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上海电力设计院等单位技术人员提出多站融合工程中的数据中心配电系统优化方案
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上海电力设计院有限公司、国网上海奉贤供电公司的研究人员徐立波、祝燕萍、张治乾、蒋兴新、夏亮，在2022年第8期《电气技术》上撰文，首先介绍数据中心分级及配电系统要求，分析A级和B级数据中心常规配电方案特点；然后针对多站融合工程的特点，提出采用第三路电源代替柴油发电机、市电或直流直供数据机柜的优化建议，并探讨采用飞轮储能代替后备电池的可行性；最后形成四个数据中心优化配电方案。本文所提方案具有系统结构简单、效率高、低碳环保等优点，可充分发挥多站融合工程的融合优势。
近年来，受云服务商和互联网企业业务需求驱动，数据中心市场持续高速发展。配电系统是数据中心的重要组成部分，对于保障系统安全可靠运行极为关键。数据中心配电系统一方面需要冗余配置以提高可靠性，另一方面为满足日益提高的能效要求需要精简配置以提升配电效率。因此，合理的数据中心配电方案对于提高系统运行可靠性和节能减排能力至关重要。
有学者针对数据中心常用的双重化、分布冗余和后备冗余三种供配电系统，从系统构架、可用度、建设成本、运营成本和运维难度等方面进行对比分析，提出了选型建议。有学者提出数据中心采用240V直流配电方案，蓄电池直挂于直流母线上，综合建设灵活度、成本、可靠性和可维护性，该方案具有显著优势。有学者提出一种利用光储一体化微电网保障数据中心负荷的供电策略。有学者探讨智能变配电系统在数据中心的应用，以提高数据中心电源的可靠性、可用性和系统运维效率。有学者对后数据中心供配电系统进行展望，提出市电直供、分布式供电和智能化运维是今后的发展趋势。
上述研究对数据中心配电系统提出了各种配电优化方案和策略，但未针对多站融合工程进行相应的优化设计。本文结合多站融合工程的特点，对数据中心配电系统提出针对性优化建议。
1 数据中心机房分级
按照GB 50174—2017标准的要求，将数据中心根据对经济或社会造成的损失或影响共分为A、B、C三级，具体的数据中心机房分级标准及技术要求见表1。
表1 数据中心机房分级标准及技术要求
A级数据中心配电系统要求最高，需按双系统容错设计，不具备第三路电源供电条件时应配置柴油发电机作为备用电源。B级和C级数据中心配电系统一般不需要配置柴油发电机，且对变压器、不间断电源（uninterruptible power supply, UPS）及后备电池的配置要求也低于A级数据中心。
2 数据中心常规配电方案
多站融合工程中，数据中心主要分为大型集中式和小型分布式两类。大型集中式数据中心机架规模一般超过3000个，实现海量数据存储与计算，等级以A级为主；小型分布式数据中心机架规模一般不超过300个，甚至小于100个，以提供云计算、边缘计算功能，等级以B级为主。
2.1 A级数据中心常规配电方案
A级数据中心常规配电系统如图1所示，A级数据中心常规配电系统采用“2N”架构，中、低压配电柜、变压器、UPS和列头柜均采用双套容错配置，另配置中压柴油发电机作为后备电源。
2.2 B级数据中心常规配电方案
B级数据中心常规配电系统如图2所示，B级数据中心常规配电系统采用“N+1”架构，无需配置柴油发电机，后备电源由UPS蓄电池提供。需要说明的是，当N=1时，“N+1”架构与“2N”架构一致，考虑到小型分布式数据中心配电容量较小，通常单台配电变压器为所有负荷供能，因此此处仅体现N=1的配电系统。
图1 A级数据中心常规配电系统
图2 B级数据中心常规配电系统
3 数据中心配电优化措施
3.1 第三路电源代替柴油发电机
A级数据中心常规配电系统采用柴油发电机作为备用电源。而根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》第8.1.12条，A级数据中心备用电源除了柴油发电机外，也可采用独立于正常电源的第三路电源。
柴油发电机供电可靠性高、连续性好，已成为数据中心备用电源的典型配置，但存在占地空间大、维护难度高和环境不友好等缺点。多站融合工程中，数据中心靠近变电站布置，变电站除能提供两路电源外，与其他工程相比，更容易实现独立于正常电源的第三路电源供电，可将变电站的第三路电源用于数据中心的备用电源，节省柴油发电机系统投资，减少运维工作量，同时减少柴油发电机运行时产生的碳排放，实现低碳环保。
此外，备用电源与正常供电电源切换需要一定的时间。由于柴油发电机从起动到额定功率输出需要一定的时间，所以柴油发电机作为备用电源时，切换时间较长，通常为数分钟；专用馈电线路可通过快切回路切换，切换时间较短，通常为数秒钟。切换时间缩短后，可显著减少UPS电池或储能装置的备用时间。
3.2 市电直供数据机柜
数据中心常规配电系统采用UPS实现电子信息设备的供电。根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》第3.2.2条，A级数据中心同时满足下列要求时，电子信息设备的供电可采用不间断电源系统和市电电源系统相结合的供电方式。
- 1）设备或线路维护时，应保证电子信息设备正常运行。
- 2）市电直接供电的电源质量应满足电子信息设备正常运行的要求。
- 3）市电接入处的功率因数应符合当地供电部门的要求。
- 4）柴油发电机系统应能够承受容性负载的影响。
- 5）向公用电网注入的谐波电流分量不应超过现行国家标准GB/T 14549—93《电能质量公用电网谐波》规定的谐波电流允许值。
由于多站融合工程数据中心靠近变电站布置，数据中心的电源一般来自就近变电站的中压馈线，其电能质量、功率因数、谐波分量通常能够满足上述要求，因此具备采用不间断电源系统和市电电源系统相结合的供电条件。
3.3 直流直供数据机柜
常规机柜供电电源采用交流220V供电，以便于市电或UPS的接入。随着数据中心直流供电方案的日趋成熟，越来越多的服务器电源模块支持高压直流电源的接入。常见的直流电源电压有DC 336V和DC 240V。
某品牌高密度服务器支持交流100～240V、直流36～75V、直流192～288V和直流260～400V四种电源规格供电方式。可见，新一代的服务器供电电源已朝着宽电压、交直流电源通用化的方向发展，这为数据中心配电系统设计方案的多样化创造了条件。
数据中心直流配电系统原理如图3所示，数据中心直流配电系统主要由交流输入单元、整流模块、蓄电池、直流配电单元、电池管理单元、绝缘监测单元及监控模块组成。在市电正常时，整流模块将交流配电单元输出的AC 380V转换成DC 240V。直流配电系统经服务器的电源模块给通信设备供电，同时也给蓄电池充电。在市电异常时，由蓄电池给通信设备供电。
图3 数据中心直流配电系统原理
与传统的UPS技术相比，采用直流直供数据机柜具有以下优点：
1）系统效率较高。采用高频软开关技术的直流系统效率可高于96%，体积更小。直流的输入功率因数高、谐波小、输出负载率高。节能休眠技术可提升轻载下的系统效率，减少机房初期的运行能耗。
2）系统可靠性高。系统拓扑简单，蓄电池直接连接在输出母线上，若整流模块发生故障，短时间内不影响系统供电。
3）安全性高。与传统UPS相比更安全，输出浮地，即使误碰单极母线也不会造成触电事故。直流母线电压低于交流配电系统。
4）具备替代可行性。240V直流可直接在绝大多数的标准交流设备上使用，数据机柜无需定制电源及设备改造，容易推广。
3.4 飞轮储能代替后备电池
目前数据中心配电系统多采用铅酸电池或磷酸铁锂电池作为UPS的后备电源。铅酸电池存在能量密度低、内部含有重金属、易产生土壤环境污染等缺点；磷酸铁锂电池的安全性也日益受到关注。因此，采用铅酸电池或磷酸铁锂电池作为机柜的后备电源不是最佳的解决方案。
飞轮储能作为一种新型的储能方式，在国外发展已有十余年，技术方案成熟，在不间断电源和改善电能质量的场景中应用广泛。它由转子、轴承系统、真空室、电机控制系统及机组快速起动模块组成，具有使用寿命长、充电时间短、工作效率高、响应速度快、工作温度要求低和维护简单等优点。
飞轮储能的工作原理是在市电断电时通过飞轮设备储存的机械能为UPS持续供电几秒至数十分钟的时间，直至后备柴油发电机起动或专用馈线接入后为负载供电，可代替电池组作为数据中心UPS的后备电源。
目前，国内已有专门用于数据中心供电的飞轮储能UPS产品问世，并已有具体工程应用。图4为飞轮储能UPS系统原理，飞轮储能系统由飞轮、飞轮整流器和飞轮控制系统等部分组成，飞轮需经过飞轮整流器接入UPS系统中。
图4 飞轮储能UPS系统原理
针对UPS后备电源的应用场景，飞轮与铅酸电池和磷酸铁锂电池的参数对比见表2。
表2 飞轮与铅酸电池、磷酸铁锂电池参数对比
由表2可知，与电池储能相比，飞轮储能在使用寿命、充电时间、工作温度要求、维护周期和占地面积上有显著优势。飞轮储能的主要缺点是连续放电时间短，一般在15s～15min之间。结合数据中心应用场景，对于专用馈电线路切换场景，额定连续放电时间可取30s；对于柴油发电机作为后备电源的场景，为满足规范要求，额定连续放电时间可取15min。
为容量500kV·A的UPS配置的单台飞轮和铅酸电池初始投入和运行成本对比见表3。根据国内某飞轮厂家报价，额定功率250kW、额定连续放电时间30s和15min的飞轮设备（不含UPS）费分别为75万元、95万元，500kV·A的UPS需配置2套飞轮设备，对应设备费为150万元、190万元。备电15min的铅酸电池组设备费为28万元。初期投入成本上，飞轮储能显著高于铅酸电池储能。
表3 飞轮与铅酸电池15年使用期成本对比（单位: 万元）
飞轮储能使用寿命可达15年，因此15年使用期内无需更换，仅需对飞轮轴承进行定期维护。飞轮轴承的年维护成本按设备费的1%计算。铅酸电池使用寿命通常为5年，在15年使用期内需更换2次，电池年损耗成本按设备费的2%计算。总运行成本上，飞轮储能显著低于铅酸电池储能。
设备布置方面，与铅酸电池方案相比，额定连续放电时间30s和15min的飞轮储能均可节省约1/3的占地面积。需要注意的是，15min飞轮储能设备重达10多吨，需布置于地上一层；30s飞轮储能设备约重2吨，布置时不受楼层限制。
根据以上对比分析，飞轮储能虽然具有前期投资较大的缺点，但与电池储能相比，具有维护简单、运维费用低、工作温度要求低、不存在化学老化过程等优点，可在高标准数据中心场景中试点应用。对于成本敏感的数据中心，建议选用电池作为UPS的备用电源。
4 数据中心配电方案优化
4.1 A级数据中心采用第三路电源方案
针对多站融合工程特点，结合前述配电系统优化措施，形成了适用于多站融合工程的两个A级数据中心配电系统方案。
多站融合工程中的A级数据中心配电系统方案一如图5所示，采用2路市电+1套UPS+第三路专用馈线的供电模式。A级数据中心的备用电源采用独立于正常电源的第三路专用馈线，取代常规的柴油发电机组。第三路电源一般来自与常规两路电源不同的供电分区，以保证供电系统可靠性。
图5 A级数据中心配电系统方案一
根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》的附录1，当A级数据中心选用柴油发电机作为备用电源时，UPS电池的最少备用时间应不低于15min，且柴油发电机燃料存储量应满足12h用油或大于外部供油时间（外部供油有保障时）；当A级数据中心选用专用馈电线路作为备用电源时，一方面无需配置额外备用柴油发电机，另一方面UPS电池的最少备用时间也可进一步缩短，一般仅需满足专用馈电线路快速切换时间即可（一般不超过15s），可按5min配置UPS电池容量或30s配置飞轮储能能量。
此外，由于数据中心邻近变电站布置，数据中心的电源通常直接来自变电站中压馈线，其电能质量、功率因数、谐波分量通常能够满足规范要求，正常供电电源可采用2路市电+1套UPS方案，数据机柜一路电源由市电直供，另一路电源由UPS供电，以节省一套UPS设备投资，提高供电效率。
方案一采用第三路电源代替柴油发电机和市电直供优化措施，以充分利用多站融合工程中变电站电源点多、供电可靠性高、电能质量好的优势。
多站融合工程中的A级数据中心配电系统方案二如图6所示，同样采用2路市电+1套UPS+第三路专用馈线的供电模式。与方案一不同的是，方案二的数据机柜电源分配单元（power distribution unit, PDU）采用一路交流电源和一路直流电源。一路交流电源直接来自市电，一路直流电源来自直流配电设备。直流配电设备的电源来自经自动转换开关（automatic transfer switch, ATS）电器切换的两路交流市电。
方案二在方案一的基础上，进一步采用直流直供优化措施，适用于数据机柜PDU同时支持交直流供电的场景，以进一步提高数据中心配电效率和可靠性。方案二的数据机柜交直流混合供电模式已在互联网公司和移动运营商的数据中心中广泛应用。
图6 A级数据中心配电系统方案二
方案一和方案二的配电系统正常运行时，低压配电柜A和B各带一半负载，一半的数据机柜由市电直供，另一半的数据机柜由UPS或直流配电设备供电，以避免配电设备长时间高负载运行。
4.2 B级数据中心采用市电直供方案
针对多站融合工程特点，还形成了两个适用于多站融合工程的B级数据中心配电系统方案。B级数据中心配电系统方案一和方案二分别如图7和图8所示。与A级数据中心配电系统的两个方案相比，两个方案均相对应地取消了第三路电源，其余保持一致。
图7 B级数据中心配电系统方案一
图8 B级数据中心配电系统方案二
5 结论
针对多站融合工程的特点，对常规数据中心配电系统进行了优化，提出采用第三路电源代替柴油发电机，以及通过市电或直流电源直供数据机柜的优化措施，形成了A级和B级数据中心各两种配电方案，具有系统结构简单、效率高、低碳环保等优点，充分发挥了多站融合工程的融合优势。
此外，对采用飞轮储能代替后备电池的可行性进行了探讨。飞轮设备虽然价格高昂，但与电池相比，具有使用寿命长、运维费用低、节省占地等优势，特别是A级数据中心优化方案中采用第三路电源代替柴油发电机，飞轮储能能量可按30s配置，可在一定程度上节省设备投资和占地面积，使飞轮储能方案更具竞争力。因此，可在高标准数据中心场景中试点应用飞轮设备。
目前，国内生产飞轮储能设备的厂家较少，研发成本高昂。飞轮材料主要由钢材和电子元器件组成，材料成本低，在飞轮大规模制造后成本将大幅下降。当飞轮设备价格与电池相当后，将具有代替电池储能作为UPS后备电源的竞争力，并在数据中心配电系统中推广应用。
本文编自2022年第8期《电气技术》，论文标题为“多站融合工程中的数据中心配电方案优化”，作者为徐立波、祝燕萍 等，本课题得到国网上海市电力公司科技项目的支持。
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