摘要：通過對(duì)數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)供電情況進(jìn)行研究，從負(fù)荷等級(jí)、電源要求、現(xiàn)狀問題這3個(gè)方面來闡述低壓配電系統(tǒng)供電情況，以節(jié)能減排作為核心理念，圍繞供電問題，提出“雙碳”背景下數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)供電方案的改進(jìn)策略，包括改進(jìn)傳統(tǒng)供電技術(shù)方案、高壓直流供電、巴拿馬供電、光儲(chǔ)直柔直流供電、優(yōu)選備用電源配置方案。旨在最大限度降低數(shù)據(jù)中心低壓系統(tǒng)的能耗水平，提高節(jié)能效果，順利實(shí)現(xiàn)綠色用電目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：“雙碳”目標(biāo)數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)供電策略

中圖分類號(hào)：TP308;TM72

LowVoltageDistributionSysteminDataCentersUnderthe"DualCarbon"Goal

YUGuangzuo1ZHAOZhice2HUANGYun1

1.ChinaMobileCommunicationsGroupShanghaiCo.，Ltd.，Shanghai，200060China;

2.ShanghaiBranchofChinaMobileCommunicationsGroupDesignInstituteCo.，Ltd.，Shanghai，200060China

Abstract：Throughthestudyofthepowersupplysituationofthelow-voltagedistributionsystemindatacenters，thispaperelaboratesonthepowersupplysituationofthelow-voltagedistributionsystemfromthreeaspects：loadlevel，powerrequirements，andcurrentproblems.Takingenergyconservationandemissionreductionasthecoreconcept，improvementstrategiesforthepowersupplyschemeofthelow-voltagedistributionsystemin?;datacentersunderthe"DualCarbon"backgroundareproposed，includingimprovingtraditionalpowersupplytechnologyschemes，high-voltageDCpowersupply，Panamapowersupply，photovoltaicstoragedirectflexibleDCpowersupply，andoptimizingbackuppowersupplyconfigurationschemes.Itaimstominimizetheenergyconsumptionleveloflow-voltagesystemsindatacenters，improveenergyefficiency，andsmoothlyachievethegoalofgreenelectricityconsumption.

KeyWords："DualCarbon"goal;Datacenter;Low-voltagepowerdistributionsystem;Powersupplystrategy

為遏制生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化趨勢(shì)，緩解能源供需矛盾，我國提出碳達(dá)峰、碳中和的“雙碳”目標(biāo)，將其作為一項(xiàng)重大戰(zhàn)略，并在國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中明確提出，加強(qiáng)包括數(shù)據(jù)中心在內(nèi)的新型基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能降碳的指導(dǎo)意見。在“雙碳”目標(biāo)背景下，數(shù)據(jù)中心原有低壓配電系統(tǒng)供電方案缺乏適用性，暴露出用能結(jié)構(gòu)不合理、電能損耗比例過高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)臃腫等問題有待解決，也是當(dāng)前一項(xiàng)重要課題?；诖耍疚闹貙?duì)低壓配電系統(tǒng)供電方案做進(jìn)一步優(yōu)化與分析。

1數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)供電情況

1.1數(shù)據(jù)中心供電等級(jí)

在《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174—2017）、《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》（ANSI/TIA-942-B）等現(xiàn)行規(guī)范文件中，把數(shù)據(jù)中心供電等級(jí)從上到下劃分為A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)3個(gè)級(jí)別，各級(jí)供電系統(tǒng)的功能定位、配置要求略有不同。第一，A級(jí)供電系統(tǒng)以容錯(cuò)配置作為配置要求，把供電系統(tǒng)拆解為若干獨(dú)立部分，各部分運(yùn)行期間互不影響，基本不會(huì)出現(xiàn)供電中斷、數(shù)據(jù)中心用電設(shè)施及信息系統(tǒng)大范圍癱瘓運(yùn)行的現(xiàn)象[1]。第二，B級(jí)供電系統(tǒng)以冗余配置作為配置要求，額外配置備用電源和應(yīng)急電源，主電源供電中斷或是出現(xiàn)故障問題后，短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切換至備用電源或應(yīng)急電源，確保數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，供電穩(wěn)定性較高，可以大幅降低故障出現(xiàn)率。第三，C級(jí)供電系統(tǒng)以滿足基本配置作為配置要求，有著結(jié)構(gòu)簡單、建設(shè)成本低廉的優(yōu)勢(shì)，但此類系統(tǒng)的可靠性、可用性等級(jí)相對(duì)最低，容易出現(xiàn)供電中斷、供電異常情況。

1.2供電電源要求

在數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)，供電電源要求取決于用電負(fù)荷等級(jí)，負(fù)荷等級(jí)越高，電源要求越嚴(yán)格。因此，在制訂供電方案時(shí)，工作人員必須全面了解數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目情況，以負(fù)荷等級(jí)作為方案制訂的重要依據(jù)。例如：對(duì)于一級(jí)用電負(fù)荷，必須設(shè)置兩路外部供電電源，各路電源來源于不同變電站，如果后續(xù)運(yùn)行期間出現(xiàn)一路電源故障問題，仍舊可以滿足低壓配電系統(tǒng)供電需要。對(duì)一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，則需要在供電系統(tǒng)內(nèi)額外設(shè)置應(yīng)急電源，禁止在應(yīng)急供電系統(tǒng)內(nèi)接入其他等級(jí)負(fù)荷，或是采取三路以上電源接入方式。此外，也可根據(jù)數(shù)據(jù)中心負(fù)荷需求來選擇供電方式，負(fù)荷需求較小時(shí)采取常規(guī)的外部雙路電源接入方式即可，配備應(yīng)急電源，在電網(wǎng)、應(yīng)急電源間隔部位加裝機(jī)械閉鎖裝置；負(fù)荷需求較大時(shí)，采取三路電源供電方式，各路電源來自不同變電站，或是來自相同變電站上的不同母線段，通過增加電源路數(shù)來提高供電穩(wěn)定性。

1.3供電現(xiàn)狀問題

在早期數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目，由于缺乏節(jié)能意識(shí)，在搭建供電系統(tǒng)時(shí)，強(qiáng)調(diào)于提高供電可靠性與可用性，沒有對(duì)電能利用效率問題予以充分重視，缺少相應(yīng)技術(shù)措施，多數(shù)項(xiàng)目的PUE電能利用效率超過1.4，而在《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》等政策文件與現(xiàn)行規(guī)范文件中，明確指出數(shù)據(jù)中心電能利用效率不得超過1.3，改建數(shù)據(jù)中心的PUE不得超過1.4，現(xiàn)有供電系統(tǒng)并未滿足相關(guān)要求，亟須升級(jí)改造。同時(shí)，在低壓配電系統(tǒng)供電期間，在電能質(zhì)量、供電可靠性、用電經(jīng)濟(jì)性等方面暴露出多項(xiàng)問題，對(duì)實(shí)際供電效果造成明顯影響。以電能質(zhì)量問題為例，由于接入大量變流器等電力電子設(shè)備，致使系統(tǒng)出現(xiàn)高密度、分散化的諧波源，供電質(zhì)量有所降低[2]。

22“雙碳”目標(biāo)下數(shù)據(jù)中心低壓配電系a+NJp4ZCMy+l0NO3owoEQlVVnrz+R/uR4hnln0zPkd4=統(tǒng)供電策略

2.1改進(jìn)傳統(tǒng)供電技術(shù)方案

在早期數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目，部分低壓配電系統(tǒng)采取“中壓—變送器—UPS—低壓”的供配電方案，以大功率電力電子作為UPS裝置，在供電鏈路內(nèi)，UPS裝置會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)超配電柜、變壓器、電纜等部分的供電損耗，且總體電能損耗遠(yuǎn)超出正常水準(zhǔn)。而UPS裝置損耗率過高的根本原因在于，運(yùn)行期間沒有長期維持在最佳運(yùn)行負(fù)載率，實(shí)際效率受到負(fù)載率的明顯影響。對(duì)此，在改進(jìn)傳統(tǒng)供電技術(shù)方案時(shí)，工作人員需要從UPS裝置選型、優(yōu)化控制技術(shù)兩方面著手。

第一，UPS裝置選型，UPS裝置主要分為工頻機(jī)、高頻機(jī)、類模塊化機(jī)、模塊化機(jī)4個(gè)類型，各類型裝置的效率、安全系數(shù)、可維護(hù)性、采購成本略有不同。優(yōu)先配備模塊化機(jī)，此類裝置由若干模塊相互并聯(lián)形成，具備節(jié)能模塊，憑借高精確負(fù)載率來控制少量模塊處于休眠狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際供電需求來調(diào)節(jié)模塊工作數(shù)量，并保持高壓電源、低壓電源的安全間隔距離，避免二者相互影響。同時(shí)，考慮到模塊化UPS裝置問世時(shí)間較晚，可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證，優(yōu)先配備主流型號(hào)模塊化機(jī)，以此來降低供電故障概率。第二，優(yōu)化控制技術(shù)，由新推出的IGBT控制技術(shù)來取代落后的晶閘管控制技術(shù)，無須額外設(shè)置隔離變壓器等裝置，通過簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把平均效率從85%～92%提升至87%～95%。

2.2高壓直流供電

傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)由AC/DC轉(zhuǎn)換器、電池、DC/AC轉(zhuǎn)換器三部分組成，從市電引入電流，將電流依次進(jìn)行AC—DC—AC轉(zhuǎn)換處理后，才能提供給低壓負(fù)載設(shè)備。對(duì)此，可以采取高壓直流供電技術(shù)，簡稱為HVDC技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由電池、AC/DC轉(zhuǎn)換器兩部分組成，把電流變換方式由AC/DC/AC簡化形成AC/DC，直接向數(shù)據(jù)中心內(nèi)部IT設(shè)備供電，并由IT設(shè)備內(nèi)部電源模塊來取代原有的整流器、濾波器等裝置。高壓直流供電方式自問世以來，逐漸取代了落后的UPS供電方式，以《信息通信用240V/360V直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》（GB/T38833—2020）作為技術(shù)應(yīng)用指導(dǎo)文件，并編入《國家綠色數(shù)據(jù)中心先進(jìn)適用技術(shù)產(chǎn)品目錄》當(dāng)中。根據(jù)實(shí)際供電情況來看，高壓直流供電技術(shù)有著電池不依賴逆變器、省略逆變環(huán)節(jié)、設(shè)備采購成本低廉、易于維護(hù)保養(yǎng)的顯著優(yōu)勢(shì)，可以把數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)能耗水平降低8%～10%左右，節(jié)能效果顯著[3]。同時(shí)，工作人員還應(yīng)重點(diǎn)考慮低壓配電系統(tǒng)后端IT設(shè)備、斷路器和配電柜適應(yīng)性問題、可靠性問題與可擴(kuò)展性問題，結(jié)合項(xiàng)目情況判斷是否具備高壓直流供電技術(shù)的應(yīng)用條件。

2.3巴拿馬供電

巴拿馬供電技術(shù)本質(zhì)上屬于一類高壓直流供電形式，通過省略中間環(huán)節(jié)來進(jìn)一步提升系統(tǒng)效率，綜合應(yīng)用表現(xiàn)超出常規(guī)高壓直流供電方案。在供電架構(gòu)內(nèi)，巴拿馬供電系統(tǒng)由72脈移相變壓器、調(diào)壓整流裝置、DC配電單元、IT負(fù)載組成，各路電源保持獨(dú)立架構(gòu)，負(fù)責(zé)把10kV電壓轉(zhuǎn)換為240V直流電壓，經(jīng)過變壓器輸出36相，后續(xù)經(jīng)過調(diào)壓整流與配電處理后提供給IT負(fù)載設(shè)備。常規(guī)高壓直流供電架構(gòu)由變壓器、AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC配電單元和IT負(fù)載組成，二者主要區(qū)別在于，把常規(guī)型號(hào)變壓器更換為新型移相變壓器，把AC/DC轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)變更為調(diào)壓整流環(huán)節(jié)。根據(jù)應(yīng)用情況來看，巴拿馬供電技術(shù)有著占地面積小、系統(tǒng)效率高、采購成本低廉、易于維護(hù)保養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)。正常情況下，電源占地面積僅為常規(guī)配電方案的40%，系統(tǒng)效率長期穩(wěn)定保持在80%左右，總體采購成本為傳統(tǒng)電源采購成本的70%，電源設(shè)備采取模塊化結(jié)構(gòu)，可以直接更換老化模塊。此外，推廣巴拿馬供電技術(shù)時(shí)，工作人員還應(yīng)檢查數(shù)據(jù)中心內(nèi)部IT設(shè)備是否支持直流供電方式，根據(jù)項(xiàng)目情況定制移相變壓器，量身定制一套移相變壓器維護(hù)保養(yǎng)方案，并在后續(xù)把低壓配電系統(tǒng)供電方案提交至項(xiàng)目所在地供電局進(jìn)行論證審批。

2.4光儲(chǔ)直柔直流供電

傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)以市電作為供電網(wǎng)絡(luò)核心，電流從公共電網(wǎng)流向數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)期間，由于供電半徑較大，會(huì)產(chǎn)生高昂線損量。同時(shí)，我國發(fā)電行業(yè)以火力發(fā)電形式為主，在電能生產(chǎn)期間持續(xù)消耗大量化石能源與排放二氧化碳等溫室氣體，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞。因此，可以選擇采取光儲(chǔ)直柔直流供電技術(shù)，供電網(wǎng)絡(luò)由光伏陣列、蓄電池、換流器等部分組成，把設(shè)備掛載至直流母線上。在系統(tǒng)供電期間，由光伏陣列持續(xù)把所吸收太陽輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，直流電流經(jīng)過換流器進(jìn)行DC—AC轉(zhuǎn)換處理，換流后向IT設(shè)備與機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)等負(fù)載設(shè)備供電，多余電能臨時(shí)存儲(chǔ)在蓄電池內(nèi)，夜間再控制蓄電池向負(fù)載設(shè)備釋放電流進(jìn)行不間斷供電[4]。如果光伏系統(tǒng)發(fā)電量無法滿足數(shù)據(jù)中心負(fù)荷需求，則并行搭建兩套供電網(wǎng)絡(luò)，以光儲(chǔ)直柔直流供電網(wǎng)絡(luò)為主，UPS供電網(wǎng)絡(luò)或是高壓直流供電網(wǎng)絡(luò)為輔。如此，可以最大程度地減輕數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)對(duì)外部電源的依賴程度，把總體線損量控制在合理范圍內(nèi)，并由光伏發(fā)電形式取代落后的火力發(fā)電形式，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)電、用電的目標(biāo)。

2.5優(yōu)選備用電源配置方案

數(shù)據(jù)中心應(yīng)急電源主要采取分布式低壓配置、分布式中壓配置、集中式中壓配置等多種配置方式，不同配置方案下的油機(jī)系統(tǒng)效率存在明顯差異。對(duì)此，在制訂備用電源配置方案時(shí)，工作人員必須對(duì)各套配置方案進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，從中挑選綜合評(píng)分最高的方案，作為最終備用電源配置方案。第一，油機(jī)系統(tǒng)效率。分布式低壓方案選擇在變壓器低壓側(cè)進(jìn)行一對(duì)一切換，系統(tǒng)效率相對(duì)最高，優(yōu)先采取這一配置方式。相比之下，分布式中壓方案選擇在變壓器高壓側(cè)一對(duì)一切換，集中式中壓方案選擇在并機(jī)處理后于變壓器高壓側(cè)切換，這都需要額外經(jīng)過一次變壓器，從而產(chǎn)生更高的變壓器能量損耗，這無疑會(huì)抬高系統(tǒng)能耗水平，不宜采取這兩類電源配置方式。第二，電源可靠性。分布式低壓方案通過ATS裝置來切換油機(jī)和低壓負(fù)載，分布式中壓方案選擇于變壓器高壓側(cè)切換、后續(xù)向低壓負(fù)載送電，集中式中壓方案是在并機(jī)與高壓側(cè)切換完畢后向低壓負(fù)載送電。在送配電路徑內(nèi)，設(shè)備串聯(lián)數(shù)量與供電可靠性成反比，串聯(lián)數(shù)量越多，則故障點(diǎn)越多、供電可靠性越低，優(yōu)先采取設(shè)備串聯(lián)數(shù)量較小的分布式低壓配置方案[5]。第三，機(jī)房環(huán)保系數(shù)。分布式低壓方案配備低壓發(fā)電機(jī)，其他2套電源配置方案則配備大型電通量發(fā)電機(jī)。由于低壓發(fā)電機(jī)規(guī)格尺寸略小于大型電通量發(fā)電機(jī)，無須額外安裝機(jī)組控制面板，有利于減少系統(tǒng)造價(jià)成本，不會(huì)消耗過多資源，優(yōu)先采取分布式低壓配置作為備用電源配置方案。

3結(jié)語

綜上所述，為及早實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)，消除數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的負(fù)面影響。工作人員應(yīng)將改進(jìn)供電方案作為突破口，深入了解數(shù)據(jù)中心供電情況，找出現(xiàn)有問題，積極落實(shí)改進(jìn)傳統(tǒng)供電技術(shù)方案、高壓直流供電、巴拿馬供電等多項(xiàng)改進(jìn)策略，建設(shè)高規(guī)格綠色數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目，取得顯著的項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益及生態(tài)效益。

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