淺談數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)分析

張娟

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

 

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)也在不斷**和發(fā)展。論文簡(jiǎn)要分析了現(xiàn)階段數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)，并給出了未來(lái)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，給相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：預(yù)制化;鋰電池;分布式能源；邊緣數(shù)據(jù)中心

        隨著云計(jì)算與AI技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施迎來(lái)了巨大的發(fā)展機(jī)遇,也面臨著**的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的大多數(shù)據(jù)中心均使用相同的配電架構(gòu)為1T設(shè)備配電。然而，數(shù)據(jù)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(lái)了很大的挑戰(zhàn)。

        數(shù)據(jù)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(jī)組系統(tǒng)等。根據(jù)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)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(jù)數(shù)據(jù)中心等級(jí)按照GB50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》的附錄A配置。不間斷電源系統(tǒng)負(fù)載包含1T設(shè)備和動(dòng)力設(shè)備。IT設(shè)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(dòng)力設(shè)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(jí)有中壓和低壓兩類，具體采用哪種電壓等級(jí)需要從數(shù)據(jù)中心的規(guī)模、投資、運(yùn)維等方面綜合決定。當(dāng)前大型數(shù)據(jù)中心主要應(yīng)用10kV柴發(fā)機(jī)組作為備用電源。

        傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)存在系統(tǒng)割裂且復(fù)雜、占地面積大、故障定位難等問(wèn)題，如何簡(jiǎn)化供電架構(gòu)，減少占地面積，縮短施工周期，是未來(lái)數(shù)據(jù)中心配電發(fā)展的趨勢(shì)。同時(shí),綠色節(jié)能和邊緣數(shù)據(jù)中心對(duì)供配電系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。

3.1預(yù)制模塊化配電

        數(shù)據(jù)中心作為一項(xiàng)重資產(chǎn)的投資，如何以總體相當(dāng)?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(jù)中心的發(fā)展趨勢(shì)。預(yù)制化是一種預(yù)先設(shè)計(jì)、組裝、集成和測(cè)試的物理基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng),可作為標(biāo)準(zhǔn)化“即插即用式”模塊。預(yù)制化可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心建設(shè)的“去工程化”,縮短大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)周期，降低前期高昂成本投入和可能發(fā)生的施工延期風(fēng)險(xiǎn)。  

         配電系統(tǒng)的預(yù)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(jī)房地面。國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心建筑以土建結(jié)構(gòu)為主，配電模塊的預(yù)制化以機(jī)房?jī)?nèi)安裝為主流。根據(jù)預(yù)制化程度不同，一種預(yù)制化方式為一體化模塊,將低壓配電室單列設(shè)備統(tǒng)一預(yù)制在底座上,可滿足消防通道要求，但需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)特殊處理才能滿足現(xiàn)場(chǎng)吊裝要求，應(yīng)用場(chǎng)景不具有通用性。另一種預(yù)制化方式為拼裝式模塊，低壓側(cè)各配電環(huán)節(jié)通過(guò)預(yù)制母排連接,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝式拼裝。當(dāng)前市場(chǎng)上較前沿的預(yù)制化產(chǎn)品為將不間斷電源與輸人輸出柜模塊化，做成標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(jī)房利用率，另一方面可以實(shí)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(jù)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(jù)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(zhǎng)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(jù)中心，電池室面積大約需要800m2。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴(kuò)大，蓄電池室的占地面積可想而知。蓄電池對(duì)運(yùn)行環(huán)境溫度要求比較高，一般要求約為25丈,長(zhǎng)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(dǎo)致蓄電池的使用年限一般在3~5年。蓄電池的大量替換對(duì)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(zhǎng)、占地面積小、運(yùn)維簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí)，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(shí)現(xiàn)波谷儲(chǔ)能，波峰放電，從而有效降低數(shù)據(jù)中心的能耗成本支出。此外，隨著邊緣數(shù)據(jù)中心的需求擴(kuò)大，采用鋰電池代替鉛酸電池是解決占地面積大、對(duì)機(jī)房承重高的有效解決方案。

3.3采用綠色能源

        數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷加大，其電力消耗也在不斷增長(zhǎng)。巨大的用電容量給數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)以及電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)都帶來(lái)了巨大的壓力。當(dāng)前數(shù)據(jù)中心主要是在建筑屋頂設(shè)置分布式光伏發(fā)電，所產(chǎn)電肖@要給運(yùn)維辦公區(qū)域和公共區(qū)域照明、空調(diào)等不重要負(fù)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(jù)中心提供高可靠性電力是限制綠色數(shù)據(jù)中心發(fā)展的一大難題。

        2019年，國(guó)家電網(wǎng)公司提出了“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”。對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)利用先進(jìn)信息通信技術(shù)，對(duì)眾多的分布式能源進(jìn)行控制，充分發(fā)揮不同區(qū)域內(nèi)分布式能源的互補(bǔ)特性，更好地滿足數(shù)據(jù)中心用戶對(duì)多種能源的需求。柔性直流供配電技術(shù)具有功率獨(dú)立控制、無(wú)無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題、可以實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)等優(yōu)勢(shì)，是組建能源互聯(lián)網(wǎng)的一種有效方案。阿里張北數(shù)據(jù)中心柔性直流輸配電工程的成功實(shí)施，對(duì)未來(lái)數(shù)據(jù)中心直流入戶起到**作用。數(shù)據(jù)中心是典型的交直流負(fù)荷并存的高能耗負(fù)荷中心，接人綠色能源的數(shù)據(jù)中心低壓配電側(cè)可設(shè)置直流配電母線和交流配電母線，分別供給直流設(shè)備和交流設(shè)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(jù)中心配電

        隨著大量5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)中心的爆炸性需求即將到來(lái)，數(shù)據(jù)中心從原來(lái)的集中式架構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际郊軜?gòu)。邊緣數(shù)據(jù)中心大部分部署在運(yùn)營(yíng)商接人機(jī)房?jī)?nèi)。然而，原有通信機(jī)房供電資源差異大，大多數(shù)機(jī)房只有一路市電，少量機(jī)房有兩路市電，而且大多數(shù)機(jī)房無(wú)法放置油機(jī)，甚至出現(xiàn)異常斷電時(shí)，備電時(shí)長(zhǎng)小于移動(dòng)油機(jī)到達(dá)初房時(shí)長(zhǎng)，難以滿足現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。此外，接入、傳輸、交換、核心等多種設(shè)備供電需求不一致，多種業(yè)務(wù)對(duì)備電時(shí)長(zhǎng)要求差異較大,備電方案復(fù)雜。為應(yīng)對(duì)邊緣數(shù)據(jù)中心對(duì)配電架構(gòu)的挑戰(zhàn)，匹配業(yè)務(wù)融合需求，需要一體化的供配電架構(gòu)，高度集成不同ICT設(shè)備和交直流電源、制冷、監(jiān)控等的模塊化解決方案是未來(lái)的技術(shù)趨勢(shì)。

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

AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房末端設(shè)計(jì)的，能夠綜合集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供**的電參量信息，并可通過(guò)通訊將數(shù)據(jù)上傳到動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房的實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效管理，為實(shí)現(xiàn)綠色I(xiàn)DC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(cè)：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(guò)壓/欠壓，缺相,過(guò)流，輸入分路和輸出分路的開(kāi)關(guān)狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報(bào)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(cè)：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；

        遙信：輸入分路的過(guò)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(jì)，實(shí)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(kāi)關(guān)電源            SBD-30  （48V）

4.2產(chǎn)品規(guī)格

5.1 概述

        數(shù)據(jù)中心小母線系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱。近年來(lái)，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的快速發(fā)展和更高需求，智能小母線系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于機(jī)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(diǎn)，即插式插接箱給各個(gè)機(jī)柜內(nèi)的PDU分配電。始端箱和插接箱內(nèi)可設(shè)置監(jiān)測(cè)模塊，將數(shù)據(jù)上傳至動(dòng)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(cè)：三相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功電能、無(wú)功電能、電纜溫度，系統(tǒng)頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電壓/電流諧波含量、電流/功率；

        遙信：過(guò)電流2段閥值越限、過(guò)/欠壓、過(guò)功率告警、缺相、過(guò)頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警，開(kāi)關(guān)狀態(tài)、開(kāi)關(guān)跳閘；    

        2）直流系統(tǒng)功能：

        遙測(cè)：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流/功率；

        遙信：過(guò)電流2段閥值越限、過(guò)/欠壓、過(guò)功率告警、缺相、溫/濕度告警，開(kāi)關(guān)狀態(tài)、開(kāi)關(guān)跳閘；                             

5.3 產(chǎn)品介紹

        互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)側(cè)數(shù)據(jù)和流量需求的激增，要求數(shù)據(jù)中心必須實(shí)現(xiàn)快速部署，更多數(shù)據(jù)中心將實(shí)踐配電系統(tǒng)模塊化的建設(shè)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(shì)更加突出。同時(shí)，節(jié)能減排、利用清潔能源是數(shù)據(jù)中心發(fā)展的大勢(shì)所趨。

【參考文獻(xiàn)】

【1】趙婉芳，王妍.數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2019

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【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(jù)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(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊(cè).2020.06版.

張娟，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數(shù)據(jù)中心智能小母線監(jiān)控的研發(fā)及應(yīng)用。