數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)的研究

杜 麗

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

在信息技術(shù)高速發(fā)展的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)面臨嚴重威脅的同時，也擁有著重要的發(fā)展機遇。在用電方面，數(shù)據(jù)中心需要滿足用戶的不同需求。借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改善配電架構(gòu)現(xiàn)狀，以創(chuàng)建數(shù)據(jù)中心為目標(biāo)，在同一個空間內(nèi)實現(xiàn)信息集中處理、傳輸、交換、存儲以及管理等，為用戶提供高質(zhì)量服務(wù)。在信息爆炸時代，數(shù)據(jù)呈指數(shù)級上升趨勢，具有復(fù)雜性特點。為了滿足用戶的用電需求，需要以處理大量數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，深入研究數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)。

1 數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)概述

數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)主要包括中壓配電系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)、不間斷電源配電系統(tǒng)、柴油機發(fā)電機組系統(tǒng)等。中壓配電系統(tǒng)由若干個UniGear ZS1組成，一個UniGear柜包括REF_54_控制屏、六氟化硫氣體斷路器和接地操作柜等部分，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 UNIGEAR ZS1結(jié)構(gòu)

在UniGear ZS1結(jié)構(gòu)中，柜體發(fā)生爆炸時，氣體可以從結(jié)構(gòu)上方排出，相關(guān)工作人員在側(cè)面工作，處于安全狀態(tài)。

低壓配電系統(tǒng)主要由配電變電所、高壓配電線路以及控制保護設(shè)備組成，分為IT系統(tǒng)、TT系統(tǒng)等，相關(guān)工作人員需嚴格監(jiān)測其漏電問題[1]。

2 數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)研究

2.1 不間斷電源系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心配電不間斷電源系統(tǒng)主要由市電引入、發(fā)電機組、變壓器等部分組成，能夠儲存能量。當(dāng)發(fā)生停電事件時，可以利用不間斷電源維持充足電量狀態(tài)。采用不間斷電源可解決大型計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)供電電網(wǎng)環(huán)境日益惡劣的問題，防止相關(guān)工作人員在工作過程中遇到斷電問題，避免數(shù)據(jù)丟失。針對市電引入環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員應(yīng)使用高壓配電方式，利用高壓開關(guān)柜將市電向其他用電用戶引流，起到接收和分配電能的作用[2,3]。針對使用變壓器環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員利用電磁感應(yīng)原理達到轉(zhuǎn)換電壓的目的。數(shù)據(jù)中心一般使用干式變壓器，用以接收電能。針對輸出配電柜，相關(guān)工作人員需要使用蓄電池實現(xiàn)不間斷供電目標(biāo)。不間斷電源工作原理是在正常供電基礎(chǔ)上通過交流電壓和直流電壓轉(zhuǎn)換的方式不斷給蓄電池充電，當(dāng)無法正常供電時，利用蓄電池提供電能，保證數(shù)據(jù)中心的正常供電，提高配電架構(gòu)的利用率。

2.2 高壓直流系統(tǒng)

高壓直流系統(tǒng)是一種先進的數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)，主要由交流配電屏柜、直流配電屏柜、配電監(jiān)控單元以及機柜等部分組成。與不間斷電源系統(tǒng)相比，高壓直流系統(tǒng)采用高頻技術(shù)，效率更高且結(jié)構(gòu)簡單。此外，高壓直流系統(tǒng)還采用了模塊化設(shè)計原理，供電方式比較靈活。

相關(guān)工作人員在采用高壓直流系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以將其放置在列頭柜位置，節(jié)省機房空間。當(dāng)其出現(xiàn)故障時，影響范圍相對較小。高壓直流系統(tǒng)具有高效率的特點，相關(guān)工作人員可以根據(jù)高壓直流系統(tǒng)實際負載情況配置適當(dāng)數(shù)量的整流模塊，以此提高負載率和系統(tǒng)效率。除此之外，高壓直流系統(tǒng)具有可靠性特點，其整體結(jié)構(gòu)比較簡單。在整體系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題時，蓄電池依舊可以保持供電狀態(tài)，故障頻次比較少。高壓直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高壓直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高壓直流系統(tǒng)安全性較高，在相關(guān)工作人員工作過程中可以保證其人身安全。以高壓直流輸電（High Voltage Direct Current，HVDC）整流模塊為基礎(chǔ)，利用HVDC模塊休眠特點，當(dāng)數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)波動等問題時，高壓直流系統(tǒng)可以提供一個緩沖時間和吸收作用力，以此保證高壓直流系統(tǒng)供電穩(wěn)定性和高效性[4,5]。

2.3 巴拿馬電源系統(tǒng)

巴拿馬電源系統(tǒng)主要由變壓器、低壓配電柜、進線柜、壓變柜、整流屏以及直配屏等部分組成，輸入電壓為交流10 kV，輸出為直流240 V，同時配備蓄電池組為設(shè)備提供電能。巴拿馬電源系統(tǒng)的核心設(shè)備是移相變壓器+整流器，需要經(jīng)過降壓和整流過程。巴拿馬電源系統(tǒng)構(gòu)造如圖3所示。

圖3 巴拿馬電源系統(tǒng)構(gòu)造

在巴拿馬電源不斷發(fā)展的過程中，逐漸趨向于分散供電模式，能夠提高供電效率，適用于互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)[6]。

3 數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)發(fā)展趨勢

信息時代背景下，信息化技術(shù)發(fā)展速度較快，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)存在系統(tǒng)復(fù)雜等問題，相關(guān)專業(yè)人員致力于解決這些問題，以推動數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)發(fā)展。數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)向模塊化配電、應(yīng)用鋰電池、綠色發(fā)展和邊緣數(shù)據(jù)中心等方向發(fā)展，具體分析如下[7]。

3.1 模塊化配電

模塊化配電是一種高效配電方式。數(shù)據(jù)中心是一項重要投資內(nèi)容，為了加快部署速度、減少占用空間、提高靈活性，可以利用模塊化配電實現(xiàn)。模塊化配電方式可以有效節(jié)省占地面積，提高機房利用率。將傳統(tǒng)配電環(huán)節(jié)中的中壓配電、變壓器以及低壓配電等融合在一起，簡化配電環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員可以將相關(guān)儀器放置在任何地方，不需要為其設(shè)置專門機房，有效節(jié)約資源。除此之外，模塊化配電可以實現(xiàn)快速部署目標(biāo)，縮短施工周期。相關(guān)工作人員可以通過模塊化配電方式提前制定解決方案，從而提高工作效率和工作質(zhì)量[8]。

3.2 應(yīng)用鋰電池

應(yīng)用鋰電池是數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)發(fā)展趨勢。電池是數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)的重要組成部分，對數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)工作效率有著直接的關(guān)系。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)中主要應(yīng)用蓄電池，以400 kVA不間斷電源為例，若所需供電時間為30 min，相關(guān)工作人員需要設(shè)置4～6組鉛酸電池，占地面積約為6 m2，占地面積較大，并且要專門為其分配一個完整的工作室，不利于節(jié)約資源。同時，相關(guān)工作人員需要調(diào)整室內(nèi)溫度，以保證蓄電池可以順利工作。在長期工作后，蓄電池容易出現(xiàn)浮充狀態(tài)，隨著充電和放電頻率不斷增加，其效率逐漸下降。針對蓄電池使用中存在的問題，相關(guān)工作人員可以用鋰電池替換鉛酸蓄電池，以此節(jié)省空間資源，有效降低數(shù)據(jù)中心成本支出，實現(xiàn)高質(zhì)量工作目標(biāo)[9]。

3.3 綠色發(fā)展

在社會不斷發(fā)展過程中，綠色發(fā)展成為各個行業(yè)發(fā)展的中心理念。針對數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)發(fā)展問題，相關(guān)工作人員應(yīng)控制眾多分布式能源，充分發(fā)揮不同地區(qū)能源的作用，滿足用戶需求。數(shù)據(jù)中心是交流電和直流電負荷并存的高能耗負荷中心，其工作過程中容易出現(xiàn)眾多不利于環(huán)境健康發(fā)展的因素，相關(guān)工作人員應(yīng)將綠色能源接入數(shù)據(jù)中心，將其低壓配電側(cè)設(shè)置為直流配電母線和交流配電母線，分別向數(shù)據(jù)中心直流設(shè)備和交流設(shè)備提供電能。通過這種方式降低數(shù)據(jù)中心危害性，提高供電效率，將數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)發(fā)展理念與綠色健康發(fā)展理念相統(tǒng)一，推動社會不斷發(fā)展。

3.4 邊緣數(shù)據(jù)中心

在信息化社會，數(shù)據(jù)中心由集中式架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际郊軜?gòu)，大多數(shù)機房無法放置油機，出現(xiàn)異常斷電問題時，相關(guān)工作人員無法保證機房處于正常狀態(tài)，不能滿足數(shù)據(jù)中心需求。為應(yīng)對數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)所面臨的挑戰(zhàn)，相關(guān)工作人員需要匹配業(yè)務(wù)融合需求，構(gòu)建一體化供配電架構(gòu)模式，同時建設(shè)邊緣數(shù)據(jù)中心，利用高度集成模塊方式解決數(shù)據(jù)中心發(fā)展問題[10]。

4 結(jié) 論

在信息技術(shù)高速發(fā)展基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)發(fā)展面臨重大挑戰(zhàn)。除了不間斷電源系統(tǒng)、高壓直流系統(tǒng)以及巴拿馬電源系統(tǒng)外，數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)還擁有其他模式，相關(guān)工作人員需要將綠色健康發(fā)展理念融入到數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)優(yōu)化完善工作中，從而推動數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)實現(xiàn)高速發(fā)展。