摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展。論文簡要分析了現(xiàn)階段數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu),，并給出了未來數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,，給相關(guān)人員提供參考。
關(guān)鍵詞：預(yù)制化;鋰電池;分布式能源,；邊緣數(shù)據(jù)中心
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)展機遇,也面臨著巨大的挑戰(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1T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)可選擇直接市政引人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GB50174—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)負載包含1T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)/V+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,、運維等方面綜合決定,。當前大型數(shù)據(jù)中心主要應(yīng)用10kV柴發(fā)機組作為備用電源。
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?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),可作為標準化“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)生的施工延期風險。
配電系統(tǒng)的預(yù)SU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)場進行組裝式拼裝,。當前市場上較前沿的預(yù)制化產(chǎn)品為將不間斷電源與輸人輸出柜模塊化，做成標準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,，提升機房利用率,，另一方面可以實現(xiàn)快速部署,縮短施工周期。
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*AUPS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)模的不斷擴大,，蓄電池室的占地面積可想而知,。蓄電池對運行環(huán)境溫度要求比較高,，一般要求約為25丈,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+/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,，DOD的循環(huán)壽命3000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)中心的需求擴大,，采用鋰電池代替鉛酸電池是解決占地面積大,、對機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)和運營以及電網(wǎng)的運營都帶來了巨大的壓力。當前數(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)電肖@要給運維辦公區(qū)域和公共區(qū)域照明,、空調(diào)等不重要負荷供能，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)利用先進信息通信技術(shù)，對眾多的分布式能源進行控制,，充分發(fā)揮不同區(qū)域內(nèi)分布式能源的互補特性,，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)中心直流入戶起到作用。數(shù)據(jù)中心是典型的交直流負荷并存的高能耗負荷中心,，接人綠色能源的數(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營商接人機房內(nèi),。然而,，原有通信機房供電資源差異大,，大多數(shù)機房只有一路市電，少量機房有兩路市電,，而且大多數(shù)機房無法放置油機,，甚至出現(xiàn)異常斷電時，備電時長小于移動油機到達初房時長,，難以滿足現(xiàn)有國家標準的評級標準,。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,。
4安科瑞列頭柜及監(jiān)測產(chǎn)品介紹
隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心能耗問題也越來越突出,，高效可靠的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案,，是提高數(shù)據(jù)中心電能使用效率，降低設(shè)備能耗的有效方式,。
AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機房末端設(shè)計的,，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息,，并可通過通訊將數(shù)據(jù)上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng),，實現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機房的實時監(jiān)控和有效管理，為實現(xiàn)綠色IDC提供可靠保證,。
4.1精密配電管理解決方案
4.1.1交流系統(tǒng)
1）功能要求：
遙測：輸入分路的三相電壓,、三相電流,、有功功率,、有功電度；輸出分路的單相電壓,、單相電流,、有功功率、有功電度,；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓,，缺相,過流,，輸入分路和輸出分路的開關(guān)狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計,，實現(xiàn)電壓,、電流、功率等參數(shù)的越限報警功能,。
2）配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀表 PZ72L-E4
電流互感器 AKH-0.66-30I-XXA/5A
4.1.2直流系統(tǒng)
1) 功能要求
遙測：輸入分路的電壓,、電流、功率,、電度,；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態(tài),具備電流,、功率需用量分析和統(tǒng)計,，實現(xiàn)電壓、電流,、功率等參數(shù)的越限功能,。
2)配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀表 PZ72L-DE
霍爾傳感器 AHKC-F- XXA/5V 開關(guān)電源 SBD-30 （48V）
4.2產(chǎn)品規(guī)格
說明：■為標配功能。
4.3配套附件
5 安科瑞母線槽監(jiān)測產(chǎn)品介紹
5.1 概述
數(shù)據(jù)中心小母線系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱,。近年來,，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的快速發(fā)展和更高需求，智能小母線系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于機房的末端配電中,，具有電流小,、插接方便、智能化程度高等特點,，即插式插接箱給各個機柜內(nèi)的PDU分配電,。始端箱和插接箱內(nèi)可設(shè)置監(jiān)測模塊，將數(shù)據(jù)上傳至動環(huán)監(jiān)控中心,。
5.2 AMB智能小母線管理系統(tǒng)
1）交流系統(tǒng)功能：
遙測：三相電壓,、電流、有功功率,、無功功率,、視在功率、功率因數(shù),、有功電能,、無功電能、電纜溫度,，系統(tǒng)頻率,、零序電流、零地電壓,、漏電流,、機柜溫度,、機柜濕度、開關(guān)狀態(tài),、電壓/電流諧波含量,、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限,、過/欠壓,、過功率告警、缺相,、過頻率,、欠頻率越限、零地電壓,、零線電流,、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài),、開關(guān)跳閘,；
2）直流系統(tǒng)功能：
遙測：電壓、電流,、功率,、電能、電纜溫度,、漏電流,、機柜溫度、機柜濕度,、開關(guān)狀態(tài),、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限,、過/欠壓,、過功率告警、缺相,、溫/濕度告警,，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘,；
5.3 產(chǎn)品介紹
說明：■為標配功能,。
6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。
【參考文獻】
【1】趙婉芳,，王妍.數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用[J].電工技術(shù),，2019
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【2】李燕，優(yōu)刻得科技股份有限公司,，北京100044
【3】安科瑞數(shù)據(jù)中心IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版.
【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計應(yīng)用手冊.2020.06版.
作者簡介：
侯文莉,，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,，主要從事數(shù)據(jù)中心智能小母線監(jiān)控的研發(fā)及應(yīng)用,。
