中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，為電子信息系統(tǒng)運(yùn)行提供安全保障?！敖涣鱑PS和直流UPS”、“分立式和一體化”這兩種技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)產(chǎn)生了不同的應(yīng)用方式。在數(shù)據(jù)中心工業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)下，“不間斷”和“一體化”供配電系統(tǒng)將得到快速發(fā)展。
一、引言
數(shù)據(jù)中心是一切信息化技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施，是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理、存儲(chǔ)、傳輸、交換和監(jiān)控管理的場(chǎng)所。數(shù)據(jù)中心涉及眾多專(zhuān)業(yè)和系統(tǒng)，其中供配電系統(tǒng)是為電子信息設(shè)備提供電源的重要系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施投資占比中位列第一，為數(shù)據(jù)中心安全可靠運(yùn)行提供能源保障。
二、供配電系統(tǒng)的基本形式
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2017第3.2.1條規(guī)定：“A級(jí)數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施宜按容錯(cuò)系統(tǒng)配置”。所謂“容錯(cuò)”，即需要為數(shù)據(jù)中心提供“雙重”或“多重”安全保障。在供配電方面，2N系統(tǒng)可以為數(shù)據(jù)中心提供“雙重”保障。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)主要由五大部分組成，即10kV配電裝置、變壓器、0.4kV配電裝置、不間斷電源系統(tǒng)、不間斷電源輸出配電裝置。圖1是滿足A級(jí)數(shù)據(jù)中心“容錯(cuò)”要求的2N供配電系統(tǒng)邏輯框圖。
圖1 2N供配電系統(tǒng)邏輯框圖
A級(jí)數(shù)據(jù)中心由雙路電源供電，并設(shè)置備用電源。正常運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)中心由雙路電源供電，每路電源承擔(dān)50%的負(fù)荷；當(dāng)一路電源出現(xiàn)故障，另一路電源承擔(dān)全部負(fù)荷；當(dāng)兩路電源都出現(xiàn)故障，備用電源投入運(yùn)行，承擔(dān)全部負(fù)荷的需要。
10kV配電裝置將電源分配到變壓器，主要包括正常電源進(jìn)線斷路器柜、計(jì)量柜、備用電源進(jìn)線斷路器柜、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器柜、出線斷路器柜、母聯(lián)斷路器柜、母線等。
變壓器將10kV 電源轉(zhuǎn)換為0.4kV電源，0.4kV配電裝置將電源分配到不間斷電源系統(tǒng)（包括交流UPS和直流UPS）等設(shè)備，主要包括0.4kV進(jìn)線斷路器柜、濾波補(bǔ)償柜、出線斷路器柜、母聯(lián)斷路器柜、母線等。
電子信息設(shè)備內(nèi)部各電路是以直流電源進(jìn)行工作的，為此在電子信息設(shè)備內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)電源模塊，無(wú)論供電電源是交流還是直流，經(jīng)過(guò)電源模塊后都變成直流，故大多數(shù)服務(wù)器等電子信息設(shè)備可以接受交流電源，也可以接受直流電源供電，其原理見(jiàn)圖二。圖二是電子信息設(shè)備的電源模塊接受交流或直流電源時(shí)的工作原理。當(dāng)電源模塊輸入交流電時(shí)，在交流電的正半周，電流流向是A→2→C→D→4→B；在交流電的負(fù)半周，電流流向是B→3→C→D→1→A，在C和D之間形成直流電源。當(dāng)電源模塊輸入直流電，且A為正極，B為負(fù)極時(shí)，電流流向是A→2→C→D→4→B，當(dāng)B為正極，A為負(fù)極時(shí)，電流流向是B→3→C→D→1→A，在C和D之間形成直流電源。
圖二 電源模塊接受交流或直流電源的工作原理
為電源模塊提供交流不間斷電源的是交流UPS，市電電源通過(guò)交流UPS改善電源質(zhì)量后輸出至UPS配電裝置。UPS配電裝置主要包括進(jìn)線斷路器柜、出線斷路器柜、列頭柜或配電小母線。
為電源模塊提供直流不間斷電源的是直流UPS。為節(jié)約能源和提高電源的可靠性，直流UPS電源減少了逆變環(huán)節(jié)。目前，部分?jǐn)?shù)據(jù)中心采用HVDC（高壓直流）電源，電壓有240V和336V兩種，其原理是將交流電源整流為直流電源后為電子信息設(shè)備供電。電源通過(guò)HVDC改善質(zhì)量并變?yōu)橹绷骱筝敵鲋僚潆娧b置，HVDC輸出配電裝置主要包括直流出線斷路器或熔斷器、列頭柜等。
為提高電源的可靠性，電子信息設(shè)備由雙路電源供電。大中型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)就是從10kV 電源進(jìn)線，經(jīng)過(guò)10kV配電裝置、變壓器、0.4kV配電裝置、不間斷電源系統(tǒng)及不間斷電源輸出配電裝置，到電子信息設(shè)備電源進(jìn)線這個(gè)過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中有兩種應(yīng)用方式影響了數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)：
第一種應(yīng)用方式：交流UPS電源和直流UPS電源（或HVDC高壓直流電源）。
第二種應(yīng)用方式：“分立式”和“一體化”供配電系統(tǒng)。
三、不間斷電源系統(tǒng)
不間斷電源系統(tǒng)的基本功能是保障供電電源的連續(xù)性，電子信息系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，允許斷電持續(xù)時(shí)間是0～10ms，當(dāng)斷電時(shí)間超過(guò)10ms時(shí)，電子信息系統(tǒng)將中斷運(yùn)行，數(shù)據(jù)和信息丟失。如果是A級(jí)數(shù)據(jù)中心，電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失或者造成公共場(chǎng)所秩序嚴(yán)重混亂。因此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2017第8.1.7條規(guī)定“電子信息設(shè)備宜由不間斷電源系統(tǒng)供電”。規(guī)范第2.1.40條定義了不間斷電源系統(tǒng)：“由變流器、開(kāi)關(guān)和儲(chǔ)能裝置組合構(gòu)成的系統(tǒng)，在輸入電源正常或故障時(shí)，輸出交流或直流電能，在一定時(shí)間內(nèi)，維持對(duì)負(fù)載供電的連續(xù)性。”這里說(shuō)到的“輸出交流電能”通常稱(chēng)為交流UPS電源；“輸出直流電能”通常稱(chēng)為直流UPS電源或HVDC（高壓直流）電源。
3.1 交流UPS電源
交流UPS電源由整流器、蓄電池和逆變器三個(gè)基本單元組成，其作用是改善電源質(zhì)量和連續(xù)供電，在市電電源發(fā)生故障或中斷時(shí)，為電子信息設(shè)備提供一定時(shí)間的電源供應(yīng)。當(dāng)市電正常時(shí)，電流通過(guò)整流器和逆變器向電子信息設(shè)備供電，同時(shí)通過(guò)整流器給蓄電池充電。電流路徑有兩路：
第一路：市電——整流器——逆變器——電子信息設(shè)備；
第二路：市電——整流器——蓄電池。
當(dāng)市電故障或整流器故障時(shí)，通過(guò)控制電路自動(dòng)切換至蓄電池為電子信息設(shè)備供電，電流路徑：蓄電池——逆變器——電子信息設(shè)備；如果僅僅是整流器故障，可通過(guò)UPS旁路給電子信息設(shè)備供電。
交流UPS的輸入電源和輸出電源可以是單相，也可以是三相，具體分為三種類(lèi)型：
第一種：?jiǎn)蜗噍斎雴蜗噍敵?，即UPS的輸入與輸出都是單相交流220V；
第二種：三相輸入單相輸出，即UPS的輸入是三相380V，輸出是單相交流220V；
第三種：三相輸入三相輸出，即UPS的輸入與輸出都是三相交流380V。
由于電子信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，單個(gè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)中心已從十幾年前的幾百平方米，發(fā)展到目前的幾十萬(wàn)平方米，用電負(fù)荷也從幾百千瓦增加到幾十萬(wàn)千瓦，三相輸入三相輸出型UPS電源更適合大型數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。
3.2 直流UPS電源
直流UPS電源由整流器和蓄電池兩個(gè)基本單元組成。當(dāng)市電正常時(shí)，電流通過(guò)整流器向電子信息設(shè)備供電，同時(shí)整流器給蓄電池充電。電流路徑有兩路：
第一路：市電——整流器——電子信息設(shè)備；
第二路：市電——整流器——蓄電池。
當(dāng)市電故障或整流器故障時(shí)，通過(guò)控制電路自動(dòng)切換至蓄電池為電子信息設(shè)備供電，電流路徑：蓄電池——負(fù)載；如果僅僅是整流器故障，則蓄電池放電結(jié)束后，無(wú)論市電是否正常，將停止向電子信息設(shè)備供電。
為了防止這種故障導(dǎo)致電子信息設(shè)備宕機(jī)，A級(jí)數(shù)據(jù)中心可以采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2017第3.2.1條推薦的“容錯(cuò)”供電系統(tǒng)，也可以采用第3.2.2條推薦的“不間斷電源系統(tǒng)和市電電源系統(tǒng)相結(jié)合的供電方式”。
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《信息通信用 240V/336V 直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》GB/T 38833—2020第3.1條定義了通信用高壓直流電源（HVDC）：標(biāo)稱(chēng)電壓為 240V 或 336V，可用于信息通信設(shè)備的直流供電系統(tǒng)。這里說(shuō)的高壓是相對(duì)于傳統(tǒng)的-48V直流通信電源而言。
240V高壓直流系統(tǒng)可與現(xiàn)有電子信息設(shè)備兼容，即直接代替220V交流電源為電子信息設(shè)備供電，使用方便，無(wú)需改造現(xiàn)有的電子信息設(shè)備。而336V高壓直流系統(tǒng)不能與現(xiàn)有電子信息設(shè)備兼容，需對(duì)現(xiàn)有電子信息設(shè)備的電源模塊進(jìn)行改造，但336V高壓直流系統(tǒng)整體應(yīng)用效率比240V系統(tǒng)可提高8～10%。
3.3 不間斷電源系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)
不間斷電源系統(tǒng)可分為塔式、模塊式和機(jī)架式三種結(jié)構(gòu)形式。
3.3.1 塔式不間斷電源系統(tǒng)
塔式不間斷電源系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心應(yīng)用最廣泛的一種不間斷電源，其特點(diǎn)是單機(jī)容量大（可超過(guò)1000KVA），直接并機(jī)的單元數(shù)量少，可靠性高，能夠滿足大型數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用需求。
3.3.2 模塊式（模塊化）不間斷電源系統(tǒng)
通常把具有獨(dú)立不間斷電源的功能，可按模塊整體安裝、拆卸、移動(dòng)、更換的不間斷電源稱(chēng)為模塊化不間斷電源系統(tǒng)。模塊化不間斷電源系統(tǒng)具有以下特征：
1）可靠性：多個(gè)模塊可在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的機(jī)柜中并聯(lián)運(yùn)行，不會(huì)因某個(gè)模塊的問(wèn)題影響整體運(yùn)行；
2）可管理性：模塊是系統(tǒng)中一個(gè)具有獨(dú)立功能并可獨(dú)立運(yùn)行的單元，單體重量相對(duì)較輕，結(jié)構(gòu)上可整體安裝、拆卸、更換、移動(dòng)；
3）靈活性：在負(fù)載增長(zhǎng)或減少時(shí)，可以自動(dòng)構(gòu)成冗余系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)靈活便利的擴(kuò)容或降容。
4）可維護(hù)性：具有帶電熱插拔功能，保證供電連續(xù)性。當(dāng)某個(gè)模塊需要維修更換時(shí)，可從帶電的系統(tǒng)中脫離出來(lái)，實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)，維修完畢后插入模塊即刻投入運(yùn)行。
3.3.3 機(jī)架式不間斷電源系統(tǒng)
機(jī)架式不間斷電源系統(tǒng)包括整流器、逆變器、旁路、控制與顯示單元、操作面板、電池等單元，其應(yīng)用特點(diǎn)是可以安裝在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜中，即可以單獨(dú)成柜，也可與電子信息設(shè)備安裝在同一機(jī)柜中，既節(jié)約了物理空間，又節(jié)省了配電和電纜等設(shè)備和材料，對(duì)于微型數(shù)據(jù)中心是最佳的選擇。
四、“分立式”和“一體化”供配電系統(tǒng)
數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)由10kV配電裝置、變壓器、0.4kV配電裝置、不間斷電源系統(tǒng)及不間斷電源輸出配電裝置等五大部分組成?！胺至⑹健奔磳⒐┡潆娤到y(tǒng)中的各種設(shè)備分別采購(gòu)、分別安裝，分別調(diào)試，用電纜或母線連接后進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)試?！耙惑w化”即將供配電系統(tǒng)中的所有設(shè)備和材料重新優(yōu)化后集成在一起，在工廠生產(chǎn)和調(diào)試后形成一臺(tái)整體設(shè)備。
4.1 “分立式”供配電系統(tǒng)
“分立式”供配電系統(tǒng)屬于傳統(tǒng)應(yīng)用方式，也是目前數(shù)據(jù)中心采用最多的方式，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備采購(gòu)選擇范圍大、發(fā)生故障容易判斷、運(yùn)行維護(hù)相對(duì)方便。但也存在一些問(wèn)題：
1）由于設(shè)備是分立安裝，設(shè)備之間需要安裝、安全和操作距離，故設(shè)備占用建筑面積較大。
2）由于設(shè)備之間需要連接大量電纜或母線，導(dǎo)致施工量和施工難度增加，同時(shí)也增加了電纜等材料費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)性較差。
3）由于設(shè)備眾多，導(dǎo)致招標(biāo)采購(gòu)時(shí)間長(zhǎng)，影響建設(shè)工期。
4）由于設(shè)備分散安裝，設(shè)備品牌較多，導(dǎo)致監(jiān)控設(shè)備、監(jiān)控難度和運(yùn)行成本增加。
4.2 “一體化”供配電系統(tǒng)
4.2.1應(yīng)用方式
“一體化”供配電系統(tǒng)有多種組合方式，在設(shè)備輸入電源方面，可以選擇輸入10kV電源，形成“中低壓設(shè)備一體化”，也可以選擇輸入0.4kV電源，形成“低壓設(shè)備一體化”；在設(shè)備輸出電源方面，可以選擇輸出交流電源，形成“交流設(shè)備一體化”，也可以選擇輸出直流電源，形成“交直流設(shè)備一體化”。各種組合方式的區(qū)別在于是否包含10kV配電裝置和變壓器，是采用交流UPS，還是采用直流UPS。
1）“中低壓設(shè)備一體化”是將數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的五大組成部分（除列頭柜或配電小母線外）整合在一起，形成 “大而全一體化”供配電設(shè)備。
2） “低壓設(shè)備一體化”不包含10kV配電裝置和變壓器，主要是以0.4kV配電裝置、不間斷電源系統(tǒng)及不間斷電源輸出配電裝置等組成“一體化”配電設(shè)備。其特點(diǎn)是將10kV中壓與0.4kV低壓設(shè)備分開(kāi)布置，保證安全，方便維護(hù)。
3） “交流設(shè)備一體化”是以交流UPS為核心設(shè)備，采用柜內(nèi)母排將UPS前后的配電裝置與UPS進(jìn)行整合，組成“一體化”配電設(shè)備。
4） “交直流設(shè)備一體化”是以直流UPS或高壓直流HVDC為核心設(shè)備，組成“一體化”配電設(shè)備。
各種組合不是固定不變的，可以根據(jù)實(shí)際需要重新組合。例如“中低壓設(shè)備一體化”與“交直流設(shè)備一體化”進(jìn)行組合，以10kV中壓電源輸入，240V直流輸出，形成“中低壓交直流設(shè)備一體化”。
4.2.2 優(yōu)勢(shì)
1）減少設(shè)備占用建筑面積。數(shù)據(jù)中心由主機(jī)房、支持區(qū)、輔助區(qū)和行政管理區(qū)組成，主機(jī)房是電子信息設(shè)備的工作區(qū)域，支持區(qū)是供配電和空調(diào)等設(shè)備的工作區(qū)域，主機(jī)房和支持區(qū)占據(jù)了數(shù)據(jù)中心大部分面積。輔助區(qū)和行政管理區(qū)的面積基本是確定的，支持區(qū)占用面積的多少?zèng)Q定了主機(jī)房的面積，也就決定了機(jī)柜數(shù)量，支持區(qū)占用面積越小，主機(jī)房面積越大，可布置的機(jī)柜數(shù)量越多?！耙惑w化”與“分立式”供配電系統(tǒng)相比，“一體化”供配電設(shè)備可節(jié)省30～40%的建筑面積。
2）“一體化”供配電系統(tǒng)中包含中低壓配電裝置、變壓器和不間斷電源等設(shè)備，設(shè)備之間的電氣連接均在工廠完成，連接質(zhì)量高于現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量。“一體化”與“分立式”供配電系統(tǒng)相比，可減少部分電纜、母線及橋架的采購(gòu)和安裝，并可縮短設(shè)備及材料的采購(gòu)和施工周期，實(shí)現(xiàn)快速安裝使用。
3）“一體化”供配電系統(tǒng)便于集中監(jiān)控與管理,可將配電鏈路進(jìn)行統(tǒng)一整合，統(tǒng)一集中監(jiān)控。
4.2.3 存在問(wèn)題
1）由于“一體化”供配電系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間距離很近，導(dǎo)致短路電流增大，上下級(jí)斷路器的選擇性保護(hù)難以合理實(shí)現(xiàn),需要選擇分?jǐn)嗄芰Ω鼜?qiáng)的斷路器。
2）由于供配電系統(tǒng)內(nèi)部各類(lèi)設(shè)備眾多，“一體化”后導(dǎo)致設(shè)備體積龐大，對(duì)設(shè)備運(yùn)輸、安裝和運(yùn)行維護(hù)造成困難。
五、結(jié)語(yǔ)
數(shù)據(jù)中心工業(yè)化是未來(lái)數(shù)據(jù)中心建造方式的發(fā)展方向，以“設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、制造模塊化、建造裝配化、運(yùn)維智慧化、全生命周期數(shù)字化”為特征，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心可持續(xù)發(fā)展?！安婚g斷”供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的安全保障，“一體化”供配電系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心工業(yè)化的方式之一。
