李燕

（優(yōu)刻得科技股份有限公司，北京100044）

1 引言

隨著云計算與AI 技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施迎來了巨大的發(fā)展機(jī)遇，也面臨著空前的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的大多數(shù)據(jù)中心均使用相同的配電架構(gòu)為IT 設(shè)備配電。然而，數(shù)據(jù)中心在用電方面已然發(fā)生了巨大變化，特別是功率密度升高、用電量攀升給傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)帶來了很大的挑戰(zhàn)。

2 現(xiàn)階段數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)主要包含中壓配電系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)、不間斷電源配電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)等。根據(jù)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模，中壓配電系統(tǒng)可選擇直接市政引入10kV 電源，也可以選擇自建35kV 變電站或110kV 變電站。低壓配電系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心等級按照GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》的附錄A 配置。不間斷電源系統(tǒng)負(fù)載包含IT 設(shè)備和動力設(shè)備。IT 設(shè)備用不間斷電源主要為UPS 和高壓直流HVDC，采用UPS 系統(tǒng)2N 冗余配置，或1 路市電加1 路HVDC。動力設(shè)備普遍采用UPS 系統(tǒng)N+1 冗余配置。柴發(fā)系統(tǒng)電壓等級有中壓和低壓兩類，具體采用哪種電壓等級需要從數(shù)據(jù)中心的規(guī)模、投資、運(yùn)維等方面綜合決定。當(dāng)前大型數(shù)據(jù)中心主要應(yīng)用10kV 柴發(fā)機(jī)組作為備用電源。

3 未來數(shù)據(jù)中心配電趨勢

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)存在系統(tǒng)割裂且復(fù)雜、占地面積大、故障定位難等問題，如何簡化供電架構(gòu)，減少占地面積，縮短施工周期，是未來數(shù)據(jù)中心配電發(fā)展的趨勢。同時，綠色節(jié)能和邊緣數(shù)據(jù)中心對供配電系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。

3.1 預(yù)制模塊化配電

數(shù)據(jù)中心作為一項重資產(chǎn)的投資，如何以總體相當(dāng)?shù)某杀?，加快部署速度，減少空間占用，增加靈活性成為數(shù)據(jù)中心的發(fā)展趨勢。預(yù)制化是一種預(yù)先設(shè)計、組裝、集成和測試的物理基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，可作為標(biāo)準(zhǔn)化“即插即用式”模塊。預(yù)制化可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心建設(shè)的“去工程化”，縮短大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)周期，降低前期高昂成本投入和可能發(fā)生的施工延期風(fēng)險。

配電系統(tǒng)的預(yù)制化可以有多種形式。以外觀特征區(qū)分可分為集裝箱式和底座安裝式。集裝箱式通常安裝在室外，底座安裝式直接安裝在機(jī)房地面。國內(nèi)數(shù)據(jù)中心建筑以土建結(jié)構(gòu)為主，配電模塊的預(yù)制化以機(jī)房內(nèi)安裝為主流。根據(jù)預(yù)制化程度不同，一種預(yù)制化方式為一體化模塊，將低壓配電室單列設(shè)備統(tǒng)一預(yù)制在底座上，可滿足消防通道要求，但需要對建筑結(jié)構(gòu)特殊處理才能滿足現(xiàn)場吊裝要求，應(yīng)用場景不具有通用性。另一種預(yù)制化方式為拼裝式模塊，低壓側(cè)各配電環(huán)節(jié)通過預(yù)制母排連接，現(xiàn)場進(jìn)行組裝式拼裝。當(dāng)前市場上較前沿的預(yù)制化產(chǎn)品為將不間斷電源與輸入輸出柜模塊化，做成標(biāo)準(zhǔn)的1.2MW 或1.6MW 的電力模塊。圖1 采用移相變壓器直接連接整流模塊，整流輸出240V 直流電直供IT 設(shè)備，將傳統(tǒng)配電環(huán)節(jié)中的中壓配電、變壓器、低壓配電和HVDC 集成到一起，減少配電環(huán)節(jié)，一方面節(jié)省了占地面積，提升機(jī)房利用率，另一方面可以實現(xiàn)快速部署，縮短施工周期[1]。

圖1 預(yù)制化電力模塊的一種解決方案

3.2 鋰電池替代鉛酸電池

不間斷電源系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心供電的核心部分，而電池是不間斷電源系統(tǒng)的重要組成之一。目前，數(shù)據(jù)中心備用電池普遍采用閥控鉛酸蓄電池，以400kV·A UPS 備電15min 為例，狹長形高功率電池需配置2～3 組，占地面積大約在3.6m2。用電量為10WM 的數(shù)據(jù)中心，電池室面積大約需要800m2。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴(kuò)大，蓄電池室的占地面積可想而知。蓄電池對運(yùn)行環(huán)境溫度要求比較高，一般要求約為25℃，長期處于浮充狀態(tài)，且隨著充放電頻率增加，充放電效率逐漸下降，導(dǎo)致蓄電池的使用年限一般在3～5 年。蓄電池的大量替換對環(huán)境也造成了很大的污染。

鋰電池能量體積密度約200～300W·h/L，能量重量密度100～150W·h/kg，為鉛酸電池的2～3 倍，具備高可靠、使用壽命長、占地面積小、運(yùn)維簡單等優(yōu)點。與此同時，鋰電池的循環(huán)壽命高于鉛酸電池，100% DOD 的循環(huán)壽命3 000 多次，可以利用這一特性實現(xiàn)波谷儲能，波峰放電，從而有效降低數(shù)據(jù)中心的能耗成本支出。此外，隨著邊緣數(shù)據(jù)中心的需求擴(kuò)大，采用鋰電池代替鉛酸電池是解決占地面積大、對機(jī)房承重高的有效解決方案。

3.3 采用綠色能源

數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷加大，其電力消耗也在不斷增長。巨大的用電容量給數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)營以及電網(wǎng)的運(yùn)營都帶來了巨大的壓力。當(dāng)前數(shù)據(jù)中心主要是在建筑屋頂設(shè)置分布式光伏發(fā)電，所產(chǎn)電能主要給運(yùn)維辦公區(qū)域和公共區(qū)域照明、空調(diào)等不重要負(fù)荷供能，年發(fā)電量占全年用電量的比例不到0.1%。如何利用綠色能源給數(shù)據(jù)中心提供高可靠性電力是限制綠色數(shù)據(jù)中心發(fā)展的一大難題。

2019 年，國家電網(wǎng)公司提出了“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”。對于數(shù)據(jù)中心而言，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)利用先進(jìn)信息通信技術(shù)，對眾多的分布式能源進(jìn)行控制，充分發(fā)揮不同區(qū)域內(nèi)分布式能源的互補(bǔ)特性，更好地滿足數(shù)據(jù)中心用戶對多種能源的需求。柔性直流供配電技術(shù)具有功率獨立控制、無無功補(bǔ)償問題、可以實現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)等優(yōu)勢，是組建能源互聯(lián)網(wǎng)的一種有效方案。阿里張北數(shù)據(jù)中心柔性直流輸配電工程的成功實施，對未來數(shù)據(jù)中心直流入戶起到引領(lǐng)作用。數(shù)據(jù)中心是典型的交直流負(fù)荷并存的高能耗負(fù)荷中心，接入綠色能源的數(shù)據(jù)中心低壓配電側(cè)可設(shè)置直流配電母線和交流配電母線，分別供給直流設(shè)備和交流設(shè)備。與傳統(tǒng)交流配電相比，交直流配電方案可減少電能變換環(huán)節(jié)、提高供電效率。

3.4 邊緣數(shù)據(jù)中心配電

隨著大量5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，邊緣計算數(shù)據(jù)中心的爆炸性需求即將到來，數(shù)據(jù)中心從原來的集中式架構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际郊軜?gòu)。邊緣數(shù)據(jù)中心大部分部署在運(yùn)營商接入機(jī)房內(nèi)。然而，原有通信機(jī)房供電資源差異大，大多數(shù)機(jī)房只有一路市電，少量機(jī)房有兩路市電，而且大多數(shù)機(jī)房無法放置油機(jī)，甚至出現(xiàn)異常斷電時，備電時長小于移動油機(jī)到達(dá)機(jī)房時長，難以滿足現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)的評級標(biāo)準(zhǔn)。此外，接入、傳輸、交換、核心等多種設(shè)備供電需求不一致，多種業(yè)務(wù)對備電時長要求差異較大，備電方案復(fù)雜。為應(yīng)對邊緣數(shù)據(jù)中心對配電架構(gòu)的挑戰(zhàn)，匹配業(yè)務(wù)融合需求，需要一體化的供配電架構(gòu)，高度集成不同ICT 設(shè)備和交直流電源、制冷、監(jiān)控等的模塊化解決方案是未來的技術(shù)趨勢[2]。

4 結(jié)語

互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)側(cè)數(shù)據(jù)和流量需求的激增，要求數(shù)據(jù)中心必須實現(xiàn)快速部署，更多數(shù)據(jù)中心將實踐配電系統(tǒng)模塊化的建設(shè)理念。隨著鋰電池成本的不斷下降，其在占地面積、使用壽命、初期投資等方面的優(yōu)勢更加突出。同時，節(jié)能減排、利用清潔能源是數(shù)據(jù)中心發(fā)展的大勢所趨。