多站融合工程中的數據中心配電方案優化

徐立波 祝燕萍 張治乾 蔣興新 夏 亮

多站融合工程中的數據中心配電方案優化

徐立波1祝燕萍2張治乾1蔣興新2夏 亮2

（1. 上海電力設計院有限公司，上海 200025； 2. 國網上海奉賢供電公司，上海 201499）

本文首先介紹數據中心分級及配電系統要求，分析A級和B級數據中心常規配電方案特點；然后針對多站融合工程的特點，提出采用第三路電源代替柴油發電機、市電或直流直供數據機柜的優化建議，并探討采用飛輪儲能代替后備電池的可行性；最后形成四個數據中心優化配電方案。本文所提方案具有系統結構簡單、效率高、低碳環保等優點，可充分發揮多站融合工程的融合優勢。

多站融合；數據中心；配電方案；城市供電；直流供電；飛輪儲能

0 引言

多站融合工程是在充分利用密集分布的電網變電站資源基礎上，將數據中心站、光伏電站、儲能站、充電站和5G基站等相融合，具有資源集約、系統融合和功能互補等特點，已逐漸成為一種新的工程解決方案[1-3]。

近年來，受云服務商和互聯網企業業務需求驅動，數據中心市場持續高速發展[4]。配電系統是數據中心的重要組成部分，對于保障系統安全可靠運行極為關鍵。數據中心配電系統一方面需要冗余配置以提高可靠性，另一方面為滿足日益提高的能效要求需要精簡配置以提升配電效率。因此，合理的數據中心配電方案對于提高系統運行可靠性和節能減排能力至關重要。

文獻[5]針對數據中心常用的雙重化、分布冗余和后備冗余三種供配電系統，從系統構架、可用度、建設成本、運營成本和運維難度等方面進行對比分析，提出了選型建議。文獻[6-8]提出數據中心采用240V直流配電方案，蓄電池直掛于直流母線上，綜合建設靈活度、成本、可靠性和可維護性，該方案具有顯著優勢。文獻[9]提出一種利用光儲一體化微電網保障數據中心負荷的供電策略。文獻[10]探討智能變配電系統在數據中心的應用，以提高數據中心電源的可靠性、可用性和系統運維效率。文獻[11]對后數據中心供配電系統進行展望，提出市電直供、分布式供電和智能化運維是今后的發展 趨勢。

上述研究對數據中心配電系統提出了各種配電優化方案和策略，但未針對多站融合工程進行相應的優化設計。本文結合多站融合工程的特點，對數據中心配電系統提出針對性優化建議。

1 數據中心機房分級

按照GB 50174—2017標準的要求，將數據中心根據對經濟或社會造成的損失或影響共分為A、B、C三級，具體的數據中心機房分級標準及技術要求見表1[12]。

表1 數據中心機房分級標準及技術要求

A級數據中心配電系統要求最高，需按雙系統容錯設計，不具備第三路電源供電條件時應配置柴油發電機作為備用電源。B級和C級數據中心配電系統一般不需要配置柴油發電機，且對變壓器、不間斷電源（uninterruptible power supply, UPS）及后備電池的配置要求也低于A級數據中心。

2 數據中心常規配電方案

多站融合工程中，數據中心主要分為大型集中式和小型分布式兩類。大型集中式數據中心機架規模一般超過3 000個，實現海量數據存儲與計算，等級以A級為主；小型分布式數據中心機架規模一般不超過300個，甚至小于100個，以提供云計算、邊緣計算功能，等級以B級為主。

2.1 A級數據中心常規配電方案

A級數據中心常規配電系統如圖1所示，A級數據中心常規配電系統采用“2”架構，中、低壓配電柜、變壓器、UPS和列頭柜均采用雙套容錯配置，另配置中壓柴油發電機作為后備電源。

2.2 B級數據中心常規配電方案

B級數據中心常規配電系統如圖2所示，B級數據中心常規配電系統采用“+1”架構，無需配置柴油發電機，后備電源由UPS蓄電池提供。需要說明的是，當=1時，“+1”架構與“2”架構一致，考慮到小型分布式數據中心配電容量較小，通常單臺配電變壓器為所有負荷供能，因此此處僅體現=1的配電系統。

圖1 A級數據中心常規配電系統

圖2 B級數據中心常規配電系統

3 數據中心配電優化措施

3.1 第三路電源代替柴油發電機

A級數據中心常規配電系統采用柴油發電機作為備用電源。而根據GB 50174—2017《數據中心設計規范》第8.1.12條，A級數據中心備用電源除了柴油發電機外，也可采用獨立于正常電源的第三路電源。

柴油發電機供電可靠性高、連續性好，已成為數據中心備用電源的典型配置，但存在占地空間大、維護難度高和環境不友好等缺點。多站融合工程中，數據中心靠近變電站布置，變電站除能提供兩路電源外，與其他工程相比，更容易實現獨立于正常電源的第三路電源供電，可將變電站的第三路電源用于數據中心的備用電源，節省柴油發電機系統投資，減少運維工作量，同時減少柴油發電機運行時產生的碳排放，實現低碳環保。

此外，備用電源與正常供電電源切換需要一定的時間。由于柴油發電機從起動到額定功率輸出需要一定的時間，所以柴油發電機作為備用電源時，切換時間較長，通常為數分鐘；專用饋電線路可通過快切回路切換，切換時間較短，通常為數秒鐘。切換時間縮短后，可顯著減少UPS電池或儲能裝置的備用時間。

3.2 市電直供數據機柜

數據中心常規配電系統采用UPS實現電子信息設備的供電。根據GB 50174—2017《數據中心設計規范》第3.2.2條，A級數據中心同時滿足下列要求時，電子信息設備的供電可采用不間斷電源系統和市電電源系統相結合的供電方式。

1）設備或線路維護時，應保證電子信息設備正常運行。

2）市電直接供電的電源質量應滿足電子信息設備正常運行的要求。

3）市電接入處的功率因數應符合當地供電部門的要求。

4）柴油發電機系統應能夠承受容性負載的影響。

5）向公用電網注入的諧波電流分量不應超過現行國家標準GB/T 14549—93《電能質量公用電網諧波》規定的諧波電流允許值。

由于多站融合工程數據中心靠近變電站布置，數據中心的電源一般來自就近變電站的中壓饋線，其電能質量、功率因數、諧波分量通常能夠滿足上述要求，因此具備采用不間斷電源系統和市電電源系統相結合的供電條件。

3.3 直流直供數據機柜

常規機柜供電電源采用交流220V供電，以便于市電或UPS的接入。隨著數據中心直流供電方案的日趨成熟，越來越多的服務器電源模塊支持高壓直流電源的接入。常見的直流電源電壓有DC 336V和DC 240V。

某品牌高密度服務器支持交流100～240V、直流36～75V、直流192～288V和直流260～400V四種電源規格供電方式。可見，新一代的服務器供電電源已朝著寬電壓、交直流電源通用化的方向發展，這為數據中心配電系統設計方案的多樣化創造了條件。

數據中心直流配電系統原理如圖3所示，數據中心直流配電系統主要由交流輸入單元、整流模塊、蓄電池、直流配電單元、電池管理單元、絕緣監測單元及監控模塊組成。在市電正常時，整流模塊將交流配電單元輸出的AC 380V轉換成DC 240V。直流配電系統經服務器的電源模塊給通信設備供電，同時也給蓄電池充電。在市電異常時，由蓄電池給通信設備供電。

圖3 數據中心直流配電系統原理

與傳統的UPS技術相比，采用直流直供數據機柜具有以下優點：

1）系統效率較高。采用高頻軟開關技術的直流系統效率可高于96%，體積更小。直流的輸入功率因數高、諧波小、輸出負載率高。節能休眠技術可提升輕載下的系統效率，減少機房初期的運行能耗。

2）系統可靠性高。系統拓撲簡單，蓄電池直接連接在輸出母線上，若整流模塊發生故障，短時間內不影響系統供電。

3）安全性高。與傳統UPS相比更安全，輸出浮地，即使誤碰單極母線也不會造成觸電事故。直流母線電壓低于交流配電系統。

4）具備替代可行性。240V直流可直接在絕大多數的標準交流設備上使用，數據機柜無需定制電源及設備改造，容易推廣。

3.4 飛輪儲能代替后備電池

目前數據中心配電系統多采用鉛酸電池或磷酸鐵鋰電池作為UPS的后備電源。鉛酸電池存在能量密度低、內部含有重金屬、易產生土壤環境污染等缺點；磷酸鐵鋰電池的安全性也日益受到關注。因此，采用鉛酸電池或磷酸鐵鋰電池作為機柜的后備電源不是最佳的解決方案。

飛輪儲能作為一種新型的儲能方式，在國外發展已有十余年，技術方案成熟，在不間斷電源和改善電能質量的場景中應用廣泛[13]。它由轉子、軸承系統、真空室、電機控制系統及機組快速起動模塊組成，具有使用壽命長、充電時間短、工作效率高、響應速度快、工作溫度要求低和維護簡單等優點[14]。

飛輪儲能的工作原理是在市電斷電時通過飛輪設備儲存的機械能為UPS持續供電幾秒至數十分鐘的時間，直至后備柴油發電機起動或專用饋線接入后為負載供電，可代替電池組作為數據中心UPS的后備電源。

目前，國內已有專門用于數據中心供電的飛輪儲能UPS產品問世，并已有具體工程應用。圖4為飛輪儲能UPS系統原理，飛輪儲能系統由飛輪、飛輪整流器和飛輪控制系統等部分組成，飛輪需經過飛輪整流器接入UPS系統中。

圖4 飛輪儲能UPS系統原理

針對UPS后備電源的應用場景，飛輪與鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池的參數對比見表2[13-14]。

表2 飛輪與鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池參數對比

由表2可知，與電池儲能相比，飛輪儲能在使用壽命、充電時間、工作溫度要求、維護周期和占地面積上有顯著優勢。飛輪儲能的主要缺點是連續放電時間短，一般在15s～15min之間。結合數據中心應用場景，對于專用饋電線路切換場景，額定連續放電時間可取30s；對于柴油發電機作為后備電源的場景，為滿足規范要求，額定連續放電時間可取15min。

為容量500kV·A的UPS配置的單臺飛輪和鉛酸電池初始投入和運行成本對比見表3。根據國內某飛輪廠家報價，額定功率250kW、額定連續放電時間30s和15min的飛輪設備（不含UPS）費分別為75萬元、95萬元，500kV·A的UPS需配置2套飛輪設備，對應設備費為150萬元、190萬元。備電15min的鉛酸電池組設備費為28萬元。初期投入成本上，飛輪儲能顯著高于鉛酸電池儲能。

表3 飛輪與鉛酸電池15年使用期成本對比 單位: 萬元

飛輪儲能使用壽命可達15年，因此15年使用期內無需更換，僅需對飛輪軸承進行定期維護。飛輪軸承的年維護成本按設備費的1%計算。鉛酸電池使用壽命通常為5年，在15年使用期內需更換2次，電池年損耗成本按設備費的2%計算。總運行成本上，飛輪儲能顯著低于鉛酸電池儲能。

設備布置方面，與鉛酸電池方案相比，額定連續放電時間30s和15min的飛輪儲能均可節省約1/3的占地面積。需要注意的是，15min飛輪儲能設備重達10多噸，需布置于地上一層；30s飛輪儲能設備約重2噸，布置時不受樓層限制。

根據以上對比分析，飛輪儲能雖然具有前期投資較大的缺點，但與電池儲能相比，具有維護簡單、運維費用低、工作溫度要求低、不存在化學老化過程等優點，可在高標準數據中心場景中試點應用。對于成本敏感的數據中心，建議選用電池作為UPS的備用電源。

4 數據中心配電方案優化

4.1 A級數據中心采用第三路電源方案

針對多站融合工程特點，結合前述配電系統優化措施，形成了適用于多站融合工程的兩個A級數據中心配電系統方案。

多站融合工程中的A級數據中心配電系統方案一如圖5所示，采用2路市電+1套UPS+第三路專用饋線的供電模式。A級數據中心的備用電源采用獨立于正常電源的第三路專用饋線，取代常規的柴油發電機組。第三路電源一般來自與常規兩路電源不同的供電分區，以保證供電系統可靠性。

圖5 A級數據中心配電系統方案一

根據GB 50174—2017《數據中心設計規范》的附錄1，當A級數據中心選用柴油發電機作為備用電源時，UPS電池的最少備用時間應不低于15min，且柴油發電機燃料存儲量應滿足12h用油或大于外部供油時間（外部供油有保障時）；當A級數據中心選用專用饋電線路作為備用電源時，一方面無需配置額外備用柴油發電機，另一方面UPS電池的最少備用時間也可進一步縮短，一般僅需滿足專用饋電線路快速切換時間即可（一般不超過15s），可按5min配置UPS電池容量或30s配置飛輪儲能能量。

此外，由于數據中心鄰近變電站布置，數據中心的電源通常直接來自變電站中壓饋線，其電能質量、功率因數、諧波分量通常能夠滿足規范要求，正常供電電源可采用2路市電+1套UPS方案，數據機柜一路電源由市電直供，另一路電源由UPS供電，以節省一套UPS設備投資，提高供電效率。

方案一采用第三路電源代替柴油發電機和市電直供優化措施，以充分利用多站融合工程中變電站電源點多、供電可靠性高、電能質量好的優勢。

多站融合工程中的A級數據中心配電系統方案二如圖6所示，同樣采用2路市電+1套UPS+第三路專用饋線的供電模式。與方案一不同的是，方案二的數據機柜電源分配單元（power distribution unit, PDU）采用一路交流電源和一路直流電源。一路交流電源直接來自市電，一路直流電源來自直流配電設備。直流配電設備的電源來自經自動轉換開關（automatic transfer switch, ATS）電器切換的兩路交流市電。方案二在方案一的基礎上，進一步采用直流直供優化措施，適用于數據機柜PDU同時支持交直流供電的場景，以進一步提高數據中心配電效率和可靠性。方案二的數據機柜交直流混合供電模式已在互聯網公司和移動運營商的數據中心中廣泛應用[12]。

圖6 A級數據中心配電系統方案二

方案一和方案二的配電系統正常運行時，低壓配電柜A和B各帶一半負載，一半的數據機柜由市電直供，另一半的數據機柜由UPS或直流配電設備供電，以避免配電設備長時間高負載運行。

4.2 B級數據中心采用市電直供方案

針對多站融合工程特點，還形成了兩個適用于多站融合工程的B級數據中心配電系統方案。

B級數據中心配電系統方案一和方案二分別如圖7和圖8所示。與A級數據中心配電系統的兩個方案相比，兩個方案均相對應地取消了第三路電源，其余保持一致。

圖7 B級數據中心配電系統方案一

圖8 B級數據中心配電系統方案二

5 結論

針對多站融合工程的特點，對常規數據中心配電系統進行了優化，提出采用第三路電源代替柴油發電機，以及通過市電或直流電源直供數據機柜的優化措施，形成了A級和B級數據中心各兩種配電方案，具有系統結構簡單、效率高、低碳環保等優點，充分發揮了多站融合工程的融合優勢。

此外，對采用飛輪儲能代替后備電池的可行性進行了探討。飛輪設備雖然價格高昂，但與電池相比，具有使用壽命長、運維費用低、節省占地等優勢，特別是A級數據中心優化方案中采用第三路電源代替柴油發電機，飛輪儲能能量可按30s配置，可在一定程度上節省設備投資和占地面積，使飛輪儲能方案更具競爭力。因此，可在高標準數據中心場景中試點應用飛輪設備。

目前，國內生產飛輪儲能設備的廠家較少，研發成本高昂。飛輪材料主要由鋼材和電子元器件組成，材料成本低，在飛輪大規模制造后成本將大幅下降。當飛輪設備價格與電池相當后，將具有代替電池儲能作為UPS后備電源的競爭力，并在數據中心配電系統中推廣應用。

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Optimization of power distribution scheme for data center in multi-station integration project

XU Libo1ZHU Yanping2ZHANG Zhiqian1JIANG Xingxin2XIA Liang2

(1. Shanghai Electric Power Design Institute Co., Ltd, Shanghai 200025;2. State Grid Shanghai Fengxian Electric Power Supply Company, Shanghai 201499)

The classification of data centers and the requirements of power distribution systems are introduced firstly, and the characteristics of conventional power distribution schemes for class A and class B data centers are analyzed. Secondly, aiming at the characteristics of the multi-station integration project, the optimization suggestion of using the third power supply to replace diesel generator, commercial power or DC direct supply data cabinet is put forward, and the feasibility of using flywheels to replace backup batteries is discussed. Finally, a four optimized power distribution scheme for data centers is proposed. The scheme has the advantages of simple system structure, high efficiency, low carbon and environmental friendliness, and gives full play to the integration advantages of the multi-station integration project.

multi-station integration; data center; power distribution scheme; city power supply; DC power supply; flywheel energy storage

2022-01-04

2022-02-21

徐立波（1988—），男，碩士，高級工程師，主要從事變電站電氣設計工作。

國網上海市電力公司科技項目（5209232000AY）