数据中心供配电系统发展趋势分析

2020-06-20李燕

工程建设与设计 2020年10期

李燕

（优刻得科技股份有限公司，北京100044）

1 引言

随着云计算与AI 技术的迅速发展，数据中心基础设施迎来了巨大的发展机遇，也面临着空前的挑战。现有的大多数据中心均使用相同的配电架构为IT 设备配电。然而，数据中心在用电方面已然发生了巨大变化，特别是功率密度升高、用电量攀升给传统的配电系统带来了很大的挑战。

2 现阶段数据中心配电系统

数据中心配电系统主要包含中压配电系统、低压配电系统、不间断电源配电系统、柴油发电机组系统等。根据数据中心的建设规模，中压配电系统可选择直接市政引入10kV 电源，也可以选择自建35kV 变电站或110kV 变电站。低压配电系统根据数据中心等级按照GB 50174—2017《数据中心设计规范》的附录A 配置。不间断电源系统负载包含IT 设备和动力设备。IT 设备用不间断电源主要为UPS 和高压直流HVDC，采用UPS 系统2N 冗余配置，或1 路市电加1 路HVDC。动力设备普遍采用UPS 系统N+1 冗余配置。柴发系统电压等级有中压和低压两类，具体采用哪种电压等级需要从数据中心的规模、投资、运维等方面综合决定。当前大型数据中心主要应用10kV 柴发机组作为备用电源。

3 未来数据中心配电趋势

传统数据中心配电系统存在系统割裂且复杂、占地面积大、故障定位难等问题，如何简化供电架构，减少占地面积，缩短施工周期，是未来数据中心配电发展的趋势。同时，绿色节能和边缘数据中心对供配电系统提出了挑战。

3.1 预制模块化配电

数据中心作为一项重资产的投资，如何以总体相当的成本，加快部署速度，减少空间占用，增加灵活性成为数据中心的发展趋势。预制化是一种预先设计、组装、集成和测试的物理基础设施系统，可作为标准化“即插即用式”模块。预制化可以实现数据中心建设的“去工程化”，缩短大型数据中心建设周期，降低前期高昂成本投入和可能发生的施工延期风险。

配电系统的预制化可以有多种形式。以外观特征区分可分为集装箱式和底座安装式。集装箱式通常安装在室外，底座安装式直接安装在机房地面。国内数据中心建筑以土建结构为主，配电模块的预制化以机房内安装为主流。根据预制化程度不同，一种预制化方式为一体化模块，将低压配电室单列设备统一预制在底座上，可满足消防通道要求，但需要对建筑结构特殊处理才能满足现场吊装要求，应用场景不具有通用性。另一种预制化方式为拼装式模块，低压侧各配电环节通过预制母排连接，现场进行组装式拼装。当前市场上较前沿的预制化产品为将不间断电源与输入输出柜模块化，做成标准的1.2MW 或1.6MW 的电力模块。图1 采用移相变压器直接连接整流模块，整流输出240V 直流电直供IT 设备，将传统配电环节中的中压配电、变压器、低压配电和HVDC 集成到一起，减少配电环节，一方面节省了占地面积，提升机房利用率，另一方面可以实现快速部署，缩短施工周期[1]。

图1 预制化电力模块的一种解决方案

3.2 锂电池替代铅酸电池

不间断电源系统是数据中心供电的核心部分，而电池是不间断电源系统的重要组成之一。目前，数据中心备用电池普遍采用阀控铅酸蓄电池，以400kV·A UPS 备电15min 为例，狭长形高功率电池需配置2～3 组，占地面积大约在3.6m2。用电量为10WM 的数据中心，电池室面积大约需要800m2。随着数据中心规模的不断扩大，蓄电池室的占地面积可想而知。蓄电池对运行环境温度要求比较高，一般要求约为25℃，长期处于浮充状态，且随着充放电频率增加，充放电效率逐渐下降，导致蓄电池的使用年限一般在3～5 年。蓄电池的大量替换对环境也造成了很大的污染。

锂电池能量体积密度约200～300W·h/L，能量重量密度100～150W·h/kg，为铅酸电池的2～3 倍，具备高可靠、使用寿命长、占地面积小、运维简单等优点。与此同时，锂电池的循环寿命高于铅酸电池，100% DOD 的循环寿命3 000 多次，可以利用这一特性实现波谷储能，波峰放电，从而有效降低数据中心的能耗成本支出。此外，随着边缘数据中心的需求扩大，采用锂电池代替铅酸电池是解决占地面积大、对机房承重高的有效解决方案。

3.3 采用绿色能源

数据中心规模的不断加大，其电力消耗也在不断增长。巨大的用电容量给数据中心的建设和运营以及电网的运营都带来了巨大的压力。当前数据中心主要是在建筑屋顶设置分布式光伏发电，所产电能主要给运维办公区域和公共区域照明、空调等不重要负荷供能，年发电量占全年用电量的比例不到0.1%。如何利用绿色能源给数据中心提供高可靠性电力是限制绿色数据中心发展的一大难题。

2019 年，国家电网公司提出了“泛在电力物联网”。对于数据中心而言，泛在电力物联网利用先进信息通信技术，对众多的分布式能源进行控制，充分发挥不同区域内分布式能源的互补特性，更好地满足数据中心用户对多种能源的需求。柔性直流供配电技术具有功率独立控制、无无功补偿问题、可以实现潮流反转等优势，是组建能源互联网的一种有效方案。阿里张北数据中心柔性直流输配电工程的成功实施，对未来数据中心直流入户起到引领作用。数据中心是典型的交直流负荷并存的高能耗负荷中心，接入绿色能源的数据中心低压配电侧可设置直流配电母线和交流配电母线，分别供给直流设备和交流设备。与传统交流配电相比，交直流配电方案可减少电能变换环节、提高供电效率。

3.4 边缘数据中心配电

随着大量5G 网络的建设，边缘计算数据中心的爆炸性需求即将到来，数据中心从原来的集中式架构逐步转变为分布式架构。边缘数据中心大部分部署在运营商接入机房内。然而，原有通信机房供电资源差异大，大多数机房只有一路市电，少量机房有两路市电，而且大多数机房无法放置油机，甚至出现异常断电时，备电时长小于移动油机到达机房时长，难以满足现有国家标准的评级标准。此外，接入、传输、交换、核心等多种设备供电需求不一致，多种业务对备电时长要求差异较大，备电方案复杂。为应对边缘数据中心对配电架构的挑战，匹配业务融合需求，需要一体化的供配电架构，高度集成不同ICT 设备和交直流电源、制冷、监控等的模块化解决方案是未来的技术趋势[2]。