智能一體化電源應用分析

韓曉雷，孫 楊，潘洪濤

（1.中國移動通信集團河北有限公司，河北 石家莊 050000；2.中國移動通信集團設計院有限公司河北分公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

隨著數據中心的快速發展，其對供電系統的可靠性、節能性以及可持續性等提出了更高的要求[1]。供電系統是整個數據中心基礎設施中最重要的組成部分，其供電技術和模式也朝著模塊化、預制化、智能化以及精簡化等方向進行發展和演變[2]。

1 智能一體化電源系統

智能一體化電源系統集成了10 kV/0.4 kV變壓器、低壓配電柜、模塊化通信電源以及輸出配電單元等模塊。智能一體化電源系統取消了傳統架構中電壓轉換的眾多中間設備，使供電環節一步到位，具備高效性和可靠性。

智能一體化電源系統采用模塊化組成方式，內部集成了變壓器、低壓配電、模塊化電源以及配電輸出等部分。系統集中部署，將傳統相互獨立的設備進行重構，形成最佳顆粒度容量的模組[3]。同時，系統間采用母排連接方式，有效減少了配電環節和電纜布放，解決了多廠家設備的并接問題。智能一體化電源系統統一設計，設備規格標準化，最大限度優化設備空間。相對傳統配電系統，減少了機房占用面積，實現了配電系統集中化布置。此外，智能一體化電源系統內部設置集中監控管理系統，可以實時掌握系統中各個設備的實際運行狀況信息。監控管理系統具備遙測、遙信、遙控功能，可以實現溫度、工作電壓、負載電流以及蓄電池充/放電電流等參數控制。同時，系統對設備狀態進行監測，包括輸出電壓過壓或欠壓、蓄電池熔斷器狀態、蓄電池充電狀態、主要分路熔斷器或斷路器的開關狀態以及蓄電池二次下電等[4]。集中監控管理系統設計解決了各設備間不同協議轉換的問題，無需額外配置動環監控系統，有效提高了系統的兼容性，為設備供電安全提供保證。圖1為智能一體化電源演進示意圖。

圖1 智能一體化電源演進示意圖

智能一體化電源系統采用預制式供配電模組，通過工廠預制銅排進行連接。施工采用即插即用方式，有效縮短了工期。預制式模組降低了建設單位的管理風險，可以實現數據中心的快速部署。

2 應用案例分析

2.1 工藝負荷需求

為滿足業務發展，建設2 000個機架，單機架功耗為5 kW，安裝在8個IT機房，總功耗需求約為10 000 kW，采用市電+不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）供電方式。

2.2 傳統建設方案

2.2.1 設備配置

根據IT業務需求，采用傳統建設方案需要在機房配電室8臺2 500 kV·A變壓器，組成4套2N冗余配電系統。正常運行時，每臺變壓器帶載率為50%。當其中一臺出現故障時，另一臺承擔100%負載[5]。通信電源側配置41套240 V高壓直流（High Voltage Direct Current，HVDC）電源，供電方式采用市電+240 V高壓直流電源。單套系統輸出負荷按260 kW考慮，冗余模塊按N+1（N≤10）冗余方式配置。每套系統配置240 V/700 W蓄電池4組，系統后備時長15 min。

2.2.2 機房布局

采用傳統方案時，需占用4個電力機房（1個低壓配電室和3個電力電池室），安裝41套240 V高壓直流電源，占用機房面積約2 000 m2。

2.3 一體化集成電源方案（直流240 V供電方式）

2.3.1 建設方案

一體化240 V高壓直流電源系統構成圖2所示。采用多繞組移相變壓器，輸出為多相位電壓，直接接入240 V整流模塊單元，縮減了從10 kV變壓器輸入到240 V高壓直流輸出的多級配電[6]。移相變壓器輸出為多相位電壓，變壓器輸出側無法設置集中聯絡柜。當供電系統采用市電+不間斷電源傳統模式時，IT負載雙路電源分別從一體化240 V高壓直流電源和市電輸出引接[7]。當240 V直流電源側的變壓器設備故障時，IT設備僅由市電進行供電，供電安全性有所降低。為了提高供電安全性，一體化240 V高壓直流電源需采用2N架構設置。

圖2 一體化240 V高壓直流電源系統構成

2.3.2 設備配置

根據IT負荷需求，采用一體化240 V高壓直流電源方案需要在機房內配置10套2.4 MW巴拿馬電源系統，組成5套2N系統。電源系統采用2N供電模式，造成投資成倍增加。為了合理降低蓄電池投資，每套2N系統電源采用共用蓄電池組方案。通過在組成2N系統的兩套一體化240 V高壓直流電源之間設置電池聯絡母線，實現系統間蓄電池組共用。每套系統配置240 V/1 500 W蓄電池4組，系統后備時長為15 min。

2.3.3 機房布局

采用一體化240 V高壓直流電源方案時，共安裝10臺2.4 MW電源設備，需要占用3個電力機房，占地面積約1 500 m2，可剩余1個電力用房。相對傳統電源方案，可以有效節約500 m2機房占用面積，后期可以作為發展機房使用。

2.4 一體化集成電源方案

2.4.1 建設方案

一體化220 V交流電源系統集成了10 kV/0.4 kV變壓器、低壓配電柜、模塊化UPS以及輸出配電單元模塊，可以為大型數據中心提供兆瓦級的供電、配電、備電一體化解決方案。通過一體化設計和高密部件集成，減少電力系統占地。通過預制化、去工程化，降低交付復雜度，縮短部署工期。通過智能特性，實現全鏈可視化管理和預測性維護，保障系統運行安全[8]。

2.4.2 設備配置

根據工藝需求，共配置10套一體化UPS集成電源系統，每套電源系統輸出1 200 kV·A UPS電源和1 000 kV·A市電電源。UPS供電部分采用模塊化設計，模塊按N+1冗余考慮，系統容量按90%負載率設計，蓄電池后備時長按15 min設計。兩套一體化集成電源系統組成2N的供電方式，系統間設置母聯。正常運行時，每臺變壓器帶載率為50%，當其中一臺變壓器出現故障時，另一臺變壓器可通過聯絡帶載全部負荷。IT負載設備采用雙路供電，從UPS電源和市電各引接一路，實現市電+不間斷電源供電方式。

2.4.3 機房布局

采用一體化220 V交流電源方案時，新增10套一體化UPS集成電源系統，需要占用3個電力機房，占地面積約1 500 m2，可剩余1個電力用房。相對傳統電源方案，可以有效節約500 m2機房占用面積，后期可以作為發展機房使用。

2.5 方案比較

各方案比較如表1所示。

表1 方案對比

3 結 論

智能一體化電源系統具有模塊化、集中化、數字智能化以及產品預制化等特點，可以有效節省機房空間并縮減建設周期，高度契合目前數據中心產品化、高可靠、高效能以及快速部署等核心需求，在數據中心建設中具備明顯優勢，可以為數據中心機房供電安全提供有效保障。