中國儲能網(wǎng)訊：數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心最重要的基礎設施，為電子信息系統(tǒng)運行提供安全保障?！敖涣鱑PS和直流UPS”、“分立式和一體化”這兩種技術對數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)產(chǎn)生了不同的應用方式。在數(shù)據(jù)中心工業(yè)化的發(fā)展趨勢下，“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的基礎設施，是對數(shù)據(jù)進行集中處理、存儲、傳輸、交換和監(jiān)控管理的場所。數(shù)據(jù)中心涉及眾多專業(yè)和系統(tǒng)，其中供配電系統(tǒng)是為電子信息設備提供電源的重要系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)中心基礎設施投資占比中位列第一，為數(shù)據(jù)中心安全可靠運行提供能源保障。
二、供配電系統(tǒng)的基本形式
國家標準《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》GB50174-2017第3.2.1條規(guī)定：“A級數(shù)據(jù)中心的基礎設施宜按容錯系統(tǒng)配置”。所謂“容錯”，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級數(shù)據(jù)中心“容錯”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級數(shù)據(jù)中心由雙路電源供電，并設置備用電源。正常運行時，數(shù)據(jù)中心由雙路電源供電，每路電源承擔50%的負荷；當一路電源出現(xiàn)故障，另一路電源承擔全部負荷；當兩路電源都出現(xiàn)故障，備用電源投入運行，承擔全部負荷的需要。
10kV配電裝置將電源分配到變壓器，主要包括正常電源進線斷路器柜、計量柜、備用電源進線斷路器柜、自動轉換開關電器柜、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）等設備，主要包括0.4kV進線斷路器柜、濾波補償柜、出線斷路器柜、母聯(lián)斷路器柜、母線等。
電子信息設備內部各電路是以直流電源進行工作的，為此在電子信息設備內部設計了一個電源模塊，無論供電電源是交流還是直流，經(jīng)過電源模塊后都變成直流，故大多數(shù)服務器等電子信息設備可以接受交流電源，也可以接受直流電源供電，其原理見圖二。圖二是電子信息設備的電源模塊接受交流或直流電源時的工作原理。當電源模塊輸入交流電時，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。當電源模塊輸入直流電，且A為正極，B為負極時，電流流向是A→2→C→D→4→B，當B為正極，A為負極時，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，市電電源通過交流UPS改善電源質量后輸出至UPS配電裝置。UPS配電裝置主要包括進線斷路器柜、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，部分數(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備供電。電源通過HVDC改善質量并變?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 電源進線，經(jīng)過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，到電子信息設備電源進線這個過程。在這個過程中有兩種應用方式影響了數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)：
第一種應用方式：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)運行時，允許斷電持續(xù)時間是0～10ms，當斷電時間超過10ms時，電子信息系統(tǒng)將中斷運行，數(shù)據(jù)和信息丟失。如果是A級數(shù)據(jù)中心，電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成重大的經(jīng)濟損失或者造成公共場所秩序嚴重混亂。因此，國家標準《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》GB50174-2017第8.1.7條規(guī)定“電子信息設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、開關和儲能裝置組合構成的系統(tǒng)，在輸入電源正?；蚬收蠒r，輸出交流或直流電能，在一定時間內，維持對負載供電的連續(xù)性?！边@里說到的“輸出交流電能”通常稱為交流UPS電源；“輸出直流電能”通常稱為直流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基本單元組成，其作用是改善電源質量和連續(xù)供電，在市電電源發(fā)生故障或中斷時，為電子信息設備提供一定時間的電源供應。當市電正常時，電流通過整流器和逆變器向電子信息設備供電，同時通過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——電子信息設備；
第二路：市電——整流器——蓄電池。
當市電故障或整流器故障時，通過控制電路自動切換至蓄電池為電子信息設備供電，電流路徑：蓄電池——逆變器——電子信息設備；如果僅僅是整流器故障，可通過UPS旁路給電子信息設備供電。
交流UPS的輸入電源和輸出電源可以是單相，也可以是三相，具體分為三種類型：
第一種：單相輸入單相輸出，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。
由于電子信息技術的蓬勃發(fā)展，單個項目數(shù)據(jù)中心已從十幾年前的幾百平方米，發(fā)展到目前的幾十萬平方米，用電負荷也從幾百千瓦增加到幾十萬千瓦，三相輸入三相輸出型UPS電源更適合大型數(shù)據(jù)中心的應用。
3.2 直流UPS電源
直流UPS電源由整流器和蓄電池兩個基本單元組成。當市電正常時，電流通過整流器向電子信息設備供電，同時整流器給蓄電池充電。電流路徑有兩路：
第一路：市電——整流器——電子信息設備；
第二路：市電——整流器——蓄電池。
當市電故障或整流器故障時，通過控制電路自動切換至蓄電池為電子信息設備供電，電流路徑：蓄電池——負載；如果僅僅是整流器故障，則蓄電池放電結束后，無論市電是否正常，將停止向電子信息設備供電。
為了防止這種故障導致電子信息設備宕機，A級數(shù)據(jù)中心可以采用國家標準《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》GB50174-2017第3.2.1條推薦的“容錯”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)相結合的供電方式”。
國家標準《信息通信用 240V/336V 直流供電系統(tǒng)技術要求和試驗方法》GB/T 38833—2020第3.1條定義了通信用高壓直流電源（HVDC）：標稱電壓為 240V 或 336V，可用于信息通信設備的直流供電系統(tǒng)。這里說的高壓是相對于傳統(tǒng)的-48V直流通信電源而言。
240V高壓直流系統(tǒng)可與現(xiàn)有電子信息設備兼容，即直接代替220V交流電源為電子信息設備供電，使用方便，無需改造現(xiàn)有的電子信息設備。而336V高壓直流系統(tǒng)不能與現(xiàn)有電子信息設備兼容，需對現(xiàn)有電子信息設備的電源模塊進行改造，但336V高壓直流系統(tǒng)整體應用效率比240V系統(tǒng)可提高8～10%。
3.3 不間斷電源系統(tǒng)的物理結構
不間斷電源系統(tǒng)可分為塔式、模塊式和機架式三種結構形式。
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)中心應用最廣泛的一種不間斷電源，其特點是單機容量大（可超過1000KVA），直接并機的單元數(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)
通常把具有獨立不間斷電源的功能，可按模塊整體安裝、拆卸、移動、更換的不間斷電源稱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：多個模塊可在專門設計的機柜中并聯(lián)運行，不會因某個模塊的問題影響整體運行；
2）可管理性：模塊是系統(tǒng)中一個具有獨立功能并可獨立運行的單元，單體重量相對較輕，結構上可整體安裝、拆卸、更換、移動；
3）靈活性：在負載增長或減少時，可以自動構成冗余系統(tǒng)，實現(xiàn)靈活便利的擴容或降容。
4）可維護性：具有帶電熱插拔功能，保證供電連續(xù)性。當某個模塊需要維修更換時，可從帶電的系統(tǒng)中脫離出來，實現(xiàn)在線維護，維修完畢后插入模塊即刻投入運行。
3.3.3 機架式不間斷電源系統(tǒng)
機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，其應用特點是可以安裝在標準機柜中，即可以單獨成柜，也可與電子信息設備安裝在同一機柜中，既節(jié)約了物理空間，又節(jié)省了配電和電纜等設備和材料，對于微型數(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。“分立式”即將供配電系統(tǒng)中的各種設備分別采購、分別安裝，分別調試，用電纜或母線連接后進行聯(lián)調聯(lián)試?！耙惑w化”即將供配電系統(tǒng)中的所有設備和材料重新優(yōu)化后集成在一起，在工廠生產(chǎn)和調試后形成一臺整體設備。
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)應用方式，也是目前數(shù)據(jù)中心采用最多的方式，其優(yōu)點是設備采購選擇范圍大、發(fā)生故障容易判斷、運行維護相對方便。但也存在一些問題：
1）由于設備是分立安裝，設備之間需要安裝、安全和操作距離，故設備占用建筑面積較大。
2）由于設備之間需要連接大量電纜或母線，導致施工量和施工難度增加，同時也增加了電纜等材料費用，經(jīng)濟性較差。
3）由于設備眾多，導致招標采購時間長，影響建設工期。
4）由于設備分散安裝，設備品牌較多，導致監(jiān)控設備、監(jiān)控難度和運行成本增加。
4.2 “一體化”供配電系統(tǒng)
4.2.1應用方式
“一體化”供配電系統(tǒng)有多種組合方式，在設備輸入電源方面，可以選擇輸入10kV電源，形成“中低壓設備一體化”，也可以選擇輸入0.4kV電源，形成“低壓設備一體化”；在設備輸出電源方面，可以選擇輸出交流電源，形成“交流設備一體化”，也可以選擇輸出直流電源，形成“交直流設備一體化”。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”供配電設備。
2） “低壓設備一體化”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”配電設備。其特點是將10kV中壓與0.4kV低壓設備分開布置，保證安全，方便維護。
3） “交流設備一體化”是以交流UPS為核心設備，采用柜內母排將UPS前后的配電裝置與UPS進行整合，組成“一體化”配電設備。
4） “交直流設備一體化”是以直流UPS或高壓直流HVDC為核心設備，組成“一體化”配電設備。
各種組合不是固定不變的，可以根據(jù)實際需要重新組合。例如“中低壓設備一體化”與“交直流設備一體化”進行組合，以10kV中壓電源輸入，240V直流輸出，形成“中低壓交直流設備一體化”。
4.2.2 優(yōu)勢
1）減少設備占用建筑面積。數(shù)據(jù)中心由主機房、支持區(qū)、輔助區(qū)和行政管理區(qū)組成，主機房是電子信息設備的工作區(qū)域，支持區(qū)是供配電和空調等設備的工作區(qū)域，主機房和支持區(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)占用面積的多少決定了主機房的面積，也就決定了機柜數(shù)量，支持區(qū)占用面積越小，主機房面積越大，可布置的機柜數(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備，設備之間的電氣連接均在工廠完成，連接質量高于現(xiàn)場施工質量。“一體化”與“分立式”供配電系統(tǒng)相比，可減少部分電纜、母線及橋架的采購和安裝，并可縮短設備及材料的采購和施工周期，實現(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,可將配電鏈路進行統(tǒng)一整合，統(tǒng)一集中監(jiān)控。
4.2.3 存在問題
1）由于“一體化”供配電系統(tǒng)內部各組成部分之間距離很近，導致短路電流增大，上下級斷路器的選擇性保護難以合理實現(xiàn),需要選擇分斷能力更強的斷路器。
2）由于供配電系統(tǒng)內部各類設備眾多，“一體化”后導致設備體積龐大，對設備運輸、安裝和運行維護造成困難。
五、結語
數(shù)據(jù)中心工業(yè)化是未來數(shù)據(jù)中心建造方式的發(fā)展方向，以“設計標準化、制造模塊化、建造裝配化、運維智慧化、全生命周期數(shù)字化”為特征，實現(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)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心工業(yè)化的方式之一。
