多站融合型數(shù)據(jù)中心交直流供電模式對(duì)比分析

杜先波，陳國琳，唐一銘，夏元軼，范 磊

（1. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 210000；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京 211106）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興計(jì)算通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，電網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)大量增長，推動(dòng)了電力數(shù)據(jù)中心的建設(shè)需求。為促進(jìn)信息物理資源的集約和共享，在配網(wǎng)建設(shè)或改造時(shí)可將數(shù)據(jù)中心和變電站、儲(chǔ)能站及其他場(chǎng)站協(xié)同規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)多站融合模式下能量流、信息流、業(yè)務(wù)流的“三流合一”［1—2］。

在供電系統(tǒng)建設(shè)方案中，多站融合面臨著交流供電和直流供電2 種選擇。交流供電是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)對(duì)象及數(shù)據(jù)中心所用供電模式，擁有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈及配套技術(shù)服務(wù)，但始終存在著轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)冗雜、控制參數(shù)繁多、運(yùn)行效率較低等缺點(diǎn)。隨著直流變換技術(shù)成熟、電力電子設(shè)備的大量應(yīng)用及光伏、儲(chǔ)能等直流設(shè)備的增加，交流向直流轉(zhuǎn)變正成為供電系統(tǒng)升級(jí)演化的重要趨勢(shì)。供電系統(tǒng)的電壓類型決定著多站融合的基本建設(shè)方案，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)可靠靈活運(yùn)行起著至關(guān)重要的影響，需要對(duì)兩者在經(jīng)濟(jì)型、可控性及復(fù)雜性等方面進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比研究，為多站融合供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)參考。

目前，關(guān)于多站融合交直流供電類型主要可從以下3 個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析:一是數(shù)據(jù)中心供電類型分析［3—5］，這類研究通過數(shù)據(jù)中心的可靠性和經(jīng)濟(jì)性分析確定最優(yōu)供電類型，然而該類研究多局限在單個(gè)數(shù)據(jù)中心，分析過程將數(shù)據(jù)中心和新能源、儲(chǔ)能站割裂，不符合多站融合的建設(shè)及運(yùn)行模式，缺少考慮網(wǎng)絡(luò)側(cè)和其他系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)中心的影響；二為直流配電網(wǎng)供電類型研究［6—13］，該類研究多針對(duì)電壓等級(jí)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行研究，但主要停留于拓?fù)鋵用媲椅磸?qiáng)調(diào)多站融合模式對(duì)數(shù)據(jù)中心的影響，對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部設(shè)備及運(yùn)行缺少深入分析；三則來源于多站融合相關(guān)研究［1—2，14］，該類研究對(duì)多站融合的內(nèi)部子站成分進(jìn)行了分解和分析，但該類研究仍處于定性階段，尚缺少全方位、綜合性的評(píng)估體系。

本文基于經(jīng)濟(jì)性、可靠性和可控性3個(gè)維度，提出了多站融合型數(shù)據(jù)中心供電模式的綜合評(píng)估方法，并結(jié)合所提出的典型供電架構(gòu)對(duì)2 種供電模式進(jìn)行了對(duì)比分析。首先，對(duì)交直流供電模式下的多站融合模型數(shù)據(jù)中心的典型系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了研究，明確其關(guān)鍵組成成分、連接方式和電壓等級(jí)；然后，對(duì)基于經(jīng)濟(jì)性、可靠性和可控性3 個(gè)維度的多站融合型數(shù)據(jù)中心供電模式評(píng)估方法進(jìn)行了介紹，其中經(jīng)濟(jì)性評(píng)估考慮了建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本對(duì)系統(tǒng)成本進(jìn)行了建模，可靠性評(píng)估基于對(duì)2 種供電模式下的供電路徑進(jìn)行了建模，可控性則基于對(duì)交直流供電模式的系統(tǒng)特性和技術(shù)現(xiàn)況給出了定性建模方法；隨后，基于所調(diào)研的數(shù)據(jù)和評(píng)估方法對(duì)2種供電模式進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了2 種供電模式各自的優(yōu)劣勢(shì)；最后，給出了多站融合型數(shù)據(jù)中心的供電模式選擇參考建議。

1 多站融合模式下數(shù)據(jù)中心交直流供電模式的系統(tǒng)架構(gòu)

多站融合的子站類型暫沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但考慮到數(shù)據(jù)處理和節(jié)能減排的需求，多站融合將數(shù)據(jù)中心、儲(chǔ)能站和新能源廠站作為基礎(chǔ)組成部分。因此，本節(jié)考慮基于變電站、數(shù)據(jù)中心、風(fēng)電、光伏、和儲(chǔ)能等子站的多站融合建設(shè)形式，給出了交直流2種供電模式下多站融合數(shù)據(jù)中心的典型系統(tǒng)架構(gòu)如圖1和圖2所示。

選取交流10 kV 作為2 種供電模式下的外網(wǎng)電壓，為減少配網(wǎng)內(nèi)電力變換環(huán)節(jié)，考慮到配網(wǎng)常見發(fā)、配、用電設(shè)備如軌道交通、新能源、充電樁、數(shù)據(jù)通信設(shè)備和智能設(shè)備等的電壓等級(jí)如表1所示，圖1直流母線電壓設(shè)置為750 V 和240 V，將圖2 中的交流母線電壓設(shè)置為380 V（三相）。

圖1 多站融合型數(shù)據(jù)中心直流供電架構(gòu)Fig.1 DC power supply architecture of data center in multi?station integration

圖2 多站融合型數(shù)據(jù)中心交流供電架構(gòu)Fig.2 AC power supply architecture of data center in multi?station integration

表1 配網(wǎng)發(fā)用電設(shè)備電壓等級(jí)［9］Table 1 Voltage level of equipment in distribution network V

2 多站融合模式下數(shù)據(jù)中心交直流供電模式的綜合評(píng)估方法

2.1 經(jīng)濟(jì)性維度對(duì)比方法

本節(jié)從經(jīng)濟(jì)性的角度對(duì)交直流供電模式的評(píng)估方法進(jìn)行研究。供電系統(tǒng)的整體成本為C，由建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本組成，即

式中:C1為建設(shè)成本；C2為運(yùn)行維護(hù)成本。

建設(shè)成本為各設(shè)備造價(jià)之和，即

式中:Kcon,i為各設(shè)備造價(jià)；n為設(shè)備總數(shù)。

運(yùn)行維護(hù)成本由系統(tǒng)能耗水平?jīng)Q定，系統(tǒng)能耗又主要來自于變換損耗和線路損耗。其中變換損耗指電力電子變換裝置和變壓器的電能變換效率，在系統(tǒng)級(jí)的分析中通常使用固定值η表示，即

式中:Pin為輸入功率；Pout為輸出功率。

對(duì)于線路損耗，由于其與電壓模式和線路長度有關(guān)，通常使用模型進(jìn)行計(jì)算。

（1）直流線路傳輸損耗計(jì)算:由于沒有電感、無功的存在，不產(chǎn)生渦流損耗和集膚效應(yīng)，直流線路傳輸效率高于交流線路。直流線路的損耗與輸出功率的比edc由下式給出［4］，即

式中:J為電流密度，A/mm2；l為線路長度，km；Udc為直流線電壓，kV。

（2）交流線路傳輸損耗計(jì)算:交流線路的損耗與輸出功率的比eac為［4］

式中:Uac為交流線電壓；額外損耗系數(shù)k=1。

假設(shè)電價(jià)Kpri和后期維護(hù)價(jià)格Kmai在單位功率內(nèi)為常數(shù)，則綜合上述模型，系統(tǒng)的功耗C計(jì)算式（1）可具化為

式中:m為變換器總數(shù)；PΩ,i為流過第i個(gè)變換器的功率；v為不同功率值的線路總數(shù)；PZ,i為流過第i條線路的有功功率；T為系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。

2.2 可靠性維度對(duì)比方法

系統(tǒng)的可靠性通常假設(shè)各設(shè)備的運(yùn)行-故障情況相互獨(dú)立，然后基于元件或設(shè)備的可用率，通過串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分析得到系統(tǒng)整體可用率。

在忽略環(huán)境、人為失誤等外界影響下，設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間（mean time between failures，MTBF）和故障時(shí)間（mean time to repair，MTTR）近似滿足指數(shù)分布。由馬爾科夫模型可知，元件的可用率Availability可由下式進(jìn)行計(jì)算

考慮到AC 架構(gòu)和DC 架構(gòu)供電模式的變化不會(huì)對(duì)新能源、系統(tǒng)負(fù)荷的自身特性產(chǎn)生影響，因此在對(duì)比計(jì)算中可忽略新能源的波動(dòng)性和負(fù)荷的波動(dòng)性。DC架構(gòu)和AC架構(gòu)的可靠性框圖分別如圖3和圖4 所示，各符號(hào)意義在表2 進(jìn)行了說明。其中UPS電池統(tǒng)一為200 kW的鉛蓄電池，數(shù)據(jù)中心電力入口的配電單元（power distribution unit，PDU）、逆變器等按照2N冗余備用設(shè)置。

圖3 多站融合型數(shù)據(jù)中心直流供電架構(gòu)可靠性框圖Fig.3 Reliability diagram of DC power supply architecture in multi?station integration data center

圖4 多站融合型數(shù)據(jù)中心交流供電架構(gòu)可靠性框圖Fig.4 Reliability diagram of AC power supply architecture in multi?station integration data center

表2 可靠性框圖中設(shè)備與英文縮寫對(duì)應(yīng)表Table 2 Abbreviations of the equipment in reliability diagram

2.3 可控性維度對(duì)比方法

雖然直流供電模式擁有許多潛在效益，但多站融合需要額外考慮與其他設(shè)備聯(lián)調(diào)調(diào)控，以保證整體系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全穩(wěn)定性。因此，數(shù)據(jù)中心在多站融合模式下，需作為配網(wǎng)的一個(gè)組成部分參與到系統(tǒng)調(diào)控之中，必須考慮到系統(tǒng)運(yùn)行事件如新能源跌落、電價(jià)波動(dòng)、乃至短路斷線故障等情況時(shí)對(duì)其運(yùn)行的影響。由于直流和交流供電模式的控制目標(biāo)及控制任務(wù)有所不同，且目前所處的發(fā)展階段不同，難以直接對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比。因此本節(jié)提供了一種去除技術(shù)細(xì)節(jié)的定性對(duì)比方法，從系統(tǒng)控制特性、系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)升級(jí)潛力和電路保護(hù)技術(shù)成熟度3個(gè)維度分別對(duì)系統(tǒng)的可控性進(jìn)行打分，分?jǐn)?shù)越低表示系統(tǒng)可控性越低。

首先定義可控性Z計(jì)算公式如（8）所示

式中:Za為系統(tǒng)的控制特性；Zb為系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)升級(jí)潛力；Zc為電路保護(hù)技術(shù)成熟度。

控制特性Za的量化方法如下。將系統(tǒng)的控制特性分為問題和措施2部分:當(dāng)控制只需要考慮電壓幅值時(shí)，控制特性較好；當(dāng)解決措施需要額外的設(shè)備搭配，如儲(chǔ)能消納新能源，則控制特性較差。對(duì)目標(biāo)問題涉及的每一個(gè)參考量，直流記為1分；對(duì)于措施，只需要設(shè)備本地調(diào)控策略支持（如對(duì)設(shè)備出力的下垂控制、電力電子調(diào)相等）的直流記為1分，需要額外設(shè)備配置（如濾波器、無功源、控制器等）直流記為1分，需要系統(tǒng)級(jí)協(xié)調(diào)運(yùn)行策略（如削峰填谷等調(diào)度措施）的直流記為1分。考慮到交流研究比較成熟，以上分?jǐn)?shù)在交流中可取直流的{λ|λ∈(0,1)}倍，則1λ可表示直流供電模式相較于交流的成熟度。所有問題和控制措施相乘的和作為該系統(tǒng)的控制特性，即

式中:σpro,i為該問題的復(fù)雜程度；σans,i為該問題解決方法的復(fù)雜程度。

控制結(jié)構(gòu)升級(jí)潛力Zb通過對(duì)比給出評(píng)分。若一方的相關(guān)優(yōu)化控制架構(gòu)研究無法應(yīng)用于另一方，則認(rèn)為該系統(tǒng)擁有更好的控制結(jié)構(gòu)升級(jí)潛力。同時(shí)由于控制結(jié)構(gòu)升級(jí)潛力往往與當(dāng)下工程實(shí)踐關(guān)系不大，因此只給分值權(quán)重為1。

電路保護(hù)技術(shù)Zc來說，可分為測(cè)量裝置、保護(hù)理論2部分，2個(gè)方面分值各設(shè)為1。

3 多站融合模式下數(shù)據(jù)中心交直流供電模式的對(duì)比分析

本節(jié)將按照第2 節(jié)的方法對(duì)第1 節(jié)的交直流典型供電架構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

中壓側(cè)的一般投資價(jià)格［4］，建設(shè)成本和設(shè)備的關(guān)系在表3中給出。

變換損耗:在中低壓配網(wǎng)范圍內(nèi)，現(xiàn)有技術(shù)水平下交直流變換設(shè)備的效率沒有明顯差別，普遍可達(dá)到95%以上［4］，現(xiàn)有交流變壓器的效率普遍為90%～98%。因此，本節(jié)可假設(shè)所有變換裝置，包括電力電子裝置及變壓器等在內(nèi)的效率為95%。

本文數(shù)據(jù)中心的功率設(shè)定為200 kW，儲(chǔ)能最高功率設(shè)為700 kW，儲(chǔ)存的最大電量為700 kW×2 h，風(fēng)機(jī)為400 kW，光伏為200 kW，配電線路總長為2 km，且視為輸送的功率主要來自于風(fēng)機(jī)和光伏；電價(jià)Kpri為 0.7 元/kWh，維護(hù)價(jià)格Kmai為 0.02 元/kWh；此外設(shè)J=2 A/mm2，負(fù)荷功率因數(shù)cosφ=0.9。本文同時(shí)考慮了2種供電模式成本對(duì)系統(tǒng)總?cè)萘康拿舾谐潭?，結(jié)果如下圖5所示。

表3 各設(shè)備的建設(shè)投資成本Table 3 Investment price of the equipment

圖5 交直流供電模式的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果Fig.5 Economic comparison of AC and DC power supply modes

從圖5 中可以看出，采用直流供電模式時(shí)系統(tǒng)初始建設(shè)成本較高，但隨著時(shí)間推移，在大約1.5～2年時(shí)，交流總成本將超過直流；此外，建設(shè)規(guī)模對(duì)建設(shè)初期投資規(guī)模影響，相較于運(yùn)行成本較小。由于數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間大多為10年以上，因此直流供電模式的經(jīng)濟(jì)效益明顯高于交流。

3.2 可靠性對(duì)比分析

單體設(shè)備或元件的可靠性參數(shù)如表4所示。基于圖3和圖4，可計(jì)算出2種供電模式的可用性分別為:

表4 單體設(shè)備或元件的可靠性參數(shù)［5］Table 4 Reliability parameters of singular equipment h

按照可靠性的一般表述方式，直流供電架構(gòu)的可靠性為8個(gè)9，而交流供電架構(gòu)的可靠性為7個(gè)9，因此直流供電模式的可靠性優(yōu)于交流供電模式的可靠性。為使結(jié)果更具普遍性，考慮到直流斷路器的商業(yè)化較低，假設(shè)直流CB 可靠性水平降低10%，則直流供電模式的可靠性變?yōu)?

直流供電模式仍保持了8 個(gè)9 的可靠性?？梢娤噍^于交流供電模式，直流供電模式在系統(tǒng)架構(gòu)上保證了更高的可靠性水平。

3.3 可控性對(duì)比分析

（1）系統(tǒng)控制特性

配網(wǎng)系統(tǒng)中主要的問題為電能質(zhì)量問題，通過對(duì)已有文獻(xiàn)中交直流配電系統(tǒng)相關(guān)問題及解決方案的調(diào)研［6—11］，總結(jié)出交直流系統(tǒng)控制特性評(píng)分相關(guān)項(xiàng)如表5所示。

表5 交直流供電模式控制特性表Table 5 Control characteristics of DC and AC power supply modes

在表5中，若問題為無功問題或諧波問題，通?？赏ㄟ^增設(shè)濾波器、電容器等額外設(shè)備解決。而如果為有功問題，則需要通過儲(chǔ)能、負(fù)荷（數(shù)據(jù)中心）及新能源的協(xié)調(diào)控制，并增設(shè)額外控制裝置，以保證電力供需平衡。因此，直流系統(tǒng)控制特性分?jǐn)?shù)Za,dc=8，而交流系統(tǒng)控制特性分?jǐn)?shù)Za,ac=33λ2。

（2）控制結(jié)構(gòu)升級(jí)潛力

從原理角度出發(fā)，傳統(tǒng)交流系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)都可以在直流系統(tǒng)中應(yīng)用，而直流系統(tǒng)得益于其只與電壓一個(gè)參考量相關(guān)，具備控制重心和控制資源下移的潛力，更好地實(shí)現(xiàn)分區(qū)、分層控制［15—17］。因此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為直流系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)潛力優(yōu)于交流系統(tǒng)，即交流系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)潛力分?jǐn)?shù)Zb,ac=1 ，直流系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)潛力分?jǐn)?shù)Zb,dc=0。

（3）電路保護(hù)技術(shù)

由于交流配電系統(tǒng)經(jīng)過長時(shí)間的研究和實(shí)踐已基本發(fā)展成熟，可視為不存在裝置和保護(hù)理論上的明顯問題。直流系統(tǒng)電路保護(hù)技術(shù)相關(guān)問題總結(jié)于表6之中。因此，應(yīng)視為直流系統(tǒng)在裝置和保護(hù)原理上仍存劣勢(shì)，即交流系統(tǒng)電路保護(hù)技術(shù)分?jǐn)?shù)Zc,ac=0 ，直流系統(tǒng)電路保護(hù)技術(shù)分?jǐn)?shù)Zc,dc=2。

表6 直流電路保護(hù)技術(shù)主要問題總結(jié)Table 6 Summary of technical problems of DC circuit protection

綜上，交直流供電模式的可控性如圖6所示。

圖6 交直流供電模式的可控性對(duì)比結(jié)果Fig.6 Controllability comparison of AC and DC power supply modes

由圖6 可知，如果考慮直流供電模式的成熟度1λ高于2，直流供電模式將和交流供電模式取得類似的可控性。當(dāng)直流供電模式和交流供電模式相接近時(shí)（λ≈1），直流供電模式的可控性將遠(yuǎn)超交流供電模式。

4 結(jié)論

本文基于經(jīng)濟(jì)性、可靠性和可控性3個(gè)維度，提出了一種多站融合型數(shù)據(jù)中心供電模式的綜合評(píng)估，并結(jié)合具體場(chǎng)景對(duì)多站融合模式下的數(shù)據(jù)中心交直流供電模式進(jìn)行了較為全面的對(duì)比。本文主要結(jié)論如下:

（1）在經(jīng)濟(jì)性上，直流供電模式初期投資較高，但在數(shù)據(jù)中心使用壽命期間可顯著節(jié)省運(yùn)維費(fèi)用，總成本上優(yōu)于交流供電模式。

（2）在可靠性上，直流供電模式在系統(tǒng)架構(gòu)上存在更好的可靠性，且部分直流器件較低的可靠性水平不會(huì)影響結(jié)論的魯棒性。

（3）在可控性上，直流供電模式擁有更好的優(yōu)化前景，當(dāng)直流供電模式相關(guān)技術(shù)的成熟度接近交流供電模式時(shí)，直流供電模式的可控性將明顯優(yōu)于交流供電模式。