多站融合項目供電可靠性提升關(guān)鍵技術(shù)及措施研究

臧榮堂

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210006）

0 引 言

為推進新型數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，將變電站、儲能站、數(shù)據(jù)中心站、分布式光伏發(fā)電站、5G基站、北斗地基增強站以及電動汽車充電站等進行獨立設(shè)計和建設(shè)[1]。融合匯聚構(gòu)建智慧綜合能源站，是國家電網(wǎng)公司為深入貫徹“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略，順應(yīng)能源革命與數(shù)字革命融合發(fā)展的具體體現(xiàn)。文章將圍繞電力設(shè)施共享進行多站融合項目供電可靠性提升技術(shù)研究，對如何提高供電可靠性進行探索和思考。

1 基于電力設(shè)施共享的多站融合項目的主要供電方式

根據(jù)數(shù)據(jù)中心信息技術(shù)（Information Technology，IT）設(shè)備和其配套設(shè)備的用電特性，多站融合的主要供電方式有3種，分別是純交流供電系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)以及交/直流并存的混合供電方式。這3種供電方式中，安全備份的方式均包含2N和N+X。下面將針對純交流供電系統(tǒng)、純直流供電系統(tǒng)以及交/直流混合供電系統(tǒng)對3種供電方式進行詳細介紹。

1.1 純交流供電系統(tǒng)

以典型A級數(shù)據(jù)中心為例，傳統(tǒng)的純交流供電系統(tǒng)上游由2路市電電源引入，經(jīng)2N備份的不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統(tǒng)后，分A路和B路給機房IT設(shè)備提供220 V交流不間斷電源。空調(diào)設(shè)備通常采用2路市電末端切換的方式供電[2]。傳統(tǒng)純交流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括高壓配電、變壓器、低壓配電、UPS系統(tǒng)以及交流列柜等部分。

1.2 純直流供電系統(tǒng)

以典型A級數(shù)據(jù)中心為例，傳統(tǒng)的純直流供電系統(tǒng)上游由2路市電電源引入，經(jīng)直流不間斷電源系統(tǒng)后，分A路和B路給機房IT設(shè)備提供2路240 V直流或-48 V不間斷電源。以直流240 V不間斷電源為例，采用高壓直流輸電（High-Voltage Direct Current，HVDC）供電系統(tǒng)[3]。傳統(tǒng)純直流供電系統(tǒng)主要包括高壓配電、變壓器、低壓配電、直流不間斷電源（HVDC系統(tǒng)或-48 V開關(guān)電源系統(tǒng)）以及直流列柜等部分。

1.3 交/直流混合供電系統(tǒng)

交/直流混合供電系統(tǒng)是一種融合了傳統(tǒng)純交流供電系統(tǒng)和純直流供電系統(tǒng)的供電新方式。當(dāng)A路和B路電源均為交流輸入時，系統(tǒng)為傳統(tǒng)的純交流供電系統(tǒng)；當(dāng)A路和B路電源均為直流輸入時，系統(tǒng)為傳統(tǒng)的純直流供電系統(tǒng)；當(dāng)A路和B路電源一路為交流電源輸入、另一路為直流輸入時，系統(tǒng)為交/直流混合供電系統(tǒng)。交/直流混合供電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的設(shè)備與純交流供電系統(tǒng)和純直流供電相同，針對不同的應(yīng)用場景，需合理選擇局部供電方案。

采用交/直流混合供電系統(tǒng)的“A路市電電源+B路通信用240 V直流電源”電源方案，因交直流變換環(huán)節(jié)更少，在保障通信安全、降低運行功耗、節(jié)約建設(shè)成本以及操作維護簡單等方面具有很大優(yōu)勢。與傳統(tǒng)純交流UPS技術(shù)相比，效率更高，體積更小[4]。

2 基于電力設(shè)施共享多站融合項目主要供電方式的可靠性對比分析

2.1 各級數(shù)據(jù)中心對供電系統(tǒng)可靠性的具體要求

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》（GB 50174—2017），按照數(shù)據(jù)中心建設(shè)等級劃分為A、B、C共3個級別[5]。

2.2 各類型供電方式可靠性對比

可靠性對比的5個基本指標(biāo)分別為可靠度、故障概率、故障頻率、故障強度（失效率）以及平均故障間隔時間。

電力小型多站融合項目的供電方式主要分為交流供電系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)以及交/直流混合供電系統(tǒng)3種類型。3種供電系統(tǒng)的供電方式基本一致，均包含2N、N+X、N等備份供電方式。對比各種交/直流備份供電方式，需要仔細分析供電系統(tǒng)的組成，分別局部套用串聯(lián)、并聯(lián)和混合型可靠性分析模型進行理論分析計算，通過舉例分析對比N+1和2N的交流供電方式對維護系統(tǒng)可靠性的作用。

借鑒某數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)可靠性參數(shù)指標(biāo)，該數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的可靠性應(yīng)從環(huán)境、設(shè)備、產(chǎn)品、設(shè)計、施工及維護等因素考慮（暫忽略人為因素）。

（1）市電的可靠性。根據(jù)某市供電局發(fā)布的有關(guān)資料，某市市區(qū)市電可靠性為99.97%。

（2）高壓配電開關(guān)在其20年正常使用時間內(nèi)的可靠性不低于99.999 2%。

（3）變壓器在其20年正常使用時間內(nèi)的可靠性不低于99.999 4%。

（4）油機電的可靠性。根據(jù)柴油發(fā)電機組規(guī)范可靠性取其短板，即油機啟動成功率（自啟動和加載）大于99.000 0%。

（5）市電與油機電切換開關(guān)的可靠性。市電和油機電的切換通常采用自動切換開關(guān)（Automatic Transfer Switch，ATS）。根據(jù)主流廠家提供的資料，該部件的可靠性約為99.990 0%。

（6）不間斷電源系統(tǒng)的可靠性及其備份方式對可靠性的影響。根據(jù)UPS廠家提供資料，N+1冗余UPS可靠性不低于99.995 0%，N架構(gòu)UPS可靠性不低于99.990 0%。

（7）240 V直流電源系統(tǒng)的可靠性不低于99.998 0%。

根據(jù)參數(shù)指標(biāo)，方案1主設(shè)備負荷采用N+1 UPS方式供電。市電及變壓器可靠性為99.999 944%×99.999 4%，即99.999 344%。2路市電切換和單臺變壓器可靠性為99.999 344%×99.999 344%，即99.998 688%。采用N+1備份UPS供電的可靠性為99.998 688%×99.995%=99.993 688%。方案2主設(shè)備負荷采用2NUPS方式供電。市電及變壓器可靠性為99.999 944%×99.999 400%，即99.999 344%。1路市電供電的N備份UPS的可靠性為99.999 344%×99.990 000%，即99.989 344%。主設(shè)備采用2NUPS方式供電的可靠性為1-（1-99.989 344%）×（1-99.990 000%）×（1-99.989 344%）×（1-99.990 000%），即99.999 999 999 99%?？梢姡桨?比方案1可靠。

同樣的方法，再來對比分析2種供電方案，分別為采用市電與UPS共同供電的方案3、采用市電與240 V直流共同供電的方案4。1路市電與高壓聯(lián)絡(luò)的可靠性為99.97%×99.999 2%，即99.969 2%。2路市電采用高壓切換的可靠性為99.97%×99.969 2%，即99.939 2%。1路市電與ATS切換的可靠性為99.97%×99.99%，即99.960 003%。1路市電與油機電采用ATS切換的可靠性為，即1-（1-99.939 2%）×（1-99.960 003%×99%），即 99.999 367 9%。2路市電和市電備用線采用高壓切換的可靠性為1-（1-99.939 2%）×（1-99.939 2%×99.969 2%），即99.999 944%。市電及變壓器可靠性為99.999 944%×99.999 4%，即99.999 344%。1路市電供電的N+1備份UP的可靠性為99.999 344%×99.995 000%，即99.994 344%。1路市電供電的240 V直流系統(tǒng)的可靠性為99.999 344%×99.998 000%，即99.997 344%。于是，方案3的1路市電和1路N+1備份UPS的可靠性為1-（1-99.999 344%）×（1-99.994 344%），即99.999 999 962 89%。方案4的1路市電和1路240 V直流系統(tǒng)的可靠性為1-（1-99.999 344%）×（1-99.997 344%），即99.999 999 982 57%?？梢?，方案4比方案3可靠。

通過《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》（GB 50174—2017）中3級數(shù)據(jù)中心電氣專業(yè)的技術(shù)要求和5個基本可靠性指標(biāo)的介紹，結(jié)合具體實際案例數(shù)據(jù)進行理論推算，演示了數(shù)據(jù)測算供電系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性的方法，可以幫助設(shè)計者選擇合適的供電系統(tǒng)方案。電力小型多站融合項目的最佳供電方案需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景分析后確定。

3 基于電力設(shè)施共享的多站融合項目供電可靠性提升的關(guān)鍵措施

3.1 通過系統(tǒng)構(gòu)架提升可靠性

通過分析發(fā)現(xiàn)，供電系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性與供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)系密切。不同的交直流供電方式、不同的供電構(gòu)架以及不同的電源備份方式直接影響供電系統(tǒng)的可靠性。

基于交/直流供電方式，從備份方式維度看，運行可靠性從大到小排序依次為2N備份、N+1備份、N構(gòu)架。如果項目建設(shè)條件允許，選擇2N構(gòu)架將是提高供電可靠性的最優(yōu)方式。若條件不足以按2N構(gòu)架建設(shè)，可選擇N+1備份的構(gòu)架，同時結(jié)合資源占用和供電可靠性選擇方案[6]。

除了傳統(tǒng)的2N和N+1架構(gòu)，還有其他供電構(gòu)架，如從2N構(gòu)架演化而來的2（N+1）供電構(gòu)架，可靠性更高。它同時具備2N構(gòu)架和N+1備份的特點，可靠性比2N更高。經(jīng)過系統(tǒng)演化的還有DR+STS的供電構(gòu)架方式，即其中一個N故障后，不影響另一個N為系統(tǒng)供電。在每一個N中，還疊加考慮N+1備份，即每一個N中都有設(shè)備或模塊備份，可靠性較2N更高[7]。

除了介紹的備份方式，還有RR等其他供電構(gòu)架方式。數(shù)據(jù)中心在建設(shè)規(guī)劃之初可以根據(jù)不同的場景需求匹配不同的可靠性設(shè)計構(gòu)架。

3.2 通過設(shè)備選型提升可靠性

確定數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)構(gòu)架后，設(shè)備選型會影響數(shù)據(jù)中心的運行可靠性。設(shè)備選型主要包含以下幾種情況。

3.2.1 新增購買設(shè)備和利舊設(shè)備

一些特定數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景的供電設(shè)備存在利舊的可能性。在條件允許的前提下，即需要對所有數(shù)據(jù)中心的電源設(shè)備全新采購。尤其在預(yù)算緊張的情況下，為了兼顧供電的可靠性，可以將現(xiàn)有的可用設(shè)備進行系統(tǒng)匹配，直接應(yīng)用到新的供電系統(tǒng)。此外也可以對利舊設(shè)備進行現(xiàn)代化改造，利用新的組件升級原有的傳統(tǒng)設(shè)備，處理成本低，花費時間少，可降低對業(yè)務(wù)連續(xù)性的影響[8]。

3.2.2 新增購買設(shè)備對設(shè)備性能要求的差異化選擇

多數(shù)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景的供電設(shè)備會采用全新采購方式，采購的具體設(shè)備要滿足系統(tǒng)構(gòu)架的設(shè)計要求，性能不低于設(shè)計參數(shù)的下限。

在預(yù)算條件允許的情況下，盡可能選取高可靠性和高性能的供電設(shè)備。同等供電構(gòu)架下，供電系統(tǒng)的可靠性與所選用供電設(shè)備的性能呈正比。隨著科技的飛速發(fā)展，高性能供電設(shè)備產(chǎn)品更新迭代與進步，出現(xiàn)了越來越多的電源設(shè)備，如變壓器、UPS、蓄電池以及斷路器開關(guān)等，具有高可用性、高可靠性、高產(chǎn)品能效參數(shù)以及高性價比等優(yōu)勢，使得用戶對比選擇的范圍越來越廣。

預(yù)算有限時，可根據(jù)設(shè)備在整體供電構(gòu)架中的地位，合理選用設(shè)備性能不同的具體設(shè)備，在成本與可靠性之間尋找最佳匹配點，提高設(shè)備選型的性價比[9]。

3.2.3 設(shè)備應(yīng)用模式的不同選擇

常規(guī)的數(shù)據(jù)中心建設(shè)項目和供電設(shè)備的資產(chǎn)屬性通常歸屬于項目建設(shè)單位。在特殊的項目背景下，數(shù)據(jù)中心項目建設(shè)單位可以選擇采用租賃方式，將設(shè)備和系統(tǒng)的運維甚至產(chǎn)權(quán)屬性轉(zhuǎn)移到其他單位。建設(shè)方通過租賃設(shè)備的使用權(quán)，將設(shè)備的建設(shè)及運行風(fēng)險轉(zhuǎn)移到更加專業(yè)的其他單位。項目建設(shè)方只對項目的投資和收益進行管理，提高管理效率[10]。

4 結(jié) 論

文章對比分析基于電力設(shè)施共享的多站融合項目的主要供電方式的可靠性，闡述提升其可靠性的關(guān)鍵技術(shù)，提出通過系統(tǒng)構(gòu)架的合理選擇、設(shè)備選型以及運維管理均可以提升電源供應(yīng)的可靠性。