全國一體化背景下的數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)研究與分析

胡鵬濤，齊 剛，李 明，張志鈺，鞏國棟

（1.廣東南方電信規(guī)劃咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518045； 2.中國移動(dòng)通信集團(tuán)甘肅有限公司，甘肅 蘭州 730070）

1 概述

隨著國家“東數(shù)西算”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，數(shù)據(jù)中心（Data Center，DC）迎來了高速發(fā)展。DC 產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展迎來了黃金期，取得了長足的進(jìn)步，與此同時(shí)，數(shù)據(jù)中心發(fā)展所帶來的超高能源消耗引起了全社會(huì)的關(guān)注，加之我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，因此建設(shè)節(jié)能、綠色、高效、低碳的DC 是產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須解決的問題。

針對(duì)我國快速發(fā)展的DC 產(chǎn)業(yè)，工信部相關(guān)文件明確指出：對(duì)我國新建大型和超大型DC 的電能利用效率（PUE）做出了相關(guān)要求，對(duì)于新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE 值低于1.4，同時(shí)在《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出，至2025 年底，新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE 值要下降到1.3 以下[1]。

數(shù)據(jù)中心作為一個(gè)綜合性建筑物，其低碳化發(fā)展受到了全行業(yè)的關(guān)注，近年來，圍繞數(shù)據(jù)中心低碳建設(shè)，相關(guān)的技術(shù)層出不窮，如新建筑技術(shù)及建筑材料，場(chǎng)地內(nèi)海綿城市設(shè)計(jì)，導(dǎo)光管與智能照明系統(tǒng)、冰蓄冷+常規(guī)水冷、廢水的再生綜合利用、裝配式建筑、直流配電系統(tǒng)、使用具有明確碳排放因子的建材，以上技術(shù)的發(fā)展與成熟給數(shù)據(jù)中心的低碳化發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)條件。

2 數(shù)據(jù)中心及其配電系統(tǒng)的構(gòu)成

根據(jù)其設(shè)備的構(gòu)成，DC 主要由IT 系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、其他系統(tǒng)組成，而配電系統(tǒng)是限制DC 發(fā)展的重要因素，配電系統(tǒng)主要為保障DC 正常運(yùn)行能源轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)設(shè)備，其構(gòu)成主要為市電引入、高壓配電、低壓配電、通信電源、機(jī)架配電、油機(jī)配電等[2]。各系統(tǒng)主要功能如下：

1.市電引入：自電網(wǎng)或變電站為數(shù)據(jù)中心引入10kV 市電，是數(shù)據(jù)中心可靠運(yùn)行的能量源泉，其可靠性與穩(wěn)定性對(duì)于數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要。

2.高壓配電系統(tǒng)：主要由進(jìn)線柜、出線柜、聯(lián)絡(luò)柜等組成，完成10kV 市電的能量分配，滿足后端變壓器接入需要，作為電網(wǎng)與數(shù)據(jù)中興供配電系統(tǒng)的“中介”。

3.低壓配電系統(tǒng)：主要由變壓器、進(jìn)線柜、市電油機(jī)切換柜、電容補(bǔ)償柜、饋線柜及聯(lián)絡(luò)柜組成，后端接入各類負(fù)載，如IT 負(fù)載、空調(diào)負(fù)載及其他負(fù)載等。

4.通信電源系統(tǒng)：主要進(jìn)行電能凈化，通過蓄電池組保證通信設(shè)備不間斷供電，常見的有-48V 開關(guān)電源系統(tǒng)、UPS 系統(tǒng)、高壓直流系統(tǒng)等。

5.機(jī)架配電系統(tǒng)：主要配置在IT 機(jī)房，用于機(jī)房內(nèi)部機(jī)架配電，如交直流列頭柜或配電箱。

6.油機(jī)配電系統(tǒng)：主要為數(shù)據(jù)中心提供保障，確保在市電停電的情況下數(shù)據(jù)中心能夠持續(xù)運(yùn)行，按照電壓等級(jí)分為高壓油機(jī)和低壓油機(jī)。

3 數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)研究

3.1 合理選擇供電模式、避免過渡冗余

隨著數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的配電結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的業(yè)務(wù)等級(jí)，有著不同的供電模式，以行業(yè)主流發(fā)展為例，主要有以下集中冗余供電模式：

3.1.1 2N 供電模式

2N 供電模式下，配電系統(tǒng)由兩套配電單元構(gòu)成，互為備份運(yùn)行，兩個(gè)配電單元同時(shí)運(yùn)行，每一個(gè)配電單元均能滿足所有負(fù)載的供電要求。正常運(yùn)行時(shí)，每個(gè)配電單元向后端負(fù)載提供50%的容量，當(dāng)其中一個(gè)配電單元發(fā)生故障，停止運(yùn)行時(shí)，另一個(gè)配電單元向負(fù)載提供100%的容量[3]。

3.1.2 DR 供電模式

DR 供電模式下，配電系統(tǒng)由多個(gè)（一般為3 個(gè)及以上）配置相同的配電單元組成，多個(gè)單元同時(shí)運(yùn)行，將負(fù)載均分為多組，每個(gè)配電單元為相對(duì)應(yīng)的負(fù)載進(jìn)行供電，形成“交叉”供電方式，以3 個(gè)配電單元組成的DR 供電模式，正常運(yùn)行時(shí)，每個(gè)配電單元的負(fù)載率為66.67%，當(dāng)其中一個(gè)配電單元發(fā)生故障時(shí)，另外2 個(gè)配電單元承擔(dān)全部負(fù)載[4]。

3.1.3 RR 供電模式

RR 供電模式下，配電系統(tǒng)由多個(gè)配電單元組成，其中備用電源由其中一個(gè)配電單元承擔(dān)，當(dāng)任意一個(gè)配電單元發(fā)生故障時(shí)，通過自動(dòng)切換單元，由備用配電單元承擔(dān)其全部負(fù)載。

在可用性、建設(shè)成本、運(yùn)行成本、系統(tǒng)架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)物理隔離、運(yùn)維難度等方面，上述幾種供電模式各有利弊，在實(shí)際建設(shè)過程中，要因地制宜地確定供電模式，以滿足其可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

3.2 探索新技術(shù)、提升利用率

3.2.1 高壓直流（High Voltage Direct Current，HVDC）系統(tǒng)

高壓直流系統(tǒng)集合了-48V 開關(guān)系統(tǒng)和不間斷電源系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)能、可靠性高、節(jié)約空間等方面技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

1.節(jié)能：與UPS 系統(tǒng)相比，高壓直流系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)更少，轉(zhuǎn)換效率更高，能源利用率更高。

2.可靠性高：相比傳統(tǒng)的不間斷電源系統(tǒng)，高壓直流系統(tǒng)配套的蓄電池與系統(tǒng)輸出母線并接，系統(tǒng)供電的可靠性更高。

3.節(jié)約空間：由于高壓直流系統(tǒng)的集約化程度更高，系統(tǒng)可靠性更強(qiáng)，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的不間斷電源系統(tǒng)，其系統(tǒng)備份更為簡潔，在空間占用、場(chǎng)地使用方面優(yōu)勢(shì)更為明細(xì)。

3.2.2 一體化電力模塊

一體化電力模塊主要由變壓器、進(jìn)線開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)、SVG（static var generator）和APF（active power filter）補(bǔ)償模塊、UPS 主機(jī)、維修旁路開關(guān)、饋線開關(guān)組成，相對(duì)于傳統(tǒng)方案，由于減少了能源轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，減少了傳遞鏈路的長度，有色金屬消耗顯著降低，系統(tǒng)效率提升明顯，在UPS主機(jī)雙變換與智能工作模式下，系統(tǒng)效率提升1%～3%，利于降低數(shù)據(jù)中心PUE，節(jié)能降耗效益明顯，對(duì)于大型數(shù)據(jù)中心來說，除了提升能源利用效率外，將進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)據(jù)中心模塊化、集約化管理，數(shù)據(jù)中心的功能單元布局將更加合理、更加規(guī)范、更加人性化、更能適應(yīng)多元化的市場(chǎng)需求。

3.3 應(yīng)用可再生能源，助力數(shù)據(jù)節(jié)能減碳

近年來，隨著我國“雙碳”戰(zhàn)略的落地實(shí)施，加之?dāng)?shù)據(jù)中心能耗持續(xù)增加，我國作為可再生能源資源大國，各類可再生能源資源豐富。目前，數(shù)據(jù)中心可再生能源利用主要有以下方式：市場(chǎng)化交易直接采購可再生能源，綠色電力證書，分布式可再生能源發(fā)電。隨著近年來新能源發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，數(shù)據(jù)中心的可再生能源應(yīng)用方面有了更多的選擇，構(gòu)建“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同網(wǎng)架，實(shí)現(xiàn)能源互補(bǔ)利用，改善數(shù)據(jù)中心園區(qū)的能源結(jié)構(gòu)，保障了園區(qū)供能可靠與穩(wěn)定，降低了用能與運(yùn)行成本；利用電力電子變壓器多端口的特點(diǎn)，構(gòu)建高/低壓、交/直流統(tǒng)一接入的一體化電源系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)分布式能源的就地利用，充分降低數(shù)據(jù)中心供電能耗，進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)中心負(fù)荷的高效供電能力。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段、工程建設(shè)階段、維護(hù)運(yùn)營階段進(jìn)行差異化布局和規(guī)劃，分期投資，按需建設(shè)，避免由于基礎(chǔ)設(shè)備超配引起的能源浪費(fèi)。

另外，由于數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)負(fù)載波動(dòng)性較小，而光伏、風(fēng)電等可再生能源產(chǎn)生的電能存在峰谷現(xiàn)象，這就要求配置儲(chǔ)能設(shè)施完成電能儲(chǔ)存，進(jìn)而平衡上述問題，如此可進(jìn)一步提升可再生能源使用規(guī)模及比例。同時(shí)，低價(jià)電充電，高電價(jià)時(shí)段放電，可節(jié)約電費(fèi)；補(bǔ)充電能，克服用電高峰時(shí)的電力不足[5]。

4 數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的能耗結(jié)構(gòu)中的又一耗能單元，從大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，數(shù)據(jù)中心機(jī)架等級(jí)、單機(jī)架功耗、業(yè)務(wù)支撐等級(jí)、新型配電設(shè)備的應(yīng)用、可再生能源的利用程度在一定程度上決定了數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的節(jié)能水平，當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的建設(shè)正在如火如荼地進(jìn)行著，依據(jù)上述技術(shù)演進(jìn)與工程實(shí)踐，本文作者結(jié)合多年工程規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)踐，對(duì)于數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，建議在設(shè)計(jì)前策劃、設(shè)計(jì)中落實(shí)、設(shè)計(jì)后總結(jié)，貫徹全生命周期的服務(wù)理念，旨在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心配電結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提升，推動(dòng)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)高效、節(jié)能、低碳、可持續(xù)發(fā)展。

4.1 設(shè)計(jì)前周密策劃

設(shè)計(jì)前要合理確定關(guān)鍵指標(biāo)，如機(jī)房建設(shè)級(jí)別、單機(jī)架功率、同時(shí)系數(shù)、需要系數(shù)的取定，以便合理規(guī)劃配電系統(tǒng)的容量，適度超前，避免過度冗余；重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵參數(shù)、關(guān)鍵要求，如配電柜端子配置、斷路器組合、建設(shè)個(gè)性化要求，厘清內(nèi)、外部分工界面：明確工作界面、交付時(shí)間點(diǎn)，強(qiáng)化專業(yè)內(nèi)部及專業(yè)間的互動(dòng)以便落實(shí)建設(shè)單位意圖，通過周密策劃，明確工作思路和工作方向，為后續(xù)工作奠定基礎(chǔ)。

4.2 設(shè)計(jì)中強(qiáng)化落實(shí)

設(shè)計(jì)中采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思路，為后續(xù)系統(tǒng)調(diào)整、圖紙修正奠定基礎(chǔ)，提升工作效率；規(guī)范設(shè)計(jì)、規(guī)范繪圖，系統(tǒng)架構(gòu)及布局規(guī)劃合理，避免過渡冗余或線路迂回；形成一系統(tǒng)、二平面、三路由、四清單的設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)邏輯，注重系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)；把控關(guān)鍵交付時(shí)間點(diǎn)、交付成果件的要求，扎實(shí)落實(shí)設(shè)計(jì)意圖，落實(shí)設(shè)計(jì)思想，從始至終貫徹“一張藍(lán)圖繪到底”的設(shè)計(jì)邏輯，注重落實(shí)相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)和技術(shù)要求。

4.3 設(shè)計(jì)后注重總結(jié)

規(guī)劃設(shè)計(jì)工作完成后進(jìn)行設(shè)計(jì)工作后評(píng)估，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)及不足，避免同類型錯(cuò)誤發(fā)生；細(xì)化各專業(yè)方案調(diào)整對(duì)于整體設(shè)計(jì)的影響；整理設(shè)計(jì)不足或錯(cuò)誤案例清單，指導(dǎo)后續(xù)同類型項(xiàng)目交付與實(shí)施；總結(jié)各專業(yè)制圖圖集、標(biāo)準(zhǔn)、大樣圖；定期進(jìn)行客戶回訪，閉環(huán)管理，通過系統(tǒng)應(yīng)用鑒定設(shè)計(jì)的合理性；通過不斷地經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)總結(jié)以指導(dǎo)后續(xù)類似項(xiàng)目的落地實(shí)施，避免重復(fù)錯(cuò)誤或紕漏出線，總結(jié)項(xiàng)目案例，形成標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)成果。

5 數(shù)據(jù)中心發(fā)展方向展望

伴隨著數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)需求多樣性、技術(shù)發(fā)展的成熟性，未來數(shù)據(jù)中心將沿著低碳、多元、模塊、智能化的方向發(fā)展，數(shù)據(jù)中心作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)中的重要載體，其在數(shù)字經(jīng)濟(jì)的指導(dǎo)地位將更加突出，將進(jìn)一步帶動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，數(shù)據(jù)將成為又一交易元素，大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)將迎來新的發(fā)展機(jī)遇，將進(jìn)一步推動(dòng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)進(jìn)步，形成行業(yè)賽道。

5.1 低碳化

“雙碳”戰(zhàn)略促使數(shù)據(jù)中心向低碳化方向發(fā)展。數(shù)據(jù)中心將從規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維、運(yùn)營等多個(gè)階段貫徹“低碳”發(fā)展理念，光伏、風(fēng)電將更加普遍地應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心，源頭綠色化、用能高效化將成為數(shù)據(jù)中心可持續(xù)發(fā)展的重要因素，圍繞數(shù)據(jù)中心低碳化的產(chǎn)品將更多地推向市場(chǎng)，圍繞數(shù)據(jù)中心低碳化的產(chǎn)業(yè)鏈將會(huì)更加豐富、更加完善，大數(shù)據(jù)中心的低碳化發(fā)展將是大勢(shì)所趨。

5.2 多元化

近年來，高密度、高算力的業(yè)務(wù)需求應(yīng)運(yùn)而生，數(shù)據(jù)中心未來將面對(duì)更加復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，數(shù)據(jù)中心的本質(zhì)是空間、電力、制冷和網(wǎng)絡(luò)等四大能力的有機(jī)統(tǒng)一，數(shù)據(jù)中心的需求是空間、電力、制冷和網(wǎng)絡(luò)的個(gè)性化需求，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心能力與需求匹配將成為數(shù)據(jù)中心規(guī)劃建設(shè)的難點(diǎn)[6]，未來多樣化的業(yè)務(wù)需求將會(huì)催生相關(guān)技術(shù)不斷革新、不斷發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)行業(yè)的多元化發(fā)展和進(jìn)步。

5.3 模塊化

未來，從數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)到制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)的架構(gòu)將更加簡潔、更利于工廠預(yù)制，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)模式將更加靈活，系統(tǒng)部署將更加快速、高效，建設(shè)周期將進(jìn)一步縮短，應(yīng)對(duì)緊急業(yè)務(wù)的能力將進(jìn)一步提升，尤其是地價(jià)敏感區(qū)域，業(yè)務(wù)需求的熱點(diǎn)區(qū)域，模塊化的建設(shè)模式特點(diǎn)鮮明、優(yōu)勢(shì)明顯，伴隨著模塊化技術(shù)的進(jìn)一步完善和進(jìn)步，數(shù)據(jù)中心的模塊化發(fā)展將會(huì)更加的深入人心。

5.4 智能化

隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心運(yùn)維朝著智能化方向發(fā)展。數(shù)據(jù)中心的安全防護(hù)將從當(dāng)前被動(dòng)響應(yīng)到主動(dòng)預(yù)防，系統(tǒng)的容錯(cuò)能力將大幅度提升，如通過應(yīng)用自動(dòng)巡檢機(jī)器人等設(shè)備，使得數(shù)據(jù)中心的安全防線將更加牢固、更加可靠；“規(guī)建維售”的體系將更加完善，數(shù)據(jù)中心的智能化水平將更加完善，數(shù)據(jù)中心將不再是一個(gè)簡單的工業(yè)化產(chǎn)物，而將成為一個(gè)智能化的載體。