數據中心供配電系統發展趨勢分析

李燕

（優刻得科技股份有限公司，北京100044）

1 引言

隨著云計算與AI 技術的迅速發展，數據中心基礎設施迎來了巨大的發展機遇，也面臨著空前的挑戰。現有的大多數據中心均使用相同的配電架構為IT 設備配電。然而，數據中心在用電方面已然發生了巨大變化，特別是功率密度升高、用電量攀升給傳統的配電系統帶來了很大的挑戰。

2 現階段數據中心配電系統

數據中心配電系統主要包含中壓配電系統、低壓配電系統、不間斷電源配電系統、柴油發電機組系統等。根據數據中心的建設規模，中壓配電系統可選擇直接市政引入10kV 電源，也可以選擇自建35kV 變電站或110kV 變電站。低壓配電系統根據數據中心等級按照GB 50174—2017《數據中心設計規范》的附錄A 配置。不間斷電源系統負載包含IT 設備和動力設備。IT 設備用不間斷電源主要為UPS 和高壓直流HVDC，采用UPS 系統2N 冗余配置，或1 路市電加1 路HVDC。動力設備普遍采用UPS 系統N+1 冗余配置。柴發系統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據中心的規模、投資、運維等方面綜合決定。當前大型數據中心主要應用10kV 柴發機組作為備用電源。

3 未來數據中心配電趨勢

傳統數據中心配電系統存在系統割裂且復雜、占地面積大、故障定位難等問題，如何簡化供電架構，減少占地面積，縮短施工周期，是未來數據中心配電發展的趨勢。同時，綠色節能和邊緣數據中心對供配電系統提出了挑戰。

3.1 預制模塊化配電

數據中心作為一項重資產的投資，如何以總體相當的成本，加快部署速度，減少空間占用，增加靈活性成為數據中心的發展趨勢。預制化是一種預先設計、組裝、集成和測試的物理基礎設施系統，可作為標準化“即插即用式”模塊。預制化可以實現數據中心建設的“去工程化”，縮短大型數據中心建設周期，降低前期高昂成本投入和可能發生的施工延期風險。

配電系統的預制化可以有多種形式。以外觀特征區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。國內數據中心建筑以土建結構為主，配電模塊的預制化以機房內安裝為主流。根據預制化程度不同，一種預制化方式為一體化模塊，將低壓配電室單列設備統一預制在底座上，可滿足消防通道要求，但需要對建筑結構特殊處理才能滿足現場吊裝要求，應用場景不具有通用性。另一種預制化方式為拼裝式模塊，低壓側各配電環節通過預制母排連接，現場進行組裝式拼裝。當前市場上較前沿的預制化產品為將不間斷電源與輸入輸出柜模塊化，做成標準的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 設備，將傳統配電環節中的中壓配電、變壓器、低壓配電和HVDC 集成到一起，減少配電環節，一方面節省了占地面積，提升機房利用率，另一方面可以實現快速部署，縮短施工周期[1]。

圖1 預制化電力模塊的一種解決方案

3.2 鋰電池替代鉛酸電池

不間斷電源系統是數據中心供電的核心部分，而電池是不間斷電源系統的重要組成之一。目前，數據中心備用電池普遍采用閥控鉛酸蓄電池，以400kV·A UPS 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 的數據中心，電池室面積大約需要800m2。隨著數據中心規模的不斷擴大，蓄電池室的占地面積可想而知。蓄電池對運行環境溫度要求比較高，一般要求約為25℃，長期處于浮充狀態，且隨著充放電頻率增加，充放電效率逐漸下降，導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境也造成了很大的污染。

鋰電池能量體積密度約200～300W·h/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、運維簡單等優點。與此同時，鋰電池的循環壽命高于鉛酸電池，100% DOD 的循環壽命3 000 多次，可以利用這一特性實現波谷儲能，波峰放電，從而有效降低數據中心的能耗成本支出。此外，隨著邊緣數據中心的需求擴大，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

數據中心規模的不斷加大，其電力消耗也在不斷增長。巨大的用電容量給數據中心的建設和運營以及電網的運營都帶來了巨大的壓力。當前數據中心主要是在建筑屋頂設置分布式光伏發電，所產電能主要給運維辦公區域和公共區域照明、空調等不重要負荷供能，年發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據中心提供高可靠性電力是限制綠色數據中心發展的一大難題。

2019 年，國家電網公司提出了“泛在電力物聯網”。對于數據中心而言，泛在電力物聯網利用先進信息通信技術，對眾多的分布式能源進行控制，充分發揮不同區域內分布式能源的互補特性，更好地滿足數據中心用戶對多種能源的需求。柔性直流供配電技術具有功率獨立控制、無無功補償問題、可以實現潮流反轉等優勢，是組建能源互聯網的一種有效方案。阿里張北數據中心柔性直流輸配電工程的成功實施，對未來數據中心直流入戶起到引領作用。數據中心是典型的交直流負荷并存的高能耗負荷中心，接入綠色能源的數據中心低壓配電側可設置直流配電母線和交流配電母線，分別供給直流設備和交流設備。與傳統交流配電相比，交直流配電方案可減少電能變換環節、提高供電效率。

3.4 邊緣數據中心配電

隨著大量5G 網絡的建設，邊緣計算數據中心的爆炸性需求即將到來，數據中心從原來的集中式架構逐步轉變為分布式架構。邊緣數據中心大部分部署在運營商接入機房內。然而，原有通信機房供電資源差異大，大多數機房只有一路市電，少量機房有兩路市電，而且大多數機房無法放置油機，甚至出現異常斷電時，備電時長小于移動油機到達機房時長，難以滿足現有國家標準的評級標準。此外，接入、傳輸、交換、核心等多種設備供電需求不一致，多種業務對備電時長要求差異較大，備電方案復雜。為應對邊緣數據中心對配電架構的挑戰，匹配業務融合需求，需要一體化的供配電架構，高度集成不同ICT 設備和交直流電源、制冷、監控等的模塊化解決方案是未來的技術趨勢[2]。

4 結語

互聯網業務側數據和流量需求的激增，要求數據中心必須實現快速部署，更多數據中心將實踐配電系統模塊化的建設理念。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勢更加突出。同時，節能減排、利用清潔能源是數據中心發展的大勢所趨。