고밀도화가 추진된 결과이다. 데이터센터 빌딩 내부의 설비구성을 [그림 3]에 나타냈다. 대량의 ICT 장치군을 24시간에 걸쳐 안정하게 운용하기 위해서는 비상용 축전지, 발전장치, 장치 냉각용 고신뢰 공조설비 등 많은 설비를 필요로 한다. 또한 [그림 4]에서 보이는 것처럼 공조설비 및 급전장치·배전계 등에 의해 소비되는 전력이 전력회사에서 공급되는 전력의 55%를 차지하기 때문에 최종적으로 ICT 장치 내부에서 사용되는 전력은 전체의 45% 정도가 된다. 이 때문에 서버 등 ICT 장치 자체의 저소비 전력화가 검토되고 있는데 급전계의 손실 개선은 발열량 감소에 따른 공조장치의 소비전력 절감 등 상승효과를 기대할 수 있기 때문에 공조의 저소비 전력화 등과 더불어 중요한 과제가 되고 있다. 이러한 효과를 포함하면, 직류급전의 채용으로 데이터센터 전체에서 14~17%의 에너지 절감 실현이 가능하기 때문에 직류급전의 활용이 주목을 받고 있다.


효율의 향상

교류와 직류의 급전계를 비교한 모식도를 [그림 5]에 나타냈다. 급전전압은 교류에서는 100~200V, 직류에서는 -48V가 데이터센터 및 통신설비에서 많이 사용되고 있다. 이 ICT 장치들의 내부(CPU 및 메모리 등)는 5V, 3.3V 등의 직류로 동작하는 것이 일반적이다. 비상용 축전지도 역시 직류로 동작한다. 따라서 교류급전에서는 [그림 5]와 같이 합계 4회의 AC/DC 변환 및 DC/DC 변환을 반복한다. 이것이 급전손실의 주된 요인이 된다. 한편, 직류급전의 경우에는 교류전력을 AC/DC 변환에서 직류로 해버리면 축전지에 직접 연결할 수 있기 때문에 장치 내부의 DC/DC 변환을 포함해 합계 2회의 변환으로 끝난다. 일반적으로 전력변환 1회당 10% 정도의 손실이 발생하므로 직류급전은 교류급전에 비해 전력변환단수가 적은 만큼 원리적으로 효율의 개선을 얻을 수 있다.


고신뢰성

직류급전 시스템의 또 다른 장점으로는 출력전압을 제어하는 것만으로 운전이 가능하기 때문에 회로가 매우 간단하다는 점이다. 정전·고장 시 등에는 직접 축전지에서 전력이 공급되기 때문에 직류급전은 교류급전에 비해 약 10배의 신뢰성을 얻을 수 있다. 또 직류급전에서는 주파수 동기를 취할 필요가 없고, 전압만 조정하면 전원의 병렬운전을 용이하게 실시할 수 있다.

고전압 직류(HVDC) 급전
앞에서의 -48V 직류급전을 발전시켜 시공성의 개선을 도모하고 있는 것이 급전전압 400V 정도의 고전압 직류급전(HVDC 급전)이다. 송배전 분야의 HVDC에 비하면 훨씬 낮은 전압이지만, 통신분야에서는 기존의 -48V와 비교하면 높은 전압이기 때문에 현재로선 HVDC라고 부르고 있다. 국제 표준화도 이미 활동을 개시하고 있다. 주로 ETSI(유럽 전기통신표준화기구), IEC(국제전기표준회의), ITU-T(국제전기통신연합 전기통신표준화부문) 및 미국의 업계단체인 The green grid에서 전압범위 및 접지방식 등이 논의되고 있다.

고전압화에 따른 장점
HVDC의 구성을 [그림 6]에 나타냈다. 급전전압을 -48V에서 400V 정도로 고전압화함으로써 전류를 약 1/8로 감소시켜 각 배선의 도전손실을 억제한다. 여기에는 전원장치의 고효율화 및 소형화와 더불어 급전계의 배선 케이블을 가늘게 할 수 있다는 장점이 있다. 예를 들면 5kW의 부하 랙에 케이블을 배선하는 경우, -48V에서는 100A 이상의 전류를 흘리므로 전압강하 억제의 관점에서 정전 시 축전지 방전도 고려해 100mm²(도체외경 12mm) 정도의 굵은 전선을 이용하지만, 380V에서는 10A 남짓이면 되기 때문에 14mm²(도체외경 4.4mm) 정도면 된다. 이러한 케이블의 세경화(細徑化)는 배선·시공비용의 절감 및 설치의 자유도를 향상시킨다.


HVDC의 급전전압

HVDC 급전의 전압범위는 각국의 법규제치 이하이고, 고효율의 전압이어야 한다. 정식적인 국제표준치는 현재 논의 중에 있지만, ETSI에서 정하는 통신기기용 전원의 상한치가 400V이며, 다른 나라와 비교해 가장 낮은 상한치이기 때문에 이 400V 이하가 될 가능성이 높다. 교류용 ICT 장치용 전원과의 친화성도 중요한 부분이다. 최근의 ICT 장치 본체에 사용되는 전원(프론트 엔드 전원)의 구성을 [그림 7]에 나타냈다. 중간 버스 전압이 350~380V 정도이다. 이 버스 전압은 장치에 따라 다소 차이가 있지만, 전원을 대폭 개조할 필요 없이 HVDC 급전에 대응할 수 있기 때문에 이 점도 논의의 핵심이 되고 있다.


직류급전에서의 핵심 기술

직류급전에 사용되는 장치로는 일본전신전화㈜ 그룹이 개발하고 있는 HVDC 급전 시스템을 예로 들어 그 특징을 설명한다. HVDC 급전 시스템의 구성과 장치의 외관을 [그림 8]에 나타냈다. 정류장치에서 상용 교류전력을 400V 정도의 직류전력으로 변환하고, 축전지에 부동충전(浮動充電)하면서 전류분배장치에서 각 ICT 장치로 전력을 분배한다. 정전 시에는 축전지에서 무순단으로(연속으로 끊임없이) 백업을 개시함과 동시에 비상용 발전기가 기동하여 축전지의 회복충전 및 전력을 지속적으로 공급한다. 특히 축전지는 급전계에 직접 연결되어 있기 때문에 전환 스위치의 고장 및 순저(瞬低) 등을 걱정할 필요가 없다.


정류장치

정류장치는 내부 유닛을 ‘N+1대’의 다중 구성으로 하고 있다. 이것은 신뢰도 향상과 더불어 부하장치의 증감에 맞춰 운전하는 정류 유닛의 수에 변화를 줌으로써 정류 유닛을 높은 부하율로 운전하고 높은 변환효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또한, 유닛에 고장이 발생한 경우에도 다른 나머지 장치를 운전시켜 고장난 유닛만을 교환할 수 있기 때문에 시스템을 정지시킬 필요 없이 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.

전류분배장치
전류분배장치는 전력을 각 ICT 장치에 분배하고, 사고 시에는 차단을 실시하는 중요한 장치이다. 특히 직류급전에서는 전압을 안정하게 유지하는 것이 중요하며, 여기에는 여러 가지 고안이 이루어져 있다. 그 하나가 전류분배장치 내부에 탑재되어 있는 콘덴서이다. 이 콘덴서는 퓨즈가 용단될 시의 에너지 공급과 과도적 전압변동의 억제, 더 나아가 DC/DC 컨버터의 발진을 억제하는 역할을 수행하고 있다. 또 전류분배장치 내부의 배선은 콘덴서 효과를 최대화하기 위해 인덕턴스를 낮추게끔 고안되었다.

차단기(퓨즈)
급전계에 단락 및 과전류 등의 사고가 발생했을 경우, 보호를 위해 브레이커 등으로 회로를 차단한다. 차단 시에 발생하는 아크 방전의 처리는 직류와 교류에 있어서 각각 다르다. 교류의 경우 정현파로 인해 50Hz에서는 반 사이클의 10ms마다 전압이 0V가 되고 아크 방전이 소멸되지만, 직류의 경우에는 전압이 일정하기 때문에 절연을 확보하지 못 하면 아크 방전이 계속된다. 따라서 직류용 브레이커는 교류보다도 높은 절연과 내열능력이 요구된다. 그래서 HVDC 급전에서는 퓨즈의 이용을 검토하고 있다. 퓨즈는 교체해야 하는 번거로움이 있지만, 소형이고 신뢰성이 높으며 속단성(速斷性)도 좋다. 브레이커에서는 차단에 약 10ms가 필요하지만, 퓨즈에서는 1ms 정도로 회로를 재빨리 차단할 수 있다. 또 차단 특성을 조정할 수 있기 때문에 과도적인 전압변동을 억제하는 대책을 강구할 수 있다.

콘센트
고전압 직류급전은 기존의 교류급전에 비해 전압이 높기 때문에 보수를 실시하는 자의 인체보호를 충분히 고려할 필요가 있다. 또 직류의 특성상 전류 도통 시에 분리하면 아크 방전이 발생하기 때문에 안전성이 뛰어난 콘센트, 커넥터 플러그가 필요하다. 그 하나의 예로 ㈜NTT퍼실리티즈에서 개발한 HVDC용 콘센트, 커넥터 플러그를 [그림 9]에 나타냈다. 커넥터 삽입 시 아크 방전 및 통전부의 인체 접촉을 방지하기 위해 커넥터 옆에 탈락방지 기능과 통전 스위치를 겸한 슬라이드 스위치가 탑재되어 있다.

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