數(shù)據(jù)中心供配電技術(shù)應(yīng)用探討

王 磊，姚星合，高巧梅，任曉峰

（中國郵政儲(chǔ)蓄銀行股份有限公司，北京 100166）

0 引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，我國數(shù)據(jù)中心機(jī)架規(guī)模持續(xù)穩(wěn)步增長，尤其是大型數(shù)據(jù)中心，增長更為迅速。截至2021年底，我國數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)量已達(dá)520萬個(gè)，近5年復(fù)合年均增長率超過30%[1]。

供配電系統(tǒng)是保障數(shù)據(jù)中心安全性和可靠性的基礎(chǔ)，也是影響數(shù)據(jù)中心能源效率的重要環(huán)節(jié)。在數(shù)據(jù)中心運(yùn)營成本中，電力成本占到運(yùn)營支出的60%以上，主要電力消耗來自IT設(shè)備（50%）、空調(diào)系統(tǒng)（35%）、供配電系統(tǒng)（10%）、照明和其他（5%）。數(shù)據(jù)中心供配電解決方案主要有不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、高壓直流（High Voltage Direct Current，HVDC）以及巴拿馬電源等，不同方案在可靠性、節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性、可維護(hù)性等方面存在著不同的優(yōu)缺點(diǎn)。在數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)劃中，需要綜合考慮數(shù)據(jù)中心等級(jí)、使用性質(zhì)、能效指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性等方面的要求，選擇最合適的方案。

1 UPS系統(tǒng)

目前，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的便是不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）系統(tǒng)，UPS主要由整流器（含功率因數(shù)校正）、逆變器、濾波器、靜態(tài)旁路、手動(dòng)維修旁路以及饋電柜等組成，可以在市電突然中斷的情況下為末端負(fù)載提供持續(xù)不斷的電源，保障信息系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。典型的UPS系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 UPS系統(tǒng)組成

UPS結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在電能的多次轉(zhuǎn)換，效率不高，雖然可靠性較高，但投資成本也較高。目前數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)主要有3種架構(gòu)，分別為2N系統(tǒng)、分布式冗余系統(tǒng)、后備式冗余系統(tǒng)。

1.1 2N系統(tǒng)

2N系統(tǒng)由兩個(gè)滿足基本需求的單元構(gòu)成，每個(gè)單元都可以獨(dú)立地承載末端全部負(fù)載。正常狀態(tài)下，兩個(gè)單元均投入運(yùn)行，為熱備關(guān)系。

正常狀態(tài)下，每個(gè)單元的最大負(fù)載率僅為50%。當(dāng)某個(gè)單元由于各種原因而供電中斷時(shí)，其所承載的負(fù)載將切換至互為熱備的另一個(gè)單元。典型2N系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)如圖2所示。

圖2 2N系統(tǒng)邏輯架構(gòu)示意圖

這種供電方式提高了供電系統(tǒng)可靠性，但是由于備用容量較高，設(shè)備配置多，正常情況下每組UPS系統(tǒng)只承擔(dān)一半負(fù)載，導(dǎo)致能耗高、建設(shè)成本和運(yùn)營成本較高，綜合效率比較低。

1.2 分布式冗余系統(tǒng)

分布式冗余系統(tǒng)由多個(gè)滿足基本需求的單元構(gòu)成。正常狀態(tài)下，各單元同時(shí)運(yùn)行，本單元和鄰近單元互為熱備。每個(gè)單元承載自身負(fù)載和鄰近負(fù)載，構(gòu)成環(huán)形供電形式。

一般情況下單元數(shù)量取3，當(dāng)取值較大時(shí)，系統(tǒng)架構(gòu)越加復(fù)雜，維護(hù)難度將直線上升。正常狀態(tài)下，每個(gè)單元的最大負(fù)載率為66.7%。當(dāng)某個(gè)單元由于各種原因而供電中斷時(shí)，其所承載的負(fù)載將切換至互為熱備的另一個(gè)單元。典型分布式冗余系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)如圖3所示。

圖3 分布式冗余系統(tǒng)邏輯架構(gòu)示意圖

這種供電方式降低了系統(tǒng)備用容量，犧牲了小部分系統(tǒng)可靠性。但是由于設(shè)備配置減少，減少了相關(guān)電力配套設(shè)施，建設(shè)成本和運(yùn)行成本均較低。同時(shí)由于架構(gòu)變得較為復(fù)雜，電力設(shè)備和線纜難以實(shí)現(xiàn)物理隔離，導(dǎo)致運(yùn)維難度加大。

1.3 后備式冗余系統(tǒng)

后備式冗余系統(tǒng)由多個(gè)滿足基本需求且無冗余的單元構(gòu)成，其中一個(gè)單元是其他單元的冷備份。當(dāng)某個(gè)單元由于各種原因而供電中斷時(shí)，通過靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（Static Transfer Switch，STS）將其所承載的負(fù)載切換至作為冷備份的那個(gè)單元。典型后備式冗余系統(tǒng)邏輯架構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 后備式冗余系統(tǒng)邏輯架構(gòu)示意圖

這種供電方式大大提高了單元的負(fù)載率，降低了備用容量。當(dāng)兩個(gè)單元同時(shí)故障，將導(dǎo)致備用單元超載，因此備份的組數(shù)太多將造成供電可靠性的顯著降低。由于UPS設(shè)備數(shù)量大幅減少和STS開關(guān)的大量配置，建設(shè)成本和運(yùn)行成本有一定的降低。由于必須配置大容量STS開關(guān)，也導(dǎo)致運(yùn)維難度顯著加大。

1.4 架構(gòu)對(duì)比

根據(jù)以上分析，3種配電架構(gòu)的對(duì)比如表1所示。

表1 3種配電架構(gòu)的對(duì)比表

2 高壓直流電源

UPS作為數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)供配電架構(gòu)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，近年來取得了長足的發(fā)展和改進(jìn)，從最初的后備式到目前的雙變換在線式，從晶閘管整流到IGBT整流，從工頻至高頻，從一體機(jī)向模塊化發(fā)展。但由于UPS存在多次能量轉(zhuǎn)換，能源利用效率低。在目前綠色節(jié)能和碳中和的發(fā)展要求下，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的節(jié)能得到越來越多的重視。HVDC系統(tǒng)比傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)的電能利用效率更高，正逐漸成為供配電架構(gòu)選擇的新方向。

高壓直流電源系統(tǒng)主要由交流進(jìn)線、整流變換、直流輸出、蓄電池組、監(jiān)控顯示以及絕緣監(jiān)察等模塊構(gòu)成[2]。按系統(tǒng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式，一般可分為分立式系統(tǒng)和組合式系統(tǒng)。分立式系統(tǒng)的交流進(jìn)線、整流變換、直流輸出分別設(shè)置在不同的機(jī)架內(nèi)，蓄電池組單獨(dú)安裝；監(jiān)控單顯示以及絕緣監(jiān)察裝置安裝在其中某一機(jī)架內(nèi)。組合式系統(tǒng)的各模塊一般同機(jī)架集中組合設(shè)置，蓄電池組可單獨(dú)安裝。數(shù)據(jù)中心一般所需要的電源容量較大，多采用分立式系統(tǒng)。

典型的HVDC系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 HVDC系統(tǒng)組成

從配電結(jié)構(gòu)上看，HVDC系統(tǒng)和UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，重點(diǎn)的差異便在HVDC和UPS設(shè)備上。HVDC設(shè)備和UPS設(shè)備的原理如圖6所示。

圖6 HVDC和UPS設(shè)備原理圖

2.1 可靠性和效率

HVDC將交流電整流成直流電，然后直接輸出到末端IT負(fù)載，同時(shí)為蓄電池組進(jìn)行充電。由于輸出直流電，不存在同步問題，產(chǎn)生的諧波分量也遠(yuǎn)小于UPS。

UPS首先將交流電整流成直流電，為蓄電池組進(jìn)行充電，同時(shí)直流電通過逆變器再轉(zhuǎn)換為交流電，為未端IT負(fù)載供電。UPS比HVDC多一級(jí)能源轉(zhuǎn)換。

HVDC由于是直流系統(tǒng)，不存在無功功率的傳輸過程，與UPS系統(tǒng)相比，電能利用效率更高，特別是在輕負(fù)載的情況下，明顯比UPS系統(tǒng)的效率要高。同時(shí)HVDC系統(tǒng)的諧波電源遠(yuǎn)小于UPS系統(tǒng)，因此在電纜和變壓器上產(chǎn)生的電能損失也遠(yuǎn)小于UPS系統(tǒng)。由于HVDC的蓄電池組直掛輸出母線，可靠性也優(yōu)于UPS系統(tǒng)。當(dāng)UPS系統(tǒng)的逆變器發(fā)生故障時(shí)，蓄電池組便無法通過逆變輸出，負(fù)載仍會(huì)斷電，失去了不間斷的作用。

2.2 控制性和維護(hù)性

UPS系統(tǒng)的輸出是交流電，并機(jī)需要同時(shí)滿足同頻、同相、同電位的要求，邏輯復(fù)雜，控制難度大，容易產(chǎn)生環(huán)流。HVDC系統(tǒng)的輸出是直流電，不需要再考慮同頻、同相的難題，邏輯簡單，控制比較容易，環(huán)流幾乎可以忽略。UPS系統(tǒng)并聯(lián)數(shù)量越多，控制難度越大，維護(hù)性也越難。

2.3 成本和空間利用率

由于UPS并機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性和維護(hù)性，一般采用1+1并機(jī)，單臺(tái)UPS的實(shí)際負(fù)載率經(jīng)常小于40%，UPS的負(fù)載率越低，效率也就越低，導(dǎo)致UPS的運(yùn)行效率一般僅80%左右。HVDC采用N+X并聯(lián)，同時(shí)整流模塊具有節(jié)能休眠模式，可以保持整機(jī)系統(tǒng)負(fù)載率達(dá)到70%以上，整機(jī)運(yùn)行效率可以達(dá)到90%以上。HVDC系統(tǒng)效率的提升，可以降低電能損失，提高數(shù)據(jù)中心的電能利用效率。

典型的UPS 2N架構(gòu)主要由兩個(gè)進(jìn)線柜、兩個(gè)輸入柜、兩個(gè)旁路柜、兩個(gè)UPS柜、兩個(gè)電池開關(guān)柜、兩個(gè)輸出開關(guān)柜以及4個(gè)輸出饋電柜組成，共占用了18個(gè)機(jī)柜位。同容量的HVDC（1路市電+1路HVDC）比UPS 2N架構(gòu)可減少約50%的機(jī)柜占用。HVDC系統(tǒng)比UPS系統(tǒng)在空間利用率上更加高效，可以減少對(duì)配電室面積的要求。

2.4 安全性

HVDC系統(tǒng)的輸出采用懸浮方式，即正極、負(fù)極均不接地。當(dāng)運(yùn)維人員誤碰到任何一極，不會(huì)與地構(gòu)成供電回路，可以有效保護(hù)人身安全。UPS的接地系統(tǒng)一般采用TN-S系統(tǒng)，當(dāng)操作人員不慎接觸某一回路時(shí)，由于會(huì)與大地形成回路，因而會(huì)危及人身安全，為保障人身安全，一般會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)增加漏電保護(hù)器[3]。因此從安全性上看，HVDC系統(tǒng)要優(yōu)于UPS系統(tǒng)。

2.5 絕緣監(jiān)察

HVDC系統(tǒng)與UPS系統(tǒng)的另一個(gè)明顯差異便是HVDC系統(tǒng)必須配置絕緣監(jiān)察裝置。由于HVDC統(tǒng)的輸出采用懸浮方式，絕緣監(jiān)察裝置可以實(shí)時(shí)地對(duì)輸出絕緣性能進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否發(fā)生了接地故障或絕緣性能降低[2]。如果系統(tǒng)不具備絕緣監(jiān)察功能，當(dāng)某一極發(fā)生對(duì)地短路或絕緣性能降低時(shí)，操作人員誤碰到另一極，將引發(fā)觸電事故，威脅操作人員的人身安全。

絕緣監(jiān)察的對(duì)象主要包括系統(tǒng)總母排、直流系統(tǒng)總輸出屏的主要分路、機(jī)房直流分配屏的主要分路、直流列柜的分路等，其中系統(tǒng)總母排是必須進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的。

通過絕緣監(jiān)察裝置與監(jiān)控模塊的實(shí)時(shí)通信，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地或絕緣性能降低故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)在線預(yù)警或故障告警，提醒維護(hù)人員盡快排除故障，預(yù)防事故的發(fā)生。

3 巴拿馬電源

巴拿馬電源的名稱靈感來源于巴拿馬運(yùn)河。巴拿馬運(yùn)河連通了大西洋和太平洋，極大縮短了兩者之間的航程。同理，巴拿馬電源也極大縮短了市電與未端負(fù)載之間的鏈路。在傳統(tǒng)的UPS和HVDC系統(tǒng)中，電能需要經(jīng)過10 kV配電-變壓器-低壓配電-樓層配電-UPS或HVDC-列頭柜-機(jī)柜的多級(jí)供電架構(gòu)。傳統(tǒng)的供電架構(gòu)存在供電鏈路長、設(shè)備數(shù)量多、品牌繁雜、占地面積大、建設(shè)周期長以及協(xié)調(diào)難度大等問題。隨著綠色數(shù)據(jù)中心發(fā)展要求，供配電系統(tǒng)部署快速化、模塊化、高效化和低成本化成為新的發(fā)展方向。

巴拿馬電源優(yōu)化集成了高壓進(jìn)線、變壓器、交直流轉(zhuǎn)換和輸出饋電等節(jié)點(diǎn)，用移相變壓器代替了傳統(tǒng)變壓器，并對(duì)輸入到輸出的整個(gè)配電鏈路進(jìn)行了集成和改進(jìn)[4]。與UPS、HVDC系統(tǒng)相比，具有鏈路節(jié)點(diǎn)少、電能效率高、控制簡單、維護(hù)性好等特點(diǎn)。

典型的巴拿馬電源系統(tǒng)由中置柜，變壓器柜、整流輸出柜和交流輸出幾部分組成，如圖7所示。一個(gè)配電間設(shè)置兩套巴拿馬電源給末端機(jī)房服務(wù)器進(jìn)行供電，構(gòu)成2N架構(gòu)。

圖7 巴拿馬電源系統(tǒng)組成圖

中置柜即中壓柜，位于巴拿馬系統(tǒng)的首端，是系統(tǒng)的進(jìn)線柜，上級(jí)一般為高壓配電室10 kV出線，下端為巴拿馬移相式變壓器柜。設(shè)置中置柜的目的是在檢修后端設(shè)備時(shí)可以形成物理隔離，防止誤操作，保證維護(hù)人員的安全。中置柜不是必須的，當(dāng)巴拿馬電源與高壓配電室在同一空間時(shí)，也可省略。

變壓器柜是巴拿馬系統(tǒng)的核心，采用移相變壓器。其主要由移相變壓器、高壓進(jìn)線母排、低壓輸出母排、監(jiān)控單元等部分構(gòu)成。變壓器副邊采用多繞組，用多繞組形式來抑制治理諧波，可以在高壓側(cè)將電流諧波限制在5%以下，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。配置的監(jiān)控單元可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器的運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種故障隱患，保障變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

整流柜的各整流模塊分別接入移相變壓器不同的二次繞組，實(shí)現(xiàn)懸浮運(yùn)行和電氣隔離，通過整流模塊完成交直流轉(zhuǎn)換。直流輸出部分由蓄電池熔斷器、支路熔斷器、監(jiān)測(cè)模塊等組成。支路數(shù)量和容量大小可根據(jù)實(shí)際負(fù)載進(jìn)行配置。

交流配電柜主要是為末端精密空調(diào)或UPS提供交流輸入，不是必須的，可以根據(jù)實(shí)際需求靈活部署。

巴拿馬系統(tǒng)和UPS、HVDC系統(tǒng)主要存在以下幾方面的差異。

3.1 可靠性和效率

巴拿馬系統(tǒng)在UPS和HVDC的基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡化了配電架構(gòu)，降低了中間設(shè)備的復(fù)雜度，控制更加容易。同時(shí)蓄電池也直掛直流母線，提高了系統(tǒng)的可靠性。

巴拿馬系統(tǒng)采用了移相變壓器，諧波電流的大大降低可以顯著提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和整流模塊的效率。在配電系統(tǒng)效率上，巴拿馬系統(tǒng)比HVDC系統(tǒng)高3%以上，比UPS系統(tǒng)高5%以上；在低負(fù)載的情況下，系統(tǒng)效率更加優(yōu)異。

3.2 空間利用率和建設(shè)成本

巴拿馬系統(tǒng)架構(gòu)比UPS和HVDC供電架構(gòu)更加簡潔，中間配電環(huán)節(jié)減少，設(shè)備數(shù)量也大大降低，可以節(jié)省20%～50%以上的配電室面積。由于架構(gòu)的精減化，減少了中間配電設(shè)備的投資，可以節(jié)約建設(shè)成本30%以上。

3.3 應(yīng)用范圍和維護(hù)水平要求

巴拿馬系統(tǒng)可用于新建、改建項(xiàng)目中，特別是新建的大型數(shù)據(jù)中心。但由于目前一部分中小型數(shù)據(jù)中心的應(yīng)急電源采用的是低壓柴油發(fā)電機(jī)，故不適用巴拿馬系統(tǒng)。由于該技術(shù)尚未經(jīng)過大規(guī)模應(yīng)用驗(yàn)證，客戶接受度不如UPS和HVDC高，同時(shí)部分地區(qū)供電公司可能存在一部分特殊入網(wǎng)要求，也限制了巴拿馬系統(tǒng)的應(yīng)用。

由于UPS和HVDC系統(tǒng)的輸入為交流0.38 kV,而巴拿馬系統(tǒng)輸入為交流10 kV，導(dǎo)致配電運(yùn)維人員的運(yùn)維界面從低壓擴(kuò)展到了高壓，提高了運(yùn)維人員的資質(zhì)和維護(hù)水平要求。

4 結(jié) 論

本文對(duì)數(shù)據(jù)中心3種供配電架構(gòu)進(jìn)行了探討分析，數(shù)據(jù)中心供配電架構(gòu)的節(jié)能綠色在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)上越來越多的受到投資者和運(yùn)維者關(guān)注。在數(shù)據(jù)中心未來發(fā)展過程中，供電技術(shù)和架構(gòu)的創(chuàng)新將不斷涌現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)應(yīng)逐步增強(qiáng)對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用，利用新技術(shù)加速實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提升電能利用率，積極打造綠色低碳的行業(yè)新發(fā)展。