数字能源柜在数据中心的发展与应用

王海东， 罗永强， 刘 驰， 胡翰智

(中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080)

0 引言

随着5G、人工智能、物联网、云计算、大数据、边缘计算等新一代信息技术的出现和快速发展，信息通信业的整体市场规模持续扩大，随之而来的是行业能耗也持续较快增长。对整个行业来说，绿色发展和节能减排仍然是一项长期且艰巨的任务，需要加强网络资源利用率的提升，降低运营成本并实现节能降耗。

目前数据中心网络及计算技术虽然在不断更迭，但基础配套设施尤其是供电技术相对传统，存在建设成本高、运营成本高、业务匹配不灵活、空间占地大等挑战，其中建设成本高主要表现在供电系统需一次性建成，初期投入大、利用率低；维护成本高主要表现在实际负荷率偏低，系统全程供电效率较低，闲置消耗严重；业务匹配不灵活主要表现在系统柔性不足，不能有效应对变化的业务需求；空间占地主要表现在电源设备集中布置，占用空间大，机房利用率不高。

2020年国家以及地方都出台了相关政策，比如北京、上海等相关部门要求新建大型数据中心PUE值低于1.3。随着5G网络的发展，对边缘计算机房下沉的需求也日益显著。在这样的行业背景下，研发了有分布化、高可靠、高效能特点的数字能源柜，且可快速、灵活地适应不同的应用场景。

1 数字能源技术的定义

数字能源技术是指将信息通信技术(比特)与供电技术(瓦特)进行深度融合，实现信息流与能量流互动，实现对电能转换、存储和控制的数字化、网络化、智能化，从而实现能源产品高密集成、高效运行。

2 数据中心数字能源技术的发展及相关产品

2.1 数据中心电源产品发展趋势

结合上述背景及数据中心发展现状，针对数据中心供电系统，笔者认为其发展趋势如下。

(1)大集中与全分散并存：未来将是传统超大型与小型、边缘型数据中心互补共存的时代，可满足各类差异化的业务需求，共同为社会、经济的数字化、智慧化转型提供强有力的支撑。因此针对需求明确、高密高集中化的业务场景，全集中化供电架构将是发展趋势；针对需求快速变化、分期建设或定制化的业务场景，分布式供电架构将是发展趋势。

(2)全直流供电：目前随着新出现的ICT设备芯片(如CPU)的工作电压不断降低，其抗压能力也在不断下降，交流供电系统中的谐波问题、地噪问题对设备的影响越来越严重。全直流供配电系统将成为未来最有可能的选择。

(3)供配电技术的标准化、模块化：标准化、模块化的供配电系统有利于降低MTTR(平均修复时间)、提高配电系统的可用性、扩展性、安装质量，并可降低生产和销售成本，未来将得到推广与普遍采用。

(4)锂电替代铅酸：与传统的铅酸蓄电池相比较，磷酸铁锂电池具有重量轻(约为同等容量铅酸电池重量的50%)、占地面积小(根据不同安装方式，一般为铅酸电池占地面积的30%～50%)、能够快速充电(可支持1～2h快速充满)、高倍率放电、容量损失小(从0.1C电流到1C电流放电，均能放出95%以上的额定容量)、工作温度范围较宽(在环境温度0～45℃范围内，使用性能基本稳定)、循环寿命高(单体循环寿命一般可达3 000次，电池组循环寿命≥2 000次)、绿色环保(生产及使用过程中，不产生对自然环境构成危害的物质)等显著特点，随着其成本逐步下降，越来越多的数据中心开始考虑通过锂电池替代铅酸电池储能来降低使用成本。但由于其高能量密度的特点，锂电池的应用存在着热失控风险，需通过一系列的配套设计(如BMS系统、热管理技术、检测及灭火技术等)进行预防和解决。

(5)全程智能化管理：通过提升供配电设备的智能化水平，实现供配电系统“源到端”全程实时可监、可管、可控，通过动态匹配ICT设备的使用需求，实现安全、可靠、高效的供电。

2.2 数字能源技术

通过上述数字能源技术定义及数据中心电源产品发展趋势分析，本文提出“柔性、智能、高效”的设计理念，充分利用电力电子技术和AI、大数据、IoT(物联网)、通信等数字技术相结合的优势，通过将材料科学、热工程学和微电子学等多学科融合，选用碳化硅、氮化镓等小体积器件研发数字能源技术及数字能源硬件产品。

数字能源技术的关键是分布式软件定义电池能量管控系统，可解决电池系统的“短板效应”(由于电池单体固有差异性和固定串并联成组方法的不匹配造成)所产生的一系列应用问题(如充放电效率、循环寿命、有效容量、运维成本、可靠性和安全性等)。

软件定义的电池能量管控系统应实现电池能量的数字化、信息化、网络化管控。该系统能够在100ms内完成电池网络拓扑动态重构，实现电池单体层面的充放电能量管理和控制，在不采用传统主动或被动均衡电池管理系统(BMS)的前提下保证每节电池单体达到充放电截止电压要求，同时实现毫秒级的故障电池单体的在线识别和在线隔离。通过电池能量交换系统将电池系统从传统模拟能量系统转变为数字能量系统，进而与电池能量调度云平台和电池巡检云平台无缝对接，实现电池系统的互联网化能量管控。

电池能量管控云平台通过上述电池能量交换系统将电池单体数据(如动态开路电压和SOC等状态信息)实时采集传输到云平台，基于电池单体状态数据计算可重构电池网络的等效SOC，同时将电池状态数据通过专用API接口开放给第三方使用，如微网或配网调度系统。

系统自动巡检云平台通过上述电池能量交换系统、电池能量管控云平台和整流电源，实现对机柜内所有供电设备精细化管控，做到无需人工巡检，实现故障电池单体在线识别和隔离、电池系统动态重构和在线更换故障单体电池等功能，改变传统电池成组更换的运维范式，降低运维成本。

2.3 数字能源柜产品的实现

数字能源机柜将电源、电池及网络机柜整合为一体，采用标准网络机柜的外形，供电电压等级为直流12V/-48V，为数据中心IT设备提供安装空间和分布式供电。数字能源机柜结构中，电池模块≤4U，整流电源≤3U，网络及服务哭器设备≥40U，其电路结构原理如图1所示。

图1 数字能源机柜电路结构示意图

图2 各种供电架构全程供电效率图

3 数字能源技术及产品在数据中心应用分析

数字能源柜的研发实现，满足了新形势下ICT行业对供电高效、灵活及可靠性等方面的需求，提高了系统可靠性、电源资产和机房利用率。与传统集中供电技术相比，具有以下技术特点。

(1)提出可软件定义的电池能量管控技术，可根据每节电池的特性和状态对充放电和成组进行动态管理与控制，实现了电池数字化管控，智能巡检运维。

(2)不间断电源装置中的各个功能模块直接与母排总线连接，无需电力电缆，可紧凑地集成在一起，占用空间小，实现在标准机柜内快速分布安装应用。

(3)整流电源和电池采用模块化设计，即插即用，按需配置，实现边成长边投资建设模式，电源和电池无需按机房容量一次性规划建设。

(4)将整流电源和电池紧密集成在一个机框内，分布布置在ICT设备机柜内，无需专设电力电池室。

(5)数字能源柜具有工厂预制集成、快速部署、灵活配置等使用特点，实现了供电数字化、柔性化，匹配不同业务的ICT设备的部署要求并适应不同ICT应用场景安装，在技术、管理等多个维度助力ICT行业减少对社会资源的占用，社会效益显著。

数字能源柜推广应用将彻底颠覆现有数据中心供电系统建设模式，无需单独采购和安装UPS、电池和网络机柜等设备，同时经济效益显著，供电效率提升3%～6%(见图2)，机柜装机率提升30%～40%，ICT设备安装空间提升约20%。

同时其采用分布式供电架构，与传统集中式供电技术相比，具有较为明显的比较优势，如表1所示。

4 结束语

数字能源柜适用于ICT行业各类场景安装，包括通信局(站)、ICT机房、数据中心等，其柔性高效、安全智能、简单紧凑的特点，将极大改善数据中心供电系统建设成本高、运营成本高、业务匹配不灵活、空间占地等问题，助力数据中心行业可持续发展。

集中供电与分布式供电对比分析表 表1