交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用研究*

［謝擁華］

1 引言

近年來，以5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能為代表的新一代信息技術(shù)推動著數(shù)字經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展。數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù),而數(shù)據(jù)中心作為海量數(shù)據(jù)的主要存儲和運(yùn)算處理實(shí)體，其數(shù)量和規(guī)模也在迅速擴(kuò)大。

隨著數(shù)據(jù)中心在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中的地位越來越重要，數(shù)據(jù)中心的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行和高效運(yùn)營成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，因此，作為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分的供配電系統(tǒng)，其可靠性和供電效率非常重要。供配電系統(tǒng)的技術(shù)和架構(gòu)一直在演進(jìn)中。

當(dāng)前，數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)有多種體系架構(gòu)，具體來說可以進(jìn)行如下分類。

（1）按照供電電源類型進(jìn)行劃分：有交流不間斷電源（UPS）系統(tǒng)和高壓直流電源系統(tǒng)，其中，高壓直流電源系統(tǒng)又可以分為240 V 直流和336 V 直流。

（2）按照供電系統(tǒng)顆粒度進(jìn)行劃分：有集中式供電系統(tǒng)和分布式供電系統(tǒng)，其中，分布式供電系統(tǒng)又可以分為機(jī)柜級分布式供電和服務(wù)器級分布式供電。

（3）按照供電體系的冗余架構(gòu)進(jìn)行劃分：有2N 雙母線供電、分布式冗余（DR）供電、后備式冗余（RR）供電、一路市電加一路保障電源等。

根據(jù)GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，數(shù)據(jù)中心依據(jù)重要程度可劃分為A、B、C 三級，其中，A 級數(shù)據(jù)中心重要程度最高，其基礎(chǔ)設(shè)施宜按容錯系統(tǒng)配置。在實(shí)際應(yīng)用中，A 級數(shù)據(jù)中心在數(shù)量上占絕大多數(shù)，一般采用2N 雙母線方式進(jìn)行集中式供電。

從數(shù)據(jù)中心的不間斷供電電源類型來看，大多數(shù)采用了交流不間斷電源技術(shù)，高壓直流電源技術(shù)（240 V/336 V直流）經(jīng)過十多年的發(fā)展，也應(yīng)用越來越多。

近年來，在部分?jǐn)?shù)據(jù)中心試用了交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源技術(shù)，該技術(shù)受到人們越來越多的關(guān)注，本文將重點(diǎn)對其在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源技術(shù)

交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源技術(shù)將10 kV 高壓交流電直接轉(zhuǎn)換成240 V 或336 V 直流電，供給后端的用電設(shè)備使用。在這種供電方式中，供電系統(tǒng)沒有了傳統(tǒng)交流變壓器和低壓配電部分，它類似于巴拿馬運(yùn)河在溝通大西洋和太平洋航運(yùn)上的作用，因此也被形象地稱為巴拿馬電源。

該技術(shù)的原理是對供配電鏈路和整流模塊拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。一是簡化供配電鏈路，將原有供配電架構(gòu)中的中壓隔離柜、變壓器柜、低壓配電柜、HVDC 柜整合為一套電源。二是簡化整流模塊拓?fù)?，將原有整流模塊中的三相整流、升壓、逆變、隔離、整流等5 個環(huán)節(jié)簡化為三相不控整流和調(diào)壓兩個環(huán)節(jié)，減少了功率變換環(huán)節(jié)和器件。

交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源系統(tǒng)的組成如圖1 所示，主要包括中壓柜、移相變壓器柜、整流輸出柜和蓄電池組。

圖1 交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源系統(tǒng)組成圖

中壓柜是為了維護(hù)變壓器時，設(shè)置一個明顯的斷點(diǎn)，內(nèi)部安裝有負(fù)荷開關(guān)、高壓防雷以及高壓帶電顯示等器件。開關(guān)柜具有各種防誤操作功能，滿足供電部門有關(guān)“五防”的要求。

移相變壓器柜主要由移相變壓器、10 kV 輸入接線排、低壓輸出接線排、偵測單元及冗余風(fēng)機(jī)等組成。移相變壓器一次側(cè)輸入電壓為10.5 kV，輸出各繞組分別接入互相隔離的AC/DC 整流單元，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)對地懸浮，并與其他繞組電氣隔離。

整流輸出柜主要由交流輸入斷路器、整流模塊、電池分路熔斷器、直流負(fù)載分路熔斷器、直流電涌保護(hù)器、綜合偵測模塊等部件組成。其中，整流模塊將輸入的交流電轉(zhuǎn)換成直流電輸出，由于采用了移相變壓器，整流模塊不需要功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，可以解決輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波問題。

采用交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源技術(shù)的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)圖如圖2 所示。

圖2 采用交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源技術(shù)的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)圖

與交流不間斷電源技術(shù)和高壓直流電源技術(shù)對比，交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的供電可靠性和供電效率如何呢？下面進(jìn)行量化分析。

3 供電可靠性分析

3.1 可靠性定義及指標(biāo)

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，其常用指標(biāo)主要有平均故障間隔時間（MTBF）和可靠度。

（1）平均故障間隔時間（MTBF）

平均故障間隔時間是指可修復(fù)產(chǎn)品的兩次故障間工作時間的平均值。在YD/T 1051-2018《通信局（站）電源系統(tǒng)總技術(shù)要求》和各種通信電源設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中，對常見通信 電源設(shè)備的MTBF 值提出了明確的要求，如表1 所示。

表1 常見通信電源設(shè)備的可靠性要求

（2）可靠度R（t）

可靠度是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間（或操作次數(shù)）內(nèi)完成規(guī)定功能的概率?？煽慷仁菚r間的函數(shù)，一般用R（t）表示。簡單來說，可靠度是多次試驗(yàn)中該事件發(fā)生的頻率估計(jì)，是可靠性理論最基本的一個指標(biāo)。

電氣產(chǎn)品的失效分布類型一般為單參數(shù)指數(shù)分布。

典型指數(shù)分布類型的可靠度函數(shù)R（t）為：

為便于對比分析，本文統(tǒng)一取1 年時的可靠度進(jìn)行計(jì)算，即t=8 760 h。例如，通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 585-2010《通信用配電設(shè)備》中規(guī)定，交流配電設(shè)備的MTBF ≥ 105h，則交流配電屏在1 年時的可靠度為：R（8 760 h）=91.61%。

3.2 交流不間斷電源（UPS）供電方案

當(dāng)前，大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)采用的是2N 雙母線架構(gòu)的交流不間斷電源（UPS）集中供電方案，供電系統(tǒng)圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)中心2N 雙母線UPS 集中供電系統(tǒng)圖

圖3 中，市電為一類市電，有兩路10 kV 高壓引入，任何一路高壓市電均可以滿足機(jī)房所有負(fù)荷的容量要求，根據(jù)YD/T 1051-2018《通信局（站）電源系統(tǒng)總技術(shù)要求》的規(guī)定，一類市電的可靠度取值為99.96%。

柴油發(fā)電機(jī)組為高壓10 kV 柴油發(fā)電機(jī)組，其每年運(yùn)行時間為市電停電的時間。根據(jù)YD/T 1051-2018《通信局（站）電源系統(tǒng)總技術(shù)要求》的規(guī)定，其每年運(yùn)行時間為0.74次×3.37 h=2.49 h，而柴油發(fā)電機(jī)組的MTBF為800 h。即在可靠度計(jì)算時，t 取2.49 h，MTBF 取800 h。

大型數(shù)據(jù)中心的2N 雙母線UPS 系統(tǒng)，一般每套由3臺500 kVA 的高頻UPS 并聯(lián)組成，提供1 500 kVA 的總?cè)萘?，此時要達(dá)到該總?cè)萘?，必?臺UPS都正常運(yùn)行，所以，在可靠度計(jì)算時，3 臺UPS 應(yīng)按串聯(lián)系統(tǒng)計(jì)算。每臺UPS一般配置1 組480 V 蓄電池，該組蓄電池與UPS 的整流器部分屬于并聯(lián)關(guān)系，而480 V 蓄電池組的可靠性可以按10 組48 V 蓄電池組串聯(lián)計(jì)算得出。通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 1095-2018《通信用交流不間斷電源（UPS）》規(guī)定，UPS的可靠性MTBF ≥105h，假設(shè)其整流器和逆變器的可靠性相同，則整流器和逆變器的可靠性分別為MTBF≥2×105h。

根據(jù)可靠性分析的原理，可以將上述供電系統(tǒng)方框圖轉(zhuǎn)換為如下可靠性分析模型，如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)中心2N 雙母線UPS 集中供電系統(tǒng)可靠性分析模型

根據(jù)表1 中各設(shè)備的可靠性要求，可以計(jì)算出交流不間斷電源（UPS）供電方案的總可靠度，如表2 所示。

表2 UPS 供電方案的可靠度

3.3 高壓直流電源供電方案

高壓直流供電技術(shù)自2007 年首次應(yīng)用于信息通信機(jī)房以來，受到了許多用戶的青睞，原因是該技術(shù)與-48 V高頻開關(guān)電源類似，采用了模塊化并聯(lián)冗余技術(shù)，且蓄電池組直接掛在直流系統(tǒng)輸出端，使系統(tǒng)可靠性和可用性均有了大幅提升。高壓直流電源技術(shù)主要包括240 V 和336 V兩種輸出電壓類型。

在實(shí)際應(yīng)用中，有許多用戶采用了1 路240 V 高壓直流和1 路市電供電相結(jié)合的應(yīng)用方案。為了對比公平，本文采用2N 雙母線的240 V 高壓直流供電方案進(jìn)行分析，其供電系統(tǒng)圖如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)中心2N 雙母線高壓直流集中供電系統(tǒng)圖

數(shù)據(jù)中心2N 雙母線高壓直流集中供電系統(tǒng)的可靠性分析模型如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)中心2N 雙母線高壓直流集中供電系統(tǒng)可靠性分析模型

根據(jù)表1 中各設(shè)備的可靠性要求，可以計(jì)算出高壓直流電源供電方案的總可靠度，如表3 所示。

表3 高壓直流供電方案的可靠度

3.4 交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源供電方案

數(shù)據(jù)中心采用交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源系統(tǒng)的供電系統(tǒng)圖見圖2，其可靠性分析模型如圖7 所示。

圖7 交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源集中供電系統(tǒng)可靠性分析模型

系統(tǒng)輸出直流電壓仍以240 V 為例，單母線按配置1組240 V 蓄電池考慮。

根據(jù)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《信息通信用10 kV 交流輸入的直流不間斷電源系統(tǒng)》報(bào)批稿的規(guī)定，10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源系統(tǒng)的MTBF 為不小于50 000 h?？捎?jì)算出交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源供電方案的總可靠度，如表4 所示。

表4 交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源供電方案的可靠度

3.5 可靠性對比分析

綜合上述分析，采用交流不間斷電源（UPS）供電方案、高壓直流電源供電方案和交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源供電方案，其供電可靠性對比情況如表5 所示。

表5 三種供電方案的可靠度對比表

從表5 可以看出，交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源供電方案的可靠性相對于交流不間斷電源供電方案有很大的提升，也優(yōu)于高壓直流電源供電方案。

供電可靠性提升的原因是交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源供電方案的供電環(huán)節(jié)大幅減少，且蓄電池組在供電系統(tǒng)環(huán)節(jié)上更加靠近用電設(shè)備。

4 供電效率分析

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的能耗是數(shù)據(jù)中心總能耗的重要組成部分，提升供配電系統(tǒng)的供電效率可以降低其能耗。

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)均需要消耗電能，也就是說，從市電電網(wǎng)進(jìn)入到數(shù)據(jù)中心的電力，在到達(dá)用電設(shè)備之前，每一次的傳遞和變換均會產(chǎn)生損耗，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并結(jié)合各系統(tǒng)設(shè)備的平均技術(shù)水平，各環(huán)節(jié)的大致供電效率如表6 所示。為了簡化分析，本文不考慮備用電源設(shè)備（主要為柴油發(fā)電機(jī)組、蓄電池）的能耗。

表6 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的供電效率

注1：2N 工作方式，正常工作情況下的電源最大負(fù)載率不超過40%，考慮數(shù)據(jù)中心建設(shè)的達(dá)產(chǎn)周期，按30%負(fù)載率考慮。

注2：不同制造商的設(shè)備，供電效率有所不同，甚至差異很大，如：有的制造商，UPS 在30%負(fù)載率下的效率可達(dá)95%，高壓直流電源在30%負(fù)載率下的效率可達(dá)96%，交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源在30%負(fù)載率下的效率可達(dá)97%。本文暫以國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值進(jìn)行對比。

根據(jù)表6 中的大致供電效率，可以計(jì)算出采用前述3種不同供電方案的供電總效率，如表7 所示。

表7 三種供電方案的供電效率對比表

從表7 可看出，采用交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源供電方案，供電總效率得到了大幅提升，其原因主要為兩個方面：一是供電的環(huán)節(jié)減少了，該方案將原有供配電架構(gòu)中的中壓隔離柜、變壓器柜、低壓配電柜、HVDC 柜整合為一套電源；二是交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源本身的供電效率較高，這和其內(nèi)部電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡化有關(guān)。

5 建設(shè)及運(yùn)維分析

在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)階段，由于交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源將原有供配電系統(tǒng)中的多個環(huán)節(jié)整合為一套電源，設(shè)備數(shù)量減少，設(shè)備體積縮小，因此，可以降低建設(shè)成本，節(jié)約機(jī)房空間，縮短建設(shè)周期，而且建設(shè)難度也下降了。

在數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營階段，由于交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源的輸入為10 kV 交流，機(jī)房運(yùn)維人員的運(yùn)維界面從傳統(tǒng)的低壓側(cè)向前端推進(jìn)到了高壓10 kV 側(cè)，運(yùn)維人員應(yīng)掌握高壓側(cè)的安全操作及注意事項(xiàng)，且必須具備特種作業(yè)高壓操作資質(zhì)才能上崗。

6 總結(jié)

綜上，與交流不間斷電源技術(shù)和高壓直流電源技術(shù)相比，交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心有如下特點(diǎn)：

（1）供電可靠性得到了較大的提升。原因是供電環(huán)節(jié)大幅減少，且蓄電池組在供電系統(tǒng)環(huán)節(jié)上更加靠近用電設(shè)備。

（2）供電效率有很大的提高。原因是供電環(huán)節(jié)減少，且該設(shè)備的內(nèi)部電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大大簡化。

（3）有利于數(shù)據(jù)中心的高效建設(shè)，并降低成本。

（4）對機(jī)房運(yùn)維人員提出了更高的要求。

總的來說，交流10 kV 直轉(zhuǎn)直流電源技術(shù)是數(shù)據(jù)中心機(jī)房中很有前途的一種供電技術(shù)。