大型數據中心供電電源自控技術研究與應用

朱 宇

（中時訊通信建設有限公司，廣東廣州 510030）

0 引言

數據中心中涵蓋了大量的數據信息，其中不乏巨大商業價值、研究價值的信息內容，鑒于此,應保證數據中心運用的安全性和可靠性。為確保數據中心電能供應的穩定性，應擬定、選用可靠性強、安全性高的供電方案，低壓配電系統是數據中心最為常見的配電辦法。

1 數據中心綠色節能機房電氣設計的需求分析及設計思路

1.1 需求分析

綠色節能數據中心機房電氣設計的主要要求包括3 個方面：（1）數據中心電氣系統應急電源的選擇應考慮柴油發電機，開關應根據實際情況靈活操作；（2）配置不間斷電源時，應以2N 為標準。在選擇應急備用電池時，請確保其使用時間大于15min。（3）在配置數據中心電氣系統時，應以容錯系統的相關標準為依據。在電氣系統運行過程中，應避免各種外部因素，如外部電源的停止、設備的故障、電氣系統的錯誤操作和拒絕運行。

1.2 設計原則與思路

在電氣系統設計工作中，應嚴格遵循電氣設計行業的要求，此外，還應充分考慮計算機軟硬件的發展趨勢，通過電氣設計的優化和調整為企業數據信息的保存、傳輸和集成提供全面的保障。同時，按照環保節能的理念使機房達到綠色節能的要求[1]。因此，在設計綠色節能機房時，應嚴格遵循安全可靠、靈活運行、節能發展的原則，確保數據中心機房符合我國可持續發展、綠色建筑發展的理念。

2 智慧城市數據中心組成

2.1 硬件基礎設施

智慧城市的數據處理系統由計算機網絡、伺服系統存儲、負載均衡等組成。在此基礎上，以IRSAN 為核心的局域網系統具有快速、安全、方便的特點。首先，對用戶基本數據、主題數據、協同數據進行監控和過濾，實現合理高效的局域網、服務器存儲、負載均衡等功能。其次，對相關硬件進行測試驗證，對服務器的存儲進行檢查，并對系統的負載進行測試，最后對系統進行加載，完成智慧城市信息系統的日常運維[2]。智能數據中心的合理設計，將實際需求、狀態評估、設計實施、運維等多種因素結合在一起，設計指標和參數，實現對數據中心網絡服務器的實時監控，為數據中心的工作提供了良好的保障。

2.2 中央數據庫

智慧城市的本質是對大量信息的智能處理、收集、存儲、分類、重組和重用。數據存儲技術是數據存儲、建模、分析等技術的關鍵技術，能夠以永久的形式存儲和分析大量數據。通過對數據模型的重構，建立雪花型和星星型數據的分析邏輯，實現多維數據的高效集成。通過使用數據模型技術，可以使不同維度的多維數據直接或間接地與實際相關聯。可以對數據進行分析和建模，為實時分析、統計分析等工作提供強有力的支持。

2.3 大數據中心

在分析和應用數據時，需要充分考慮數據的時空演變特征，從多個角度分析數據之間的關系。在智慧城市建設中，需要的數據主要包括互聯網應用、行業應用、政府信息等。智慧城市建設是政府發揮自身職能的重要體現。因此，基于政府內部網和外聯網，充分利用數據交換平臺對數據進行分析和挖掘，建立統一的支持各種智能系統的數據中心，實現數據之間的有效處理，為用戶提供全面的數據服務和數據安全。

3 數據中心綠色節能

低壓配電系統由UPS (Un-interruptible Power Supply)配電系統、防雷接地分系統和安全分系統組成。

3.1 UPS 配電系統設計

數據中心的不間斷電源由UPS 配電系統提供。該系統采用雙母線技術，由2 臺UPS 組成。該系統的主要功能是為數據中心服務器、機柜設備和監控中心計算機提供足夠的電力。2 臺UPS 均采用獨立的主電源。在供電正常的情況下，UPS 能夠提供穩定的供電和負載。此外，它還可以利用機器中的電池來儲存電能。當電源中斷時，UPS 在第一時間通過逆變器將存儲在蓄電池中的電轉換成電能，不間斷地向負載提供電能，保證負載正常穩定運行，避免電源中斷造成硬件損壞。當系統運行過程中出現低壓、瞬態高壓、電涌等問題時，UPS 系統也能在第一時間發揮其保護價值。鑒于此，在設計節能綠色電氣系統時應科學使用UPS 系統，保證其工作狀態的穩定和安全[3]。數據中心機房有2 個PDU(Power Distribution Unit)。確保每個機箱有2 個獨立的UPS 電路為機箱供電。機柜通過地板下的走線槽向機柜供電。安裝插座時，請注意防止漏電，以保證安全運行和持續可靠的電源供應。

3.2 數據中心綠色節能機房照明系統設計

在設計照明系統時，應主動與施工方溝通，詳細分析數據處理系統的規劃布局。在溝通過程中，建設者應主動引進低消耗、高效率的服務器，并根據不同模式劃分服務器類型，以保證電氣系統設計的合理性，使其能夠滿足系統的實際要求，并確保UPS 的設計和配置在滿足實際使用要求的同時還要有足夠的剩余量。此外，在設計過程中，應嚴格按照相關規范中提到的照明要求，控制和優化機房不同區域的照明。以信息機房的室內照明設計為例，其亮度應控制在500lx 以上，機房輔助區域的照明度也應大于300lx，以滿足規范標準的要求。此外，應急照明的亮度應大于50lx。

3.3 數據中心機房綠色節能防雷接地系統設計

防雷接地系統是數據中心機房最關心的對象。根據實際情況，兩級防雷節點系統在數據中心低壓配電系統的運行中發揮著重要作用。一級防雷接地系統(60kA)一般布置在數據中心主電源附近，二級防雷接地系統布置在配電柜電源電纜附近。避雷器、接地設備、引下線、接地電阻是整個防雷系統的組成部分。在日常生活中最常見的裝置是避雷針，避雷針是由金屬制成的，接地設備由接地體和相關線路組成；下引線的主要功能是導出連接器中的累積電流，接地電阻是判斷接地設備性能好壞的關鍵。

3.4 空調配電系統設計

為了充分保證機房內部溫度處于平衡狀態，則應配置空調制冷系統。一般采用浸沒式冷卻或直接液冷來保證機房內溫度的穩定。與其他環境不同，數據中心機房環境具有較強的特殊性，這也對空調系統的穩定性提出了更高的要求。數據中心不應中斷，否則會影響機房的穩定性。因此，應提高系統的穩定性，以保證系統能夠長時間運行，系統本身也能充分發揮其作用和價值，為機房溫濕度平衡提供基本條件。

3.5 低壓配電及線路敷設設計

低壓配電線路敷設的安全性和可靠性不僅關系到供電的連續性，而且對保證線路的正常運行、提高輸電效率具有不可忽視的價值。它憑借自身的作用，可以全面提高電能質量。在進行電力設備的線路配置時，應積極采用阻燃電纜，并采用輻射方式完成線路敷設。在推進普通電力設備的敷設時，應積極采用低煙特性的無鹵電纜完成工作。在這個過程中，工作人員可以以輻射式或混合樹干的形式完成工作。低壓電線，應鋪設ZR-BY 阻燃銅芯，如照明和空調系統。配電室(箱)的分支電纜，如果有電纜溝，應敷設在電纜溝內；如果沒有電纜溝，應采用金屬管保護線路，并應加裝在長管箱上，通過管道沉降縫和橋架沉降處理工作。

3.6 電氣保護及接地系統設計

科學全面的接地系統可以避免外界干擾的侵入，在為電子電氣設備安全可靠運行提供堅實保障的同時，也避免了系統內部出現干擾問題，使數據中心機房的電源系統始終保持穩定的零電位。當潛在漂移問題發生時，會對數據讀取的效果產生非常嚴重的負面影響，甚至降低其性能。鑒于此，工作人員應優化數據中心電氣的保護策略，確保電源連接系統的安全、穩定、高效。機房一般采用TN-S接地系統[4]，因為TN-S 接地系統具有操作簡單、故障敏感等多種優點。此外，數據中心機房內的電源插座要安裝漏電保護開關，并仔細檢查機房內小于2.4m 的燈具是否連接地線。同時，在數據中心機房與地面系統的連接過程中，應對各部分進行聯合監控。為數據中心電力系統穩定、安全運行提供全面保障。

4 數據中心電力電子技術的發展方向

隨著以碳化硅(SiC)、氮化鎵(Gal-lium Nitride)為代表的第三代半導體器件的出現和成熟，數據中心供電系統將呈現以下特點。

4.1 設備層

第三代半導體材料具有更寬的帶隙、更高的熱導率、更強的抗輻射性、更大的電子飽和漂移率等特點，可以實現更好的電流和電壓開關控制，更適用于產生高溫、高頻、抗輻射的大功率電子設備。目前，5G 基站、新能源汽車、光伏系統都是第三代半導體的重要應用領域。目前，數據中心采用硅基igbt 和mosfet 作為電力電子器件，但對電力器件的能效、體積和重量要求越來越高。傳統的硅基電力電子器件存在開關頻率低、開關損耗大等缺點，已達到技術瓶頸，難以進一步改進。以碳化硅和氮化鎵為代表的寬帶隙半導體功率器件的出現和發展，使電力電子變換器實現更高的效率和功率密度成為可能。與傳統硅器件相比，SiC 器件和GaN 器件可滿足更高溫度、更高電壓、更高頻率的要求，其開關損耗較硅基電力電子器件可降低50%以上，使轉換效率實現質的飛躍。由于耐高溫特性，可大大降低空調系統的容量要求，進一步降低數據中心空調的能耗。

4.2 電路與設備層

數據中心電力電子設備的電路拓撲結構主要包括整流電路和逆變電路。主流電路改造類型有二極管整流加PFC、圖騰柱電路、維也納電路、同步整流、巴拿馬電路等。這些電路類型的缺點是無法實現電力雙向傳輸、電力電子轉換和儲能功能，只能應用于低壓環節。制約著數據中心電源設備向更高的效率和更高的應用水平發展。隨著電力網絡的發展和電力電子技術的進步，在電力電子轉換電路方面將越來越多地采用雙向轉換電路，并按照高壓接入系統和高壓儲能系統的需求進行集成設計，例如，將基于模塊化多電平變換器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性高壓直流輸電系統、高壓儲能系統與通信電源系統進行一體化設計，該方案避免使用工頻變壓器，而一套整流或逆變設備即可實現高壓直流傳輸、高壓儲能、通信系統供電等功能，節約了大量電力電子設備[5]。結合碳化硅、氮化鎵等第三代半導體器件，進一步降低系統的成本、體積和重量，將進一步提高數據中心供電設備的整體效率，擴大數據中心電源參與電網調頻調壓功能，為未來以新能源為主體的新型電力系統提供支持。

4.3 系統層面

直流供電技術在高壓直流網絡中逐步成熟，數據中心的供電系統可以直接接入高壓直流電源甚至輸電網，從而省去了交直流轉換環節，與大容量高壓儲能系統的結合更加靈活多變。例如，未來數據中心供電系統可以與大型新能源站的高壓直流供電網絡和高壓直流儲能電站集成，參與新能源站的綜合控制，成為虛擬電廠的一個單元。通過對新能源電站集群的協同控制進一步提高了新能源發電的時空互補性，提高了新能源發電、電網接入和消費的整體穩定性，降低了新能源發電隨機性和波動性帶來的供電風險，提高了數據中心的供電可靠性，數據中心的發展速度也有了很大的提高。

5 結論

數據中心包含大量的數據，這也對配電系統的安全性提出了更高的要求。數據中心供電雙電源自動投切系統硬件設備和軟件功能的優化，提高了數據中心供電電源自動控制的有效性和系統運行的穩定性[6]。