王晶晶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

摘要：隨著科學技術的飛速發(fā)展，數(shù)據中心供配電系統(tǒng)也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展。論文簡要分析了現(xiàn)階段數(shù)據中心配電架構，并給出了未來數(shù)據中心配電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，給相關人員提供參考。

關鍵詞：預制化;鋰電池;分布式能源；邊緣數(shù)據中心

隨著云計算與AI技術的迅速發(fā)展，數(shù)據中心基礎設施迎來了巨大的發(fā)展機遇,也面臨著*的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的大多數(shù)據中心均使用相同的配電架構為1T設備配電。然而，數(shù)據中心在用電方面已然發(fā)生了巨大變化，特別是功率密度升高、用電量攀升給傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)帶來了很大的挑戰(zhàn)。

數(shù)據中心配電系統(tǒng)主要包含中壓配電系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)、不間斷電源配電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機組系統(tǒng)等。根據數(shù)據中心的建設規(guī)模，中壓配電系統(tǒng)可選擇直接市政引人10kv電源，也可以選擇自建35kV變電站或110kV變電站。低壓配電系統(tǒng)根據數(shù)據中心等級按照GB50174—2017《數(shù)據中心設計規(guī)范》的附錄A配置。不間斷電源系統(tǒng)負載包含1T設備和動力設備。IT設備用不間斷電源主要為UPS和高壓直流HVDC,采用UPS系統(tǒng)2N冗余配置，或1路市電加1路HVDC。動力設備普遍采用UPS系統(tǒng)/V+1冗余配置。柴發(fā)系統(tǒng)電壓等級有中壓和低壓兩類，具體采用哪種電壓等級需要從數(shù)據中心的規(guī)模、投資、運維等方面綜合決定。當前大型數(shù)據中心主要應用10kV柴發(fā)機組作為備用電源。

傳統(tǒng)數(shù)據中心配電系統(tǒng)存在系統(tǒng)割裂且復雜、占地面積大、故障定位難等問題，如何簡化供電架構，減少占地面積，縮短施工周期，是未來數(shù)據中心配電發(fā)展的趨勢。同時,綠色節(jié)能和邊緣數(shù)據中心對供配電系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。

3.1預制模塊化配電

數(shù)據中心作為一項重資產的投資，如何以總體相當?shù)某杀?，加快部署速度，減少空間占用，增加靈活性成為數(shù)據中心的發(fā)展趨勢。預制化是一種預先設計、組裝、集成和測試的物理基礎設施系統(tǒng),可作為標準化“即插即用式"模塊。預制化可以實現(xiàn)數(shù)據中心建設的“去工程化",縮短大型數(shù)據中心建設周期，降低前期高昂成本投入和可能發(fā)生的施工延期風險。

配電系統(tǒng)的預SU化可以有多種形式。以外觀特征區(qū)分可分為集裝箱式和底座安裝式。集裝箱式通常安裝在室外，底座安裝式直接安裝在機房地面。國內數(shù)據中心建筑以土建結構為主，配電模塊的預制化以機房內安裝為主流。根據預制化程度不同，一種預制化方式為一體化模塊,將低壓配電室單列設備統(tǒng)一預制在底座上,可滿足消防通道要求，但需要對建筑結構特殊處理才能滿足現(xiàn)場吊裝要求，應用場景不具有通用性。另一種預制化方式為拼裝式模塊，低壓側各配電環(huán)節(jié)通過預制母排連接,現(xiàn)場進行組裝式拼裝。當前市場上較前沿的預制化產品為將不間斷電源與輸人輸出柜模塊化，做成標準1.2MW或1.6MW的電力模塊。圖1采用移相變壓器直接連接整流模塊，整流輸出240V直流電直供IT設備,將傳統(tǒng)配電環(huán)節(jié)中的中壓配電、變壓器、低壓配電和HVDC集成到一起，減少配電環(huán)節(jié)，一方面節(jié)省了占地面積，提升機房利用率，另一方面可以實現(xiàn)快速部署,縮短施工周期。

3.2鋰電池替代鉛酸電池

不間斷電源系統(tǒng)是數(shù)據中心供電的核心部分，而電池是不間斷電源系統(tǒng)的重要組成之一。目前，數(shù)據中心備用電池普遍采用閥控鉛酸蓄電池，以400kV*AUPS備電15min為例，狹長形高功率電池需配置2~3組，占地面積大約在3.6m2。用電量為10WM的數(shù)據中心，電池室面積大約需要800m2。隨著數(shù)據中心規(guī)模的不斷擴大，蓄電池室的占地面積可想而知。蓄電池對運行環(huán)境溫度要求比較高，一般要求約為25丈,長期處于浮充狀態(tài)，且隨著充放電頻率增加，充放電效率逐漸下降，導致蓄電池的使用年限一般在3~5年。蓄電池的大量替換對環(huán)境也造成了很大的污染。

鋰電池能量體積密度約200~300W+/L,能量重量密度100~150W•h/kg，為鉛酸電池的2~3倍，具備高可靠、使用壽命長、占地面積小、運維簡單等優(yōu)點。與此同時，鋰電池的循環(huán)壽命高于鉛酸電池，100%DOD的循環(huán)壽命3000多次，可以利

用這一特性實現(xiàn)波谷儲能，波峰放電，從而有效降低數(shù)據中心的能耗成本支出。此外，隨著邊緣數(shù)據中心的需求擴大，采用鋰電池代替鉛酸電池是解決占地面積大、對機房承重高的有效解決方案。

3.3采用綠色能源

數(shù)據中心規(guī)模的不斷加大，其電力消耗也在不斷增長。巨大的用電容量給數(shù)據中心的建設和運營以及電網的運營都帶來了巨大的壓力。當前數(shù)據中心主要是在建筑屋頂設置分布式光伏發(fā)電，所產電肖@要給運維辦公區(qū)域和公共區(qū)域照明、空調等不重要負荷供能，年發(fā)電量占全年用電量的比例不到0.1%。如何利用綠色能源給數(shù)據中心提供高可靠性電力是限制綠色數(shù)據中心發(fā)展的一大難題。

2019年，國家電網公司提出了“泛在電力物聯(lián)網"。對于數(shù)據中心而言，泛在電力物聯(lián)網利用先進信息通信技術，對眾多的分布式能源進行控制，充分發(fā)揮不同區(qū)域內分布式能源的互補特性，更好地滿足數(shù)據中心用戶對多種能源的需求。柔性直流供配電技術具有功率獨立控制、無無功補償問題、可以實現(xiàn)潮流反轉等優(yōu)勢，是組建能源互聯(lián)網的一種有效方案。阿里張北數(shù)據中心柔性直流輸配電工程的成功實施，對未來數(shù)據中心直流入戶起到作用。數(shù)據中心是典型的交直流負荷并存的高能耗負荷中心，接人綠色能源的數(shù)據中心低壓配電側可設置直流配電母線和交流配電母線，分別供給直流設備和交流設備。與傳統(tǒng)交流配電相比，交直流配電方案可減少電能變換環(huán)節(jié)、提高供電效率。

3.4邊緣數(shù)據中心配電

隨著大量5G網絡的建設，邊緣計算數(shù)據中心的爆炸性需求即將到來，數(shù)據中心從原來的集中式架構逐步轉變?yōu)榉植际郊軜嫛＿吘墧?shù)據中心大部分部署在運營商接人機房內。然而，原有通信機房供電資源差異大，大多數(shù)機房只有一路市電，少量機房有兩路市電，而且大多數(shù)機房無法放置油機，甚至出現(xiàn)異常斷電時，備電時長小于移動油機到達初房時長，難以滿足現(xiàn)有國家標準的評級標準。此外，接入、傳輸、交換、核心等多種設備供電需求不一致，多種業(yè)務對備電時長要求差異較大,備電方案復雜。為應對邊緣數(shù)據中心對配電架構的挑戰(zhàn)，匹配業(yè)務融合需求，需要一體化的供配電架構，高度集成不同ICT設備和交直流電源、制冷、監(jiān)控等的模塊化解決方案是未來的技術趨勢。

隨著數(shù)據中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據中心能耗問題也越來越突出，高效可靠的數(shù)據中心配電系統(tǒng)方案，是提高數(shù)據中心電能使用效率，降低設備能耗的有效方式。

AMC系列數(shù)據中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息，并可通過通訊將數(shù)據上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個數(shù)據機房的實時監(jiān)控和有效管理，為實現(xiàn)綠色IDC提供可靠保證。

4.1精密配電管理解決方案

4.1.1交流系統(tǒng)

1）功能要求：

遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；

遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報警功能。

2）配置方案-示意圖

配置方案

多功能儀表       PZ72L-E4

電流互感器       AKH-0.66-30I-XXA/5A

4.1.2直流系統(tǒng)

1) 功能要求

遙測：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；

遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限功能。

2)配置方案-示意圖

配置方案

多功能儀表          PZ72L-DE

霍爾傳感器          AHKC-F-  XXA/5V 開關電源            SBD-30  （48V）

4.2產品規(guī)格

5.1 概述

數(shù)據中心小母線系統(tǒng)是數(shù)據中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱。近年來，隨著數(shù)據中心建設的快速發(fā)展和更高需求，智能小母線系統(tǒng)逐漸被應用于機房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點，即插式插接箱給各個機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監(jiān)測模塊，將數(shù)據上傳至動環(huán)監(jiān)控中心。

5.2  AMB智能小母線管理系統(tǒng)

1）交流系統(tǒng)功能：

遙測：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統(tǒng)頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態(tài)、電壓/電流諧波含量、電流/功率；

遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警，開關狀態(tài)、開關跳閘；

2）直流系統(tǒng)功能：

遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態(tài)、電流/功率；

遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警，開關狀態(tài)、開關跳閘；

5.3 產品介紹

互聯(lián)網業(yè)務側數(shù)據和流量需求的激增，要求數(shù)據中心必須實現(xiàn)快速部署，更多數(shù)據中心將實踐配電系統(tǒng)模塊化的建設理念。隨著鋰電池成本的不斷下降，其在占地面積、使用壽命、初期投資等方面的優(yōu)勢更加突出。同時，節(jié)能減排、利用清潔能源是數(shù)據中心發(fā)展的大勢所趨。

【1】趙婉芳，王妍.數(shù)據中心供配電系統(tǒng)設計和應用[J].電工技術，2019

(15):89-90,

【2】李燕，優(yōu)刻得科技股份有限公司，北京100044

【3】安科瑞數(shù)據中心IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版.

【4】安科瑞企業(yè)微電網設計應用手冊.2020.06版.