“雙碳”目標下數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)

摘要：通過對數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)供電情況進行研究，從負荷等級、電源要求、現(xiàn)狀問題這3個方面來闡述低壓配電系統(tǒng)供電情況，以節(jié)能減排作為核心理念，圍繞供電問題，提出“雙碳”背景下數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)供電方案的改進策略，包括改進傳統(tǒng)供電技術方案、高壓直流供電、巴拿馬供電、光儲直柔直流供電、優(yōu)選備用電源配置方案。旨在最大限度降低數(shù)據(jù)中心低壓系統(tǒng)的能耗水平，提高節(jié)能效果，順利實現(xiàn)綠色用電目標。

關鍵詞：“雙碳”目標數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)供電策略

中圖分類號：TP308;TM72

LowVoltageDistributionSysteminDataCentersUnderthe"DualCarbon"Goal

YUGuangzuo1ZHAOZhice2HUANGYun1

1.ChinaMobileCommunicationsGroupShanghaiCo.，Ltd.，Shanghai，200060China;

2.ShanghaiBranchofChinaMobileCommunicationsGroupDesignInstituteCo.，Ltd.，Shanghai，200060China

Abstract：Throughthestudyofthepowersupplysituationofthelow-voltagedistributionsystemindatacenters，thispaperelaboratesonthepowersupplysituationofthelow-voltagedistributionsystemfromthreeaspects：loadlevel，powerrequirements，andcurrentproblems.Takingenergyconservationandemissionreductionasthecoreconcept，improvementstrategiesforthepowersupplyschemeofthelow-voltagedistributionsystemin?;datacentersunderthe"DualCarbon"backgroundareproposed，includingimprovingtraditionalpowersupplytechnologyschemes，high-voltageDCpowersupply，Panamapowersupply，photovoltaicstoragedirectflexibleDCpowersupply，andoptimizingbackuppowersupplyconfigurationschemes.Itaimstominimizetheenergyconsumptionleveloflow-voltagesystemsindatacenters，improveenergyefficiency，andsmoothlyachievethegoalofgreenelectricityconsumption.

KeyWords："DualCarbon"goal;Datacenter;Low-voltagepowerdistributionsystem;Powersupplystrategy

為遏制生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化趨勢，緩解能源供需矛盾，我國提出碳達峰、碳中和的“雙碳”目標，將其作為一項重大戰(zhàn)略，并在國務院印發(fā)《2030年前碳達峰行動方案》中明確提出，加強包括數(shù)據(jù)中心在內的新型基礎設施節(jié)能降碳的指導意見。在“雙碳”目標背景下，數(shù)據(jù)中心原有低壓配電系統(tǒng)供電方案缺乏適用性，暴露出用能結構不合理、電能損耗比例過高、系統(tǒng)結構臃腫等問題有待解決，也是當前一項重要課題?；诖?，本文著重對低壓配電系統(tǒng)供電方案做進一步優(yōu)化與分析。

1數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)供電情況

1.1數(shù)據(jù)中心供電等級

在《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》（GB50174—2017）、《數(shù)據(jù)中心電信基礎設施標準》（ANSI/TIA-942-B）等現(xiàn)行規(guī)范文件中，把數(shù)據(jù)中心供電等級從上到下劃分為A級、B級、C級3個級別，各級供電系統(tǒng)的功能定位、配置要求略有不同。第一，A級供電系統(tǒng)以容錯配置作為配置要求，把供電系統(tǒng)拆解為若干獨立部分，各部分運行期間互不影響，基本不會出現(xiàn)供電中斷、數(shù)據(jù)中心用電設施及信息系統(tǒng)大范圍癱瘓運行的現(xiàn)象[1]。第二，B級供電系統(tǒng)以冗余配置作為配置要求，額外配置備用電源和應急電源，主電源供電中斷或是出現(xiàn)故障問題后，短時間內自動切換至備用電源或應急電源，確保數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)平穩(wěn)運行，供電穩(wěn)定性較高，可以大幅降低故障出現(xiàn)率。第三，C級供電系統(tǒng)以滿足基本配置作為配置要求，有著結構簡單、建設成本低廉的優(yōu)勢，但此類系統(tǒng)的可靠性、可用性等級相對最低，容易出現(xiàn)供電中斷、供電異常情況。

1.2供電電源要求

在數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)，供電電源要求取決于用電負荷等級，負荷等級越高，電源要求越嚴格。因此，在制訂供電方案時，工作人員必須全面了解數(shù)據(jù)中心項目情況，以負荷等級作為方案制訂的重要依據(jù)。例如：對于一級用電負荷，必須設置兩路外部供電電源，各路電源來源于不同變電站，如果后續(xù)運行期間出現(xiàn)一路電源故障問題，仍舊可以滿足低壓配電系統(tǒng)供電需要。對一級負荷中特別重要負荷，則需要在供電系統(tǒng)內額外設置應急電源，禁止在應急供電系統(tǒng)內接入其他等級負荷，或是采取三路以上電源接入方式。此外，也可根據(jù)數(shù)據(jù)中心負荷需求來選擇供電方式，負荷需求較小時采取常規(guī)的外部雙路電源接入方式即可，配備應急電源，在電網(wǎng)、應急電源間隔部位加裝機械閉鎖裝置；負荷需求較大時，采取三路電源供電方式，各路電源來自不同變電站，或是來自相同變電站上的不同母線段，通過增加電源路數(shù)來提高供電穩(wěn)定性。

1.3供電現(xiàn)狀問題

在早期數(shù)據(jù)中心項目，由于缺乏節(jié)能意識，在搭建供電系統(tǒng)時，強調于提高供電可靠性與可用性，沒有對電能利用效率問題予以充分重視，缺少相應技術措施，多數(shù)項目的PUE電能利用效率超過1.4，而在《2030年前碳達峰行動方案》等政策文件與現(xiàn)行規(guī)范文件中，明確指出數(shù)據(jù)中心電能利用效率不得超過1.3，改建數(shù)據(jù)中心的PUE不得超過1.4，現(xiàn)有供電系統(tǒng)并未滿足相關要求，亟須升級改造。同時，在低壓配電系統(tǒng)供電期間，在電能質量、供電可靠性、用電經(jīng)濟性等方面暴露出多項問題，對實際供電效果造成明顯影響。以電能質量問題為例，由于接入大量變流器等電力電子設備，致使系統(tǒng)出現(xiàn)高密度、分散化的諧波源，供電質量有所降低[2]。

22“雙碳”目標下數(shù)據(jù)中心低壓配電系a+NJp4ZCMy+l0NO3owoEQlVVnrz+R/uR4hnln0zPkd4=統(tǒng)供電策略

2.1改進傳統(tǒng)供電技術方案

在早期數(shù)據(jù)中心項目，部分低壓配電系統(tǒng)采取“中壓—變送器—UPS—低壓”的供配電方案，以大功率電力電子作為UPS裝置，在供電鏈路內，UPS裝置會產生遠超配電柜、變壓器、電纜等部分的供電損耗，且總體電能損耗遠超出正常水準。而UPS裝置損耗率過高的根本原因在于，運行期間沒有長期維持在最佳運行負載率，實際效率受到負載率的明顯影響。對此，在改進傳統(tǒng)供電技術方案時，工作人員需要從UPS裝置選型、優(yōu)化控制技術兩方面著手。

第一，UPS裝置選型，UPS裝置主要分為工頻機、高頻機、類模塊化機、模塊化機4個類型，各類型裝置的效率、安全系數(shù)、可維護性、采購成本略有不同。優(yōu)先配備模塊化機，此類裝置由若干模塊相互并聯(lián)形成，具備節(jié)能模塊，憑借高精確負載率來控制少量模塊處于休眠狀態(tài)，根據(jù)實際供電需求來調節(jié)模塊工作數(shù)量，并保持高壓電源、低壓電源的安全間隔距離，避免二者相互影響。同時，考慮到模塊化UPS裝置問世時間較晚，可靠性有待進一步驗證，優(yōu)先配備主流型號模塊化機，以此來降低供電故障概率。第二，優(yōu)化控制技術，由新推出的IGBT控制技術來取代落后的晶閘管控制技術，無須額外設置隔離變壓器等裝置，通過簡化系統(tǒng)結構，把平均效率從85%～92%提升至87%～95%。

2.2高壓直流供電

傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)供電結構由AC/DC轉換器、電池、DC/AC轉換器三部分組成，從市電引入電流，將電流依次進行AC—DC—AC轉換處理后，才能提供給低壓負載設備。對此，可以采取高壓直流供電技術，簡稱為HVDC技術，系統(tǒng)結構由電池、AC/DC轉換器兩部分組成，把電流變換方式由AC/DC/AC簡化形成AC/DC，直接向數(shù)據(jù)中心內部IT設備供電，并由IT設備內部電源模塊來取代原有的整流器、濾波器等裝置。高壓直流供電方式自問世以來，逐漸取代了落后的UPS供電方式，以《信息通信用240V/360V直流供電系統(tǒng)技術要求和試驗方法》（GB/T38833—2020）作為技術應用指導文件，并編入《國家綠色數(shù)據(jù)中心先進適用技術產品目錄》當中。根據(jù)實際供電情況來看，高壓直流供電技術有著電池不依賴逆變器、省略逆變環(huán)節(jié)、設備采購成本低廉、易于維護保養(yǎng)的顯著優(yōu)勢，可以把數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)能耗水平降低8%～10%左右，節(jié)能效果顯著[3]。同時，工作人員還應重點考慮低壓配電系統(tǒng)后端IT設備、斷路器和配電柜適應性問題、可靠性問題與可擴展性問題，結合項目情況判斷是否具備高壓直流供電技術的應用條件。

2.3巴拿馬供電

巴拿馬供電技術本質上屬于一類高壓直流供電形式，通過省略中間環(huán)節(jié)來進一步提升系統(tǒng)效率，綜合應用表現(xiàn)超出常規(guī)高壓直流供電方案。在供電架構內，巴拿馬供電系統(tǒng)由72脈移相變壓器、調壓整流裝置、DC配電單元、IT負載組成，各路電源保持獨立架構，負責把10kV電壓轉換為240V直流電壓，經(jīng)過變壓器輸出36相，后續(xù)經(jīng)過調壓整流與配電處理后提供給IT負載設備。常規(guī)高壓直流供電架構由變壓器、AC/DC轉換器、DC配電單元和IT負載組成，二者主要區(qū)別在于，把常規(guī)型號變壓器更換為新型移相變壓器，把AC/DC轉換環(huán)節(jié)變更為調壓整流環(huán)節(jié)。根據(jù)應用情況來看，巴拿馬供電技術有著占地面積小、系統(tǒng)效率高、采購成本低廉、易于維護保養(yǎng)的優(yōu)勢。正常情況下，電源占地面積僅為常規(guī)配電方案的40%，系統(tǒng)效率長期穩(wěn)定保持在80%左右，總體采購成本為傳統(tǒng)電源采購成本的70%，電源設備采取模塊化結構，可以直接更換老化模塊。此外，推廣巴拿馬供電技術時，工作人員還應檢查數(shù)據(jù)中心內部IT設備是否支持直流供電方式，根據(jù)項目情況定制移相變壓器，量身定制一套移相變壓器維護保養(yǎng)方案，并在后續(xù)把低壓配電系統(tǒng)供電方案提交至項目所在地供電局進行論證審批。

2.4光儲直柔直流供電

傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)以市電作為供電網(wǎng)絡核心，電流從公共電網(wǎng)流向數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)期間，由于供電半徑較大，會產生高昂線損量。同時，我國發(fā)電行業(yè)以火力發(fā)電形式為主，在電能生產期間持續(xù)消耗大量化石能源與排放二氧化碳等溫室氣體，對生態(tài)環(huán)境造成破壞。因此，可以選擇采取光儲直柔直流供電技術，供電網(wǎng)絡由光伏陣列、蓄電池、換流器等部分組成，把設備掛載至直流母線上。在系統(tǒng)供電期間，由光伏陣列持續(xù)把所吸收太陽輻射能量轉換為電能，直流電流經(jīng)過換流器進行DC—AC轉換處理，換流后向IT設備與機房空調系統(tǒng)等負載設備供電，多余電能臨時存儲在蓄電池內，夜間再控制蓄電池向負載設備釋放電流進行不間斷供電[4]。如果光伏系統(tǒng)發(fā)電量無法滿足數(shù)據(jù)中心負荷需求，則并行搭建兩套供電網(wǎng)絡，以光儲直柔直流供電網(wǎng)絡為主，UPS供電網(wǎng)絡或是高壓直流供電網(wǎng)絡為輔。如此，可以最大程度地減輕數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)對外部電源的依賴程度，把總體線損量控制在合理范圍內，并由光伏發(fā)電形式取代落后的火力發(fā)電形式，實現(xiàn)綠色發(fā)電、用電的目標。

2.5優(yōu)選備用電源配置方案

數(shù)據(jù)中心應急電源主要采取分布式低壓配置、分布式中壓配置、集中式中壓配置等多種配置方式，不同配置方案下的油機系統(tǒng)效率存在明顯差異。對此，在制訂備用電源配置方案時，工作人員必須對各套配置方案進行評價打分，從中挑選綜合評分最高的方案，作為最終備用電源配置方案。第一，油機系統(tǒng)效率。分布式低壓方案選擇在變壓器低壓側進行一對一切換，系統(tǒng)效率相對最高，優(yōu)先采取這一配置方式。相比之下，分布式中壓方案選擇在變壓器高壓側一對一切換，集中式中壓方案選擇在并機處理后于變壓器高壓側切換，這都需要額外經(jīng)過一次變壓器，從而產生更高的變壓器能量損耗，這無疑會抬高系統(tǒng)能耗水平，不宜采取這兩類電源配置方式。第二，電源可靠性。分布式低壓方案通過ATS裝置來切換油機和低壓負載，分布式中壓方案選擇于變壓器高壓側切換、后續(xù)向低壓負載送電，集中式中壓方案是在并機與高壓側切換完畢后向低壓負載送電。在送配電路徑內，設備串聯(lián)數(shù)量與供電可靠性成反比，串聯(lián)數(shù)量越多，則故障點越多、供電可靠性越低，優(yōu)先采取設備串聯(lián)數(shù)量較小的分布式低壓配置方案[5]。第三，機房環(huán)保系數(shù)。分布式低壓方案配備低壓發(fā)電機，其他2套電源配置方案則配備大型電通量發(fā)電機。由于低壓發(fā)電機規(guī)格尺寸略小于大型電通量發(fā)電機，無須額外安裝機組控制面板，有利于減少系統(tǒng)造價成本，不會消耗過多資源，優(yōu)先采取分布式低壓配置作為備用電源配置方案。

3結語

綜上所述，為及早實現(xiàn)碳中和、碳達峰目標，消除數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)對生態(tài)環(huán)境造成的負面影響。工作人員應將改進供電方案作為突破口，深入了解數(shù)據(jù)中心供電情況，找出現(xiàn)有問題，積極落實改進傳統(tǒng)供電技術方案、高壓直流供電、巴拿馬供電等多項改進策略，建設高規(guī)格綠色數(shù)據(jù)中心項目，取得顯著的項目經(jīng)濟效益及生態(tài)效益。

參考文獻

[1] 張震，黃偉男.“雙碳”目標下的數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)供電方案選擇[J].電氣時代，2023（1）：24-28.

[2] 張勇軍，羿應棋，李立浧等.雙碳目標驅動的新型低壓配電系統(tǒng)技術展望[J].電力系統(tǒng)自動化，2022，46（22）：1-12.

[3] 林博.數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)建設方案[J].中國新通信，2020，22（17）：79-80.

[4] 熊振華.10kV高壓油機作為備用電源在數(shù)據(jù)中心中的應用[J].通信電源技術，2019，36（1）：223-225，227.

[5] 萬立勇.銀行數(shù)據(jù)中心機房供配電方案探析[J].電氣應用，2022，41（6）：95-100.