全國一體化背景下的數據中心配電架構研究與分析

胡鵬濤，齊 剛，李 明，張志鈺，鞏國棟

（1.廣東南方電信規劃咨詢設計院有限公司，廣東 深圳 518045； 2.中國移動通信集團甘肅有限公司，甘肅 蘭州 730070）

1 概述

隨著國家“東數西算”戰略目標的提出，數據中心（Data Center，DC）迎來了高速發展。DC 產業鏈發展迎來了黃金期，取得了長足的進步，與此同時，數據中心發展所帶來的超高能源消耗引起了全社會的關注，加之我國實現“雙碳”戰略目標，因此建設節能、綠色、高效、低碳的DC 是產業發展必須解決的問題。

針對我國快速發展的DC 產業，工信部相關文件明確指出：對我國新建大型和超大型DC 的電能利用效率（PUE）做出了相關要求，對于新建大型及以上數據中心PUE 值低于1.4，同時在《“十四五”信息通信行業發展規劃》中提出，至2025 年底，新建大型及以上數據中心PUE 值要下降到1.3 以下[1]。

數據中心作為一個綜合性建筑物，其低碳化發展受到了全行業的關注，近年來，圍繞數據中心低碳建設，相關的技術層出不窮，如新建筑技術及建筑材料，場地內海綿城市設計，導光管與智能照明系統、冰蓄冷+常規水冷、廢水的再生綜合利用、裝配式建筑、直流配電系統、使用具有明確碳排放因子的建材，以上技術的發展與成熟給數據中心的低碳化發展創造了技術條件。

2 數據中心及其配電系統的構成

根據其設備的構成，DC 主要由IT 系統、配電系統、制冷系統、其他系統組成，而配電系統是限制DC 發展的重要因素，配電系統主要為保障DC 正常運行能源轉換基礎設備，其構成主要為市電引入、高壓配電、低壓配電、通信電源、機架配電、油機配電等[2]。各系統主要功能如下：

1.市電引入：自電網或變電站為數據中心引入10kV 市電，是數據中心可靠運行的能量源泉，其可靠性與穩定性對于數據中心至關重要。

2.高壓配電系統：主要由進線柜、出線柜、聯絡柜等組成，完成10kV 市電的能量分配，滿足后端變壓器接入需要，作為電網與數據中興供配電系統的“中介”。

3.低壓配電系統：主要由變壓器、進線柜、市電油機切換柜、電容補償柜、饋線柜及聯絡柜組成，后端接入各類負載，如IT 負載、空調負載及其他負載等。

4.通信電源系統：主要進行電能凈化，通過蓄電池組保證通信設備不間斷供電，常見的有-48V 開關電源系統、UPS 系統、高壓直流系統等。

5.機架配電系統：主要配置在IT 機房，用于機房內部機架配電，如交直流列頭柜或配電箱。

6.油機配電系統：主要為數據中心提供保障，確保在市電停電的情況下數據中心能夠持續運行，按照電壓等級分為高壓油機和低壓油機。

3 數據中心配電架構研究

3.1 合理選擇供電模式、避免過渡冗余

隨著數據中心的快速發展，數據中心的配電結構根據不同的業務等級，有著不同的供電模式，以行業主流發展為例，主要有以下集中冗余供電模式：

3.1.1 2N 供電模式

2N 供電模式下，配電系統由兩套配電單元構成，互為備份運行，兩個配電單元同時運行，每一個配電單元均能滿足所有負載的供電要求。正常運行時，每個配電單元向后端負載提供50%的容量，當其中一個配電單元發生故障，停止運行時，另一個配電單元向負載提供100%的容量[3]。

3.1.2 DR 供電模式

DR 供電模式下，配電系統由多個（一般為3 個及以上）配置相同的配電單元組成，多個單元同時運行，將負載均分為多組，每個配電單元為相對應的負載進行供電，形成“交叉”供電方式，以3 個配電單元組成的DR 供電模式，正常運行時，每個配電單元的負載率為66.67%，當其中一個配電單元發生故障時，另外2 個配電單元承擔全部負載[4]。

3.1.3 RR 供電模式

RR 供電模式下，配電系統由多個配電單元組成，其中備用電源由其中一個配電單元承擔，當任意一個配電單元發生故障時，通過自動切換單元，由備用配電單元承擔其全部負載。

在可用性、建設成本、運行成本、系統架構、實現物理隔離、運維難度等方面，上述幾種供電模式各有利弊，在實際建設過程中，要因地制宜地確定供電模式，以滿足其可靠性和經濟性。

3.2 探索新技術、提升利用率

3.2.1 高壓直流（High Voltage Direct Current，HVDC）系統

高壓直流系統集合了-48V 開關系統和不間斷電源系統的優點，在節能、可靠性高、節約空間等方面技術優勢明顯。

1.節能：與UPS 系統相比，高壓直流系統的轉換環節更少，轉換效率更高，能源利用率更高。

2.可靠性高：相比傳統的不間斷電源系統，高壓直流系統配套的蓄電池與系統輸出母線并接，系統供電的可靠性更高。

3.節約空間：由于高壓直流系統的集約化程度更高，系統可靠性更強，因此相對于傳統的不間斷電源系統，其系統備份更為簡潔，在空間占用、場地使用方面優勢更為明細。

3.2.2 一體化電力模塊

一體化電力模塊主要由變壓器、進線開關、母聯開關、SVG（static var generator）和APF（active power filter）補償模塊、UPS 主機、維修旁路開關、饋線開關組成，相對于傳統方案，由于減少了能源轉換的環節，減少了傳遞鏈路的長度，有色金屬消耗顯著降低，系統效率提升明顯，在UPS主機雙變換與智能工作模式下，系統效率提升1%～3%，利于降低數據中心PUE，節能降耗效益明顯，對于大型數據中心來說，除了提升能源利用效率外，將進一步推動數據中心模塊化、集約化管理，數據中心的功能單元布局將更加合理、更加規范、更加人性化、更能適應多元化的市場需求。

3.3 應用可再生能源，助力數據節能減碳

近年來，隨著我國“雙碳”戰略的落地實施，加之數據中心能耗持續增加，我國作為可再生能源資源大國，各類可再生能源資源豐富。目前，數據中心可再生能源利用主要有以下方式：市場化交易直接采購可再生能源，綠色電力證書，分布式可再生能源發電。隨著近年來新能源發電技術的日趨成熟，數據中心的可再生能源應用方面有了更多的選擇，構建“源網荷儲”協同網架，實現能源互補利用，改善數據中心園區的能源結構，保障了園區供能可靠與穩定，降低了用能與運行成本；利用電力電子變壓器多端口的特點，構建高/低壓、交/直流統一接入的一體化電源系統，可實現分布式能源的就地利用，充分降低數據中心供電能耗，進一步提升數據中心負荷的高效供電能力。在規劃設計階段、工程建設階段、維護運營階段進行差異化布局和規劃，分期投資，按需建設，避免由于基礎設備超配引起的能源浪費。

另外，由于數據中心業務負載波動性較小，而光伏、風電等可再生能源產生的電能存在峰谷現象，這就要求配置儲能設施完成電能儲存，進而平衡上述問題，如此可進一步提升可再生能源使用規模及比例。同時，低價電充電，高電價時段放電，可節約電費；補充電能，克服用電高峰時的電力不足[5]。

4 數據中心配電系統規劃設計經驗總結

配電系統作為數據中心的能耗結構中的又一耗能單元，從大量的工程實踐經驗表明，數據中心機架等級、單機架功耗、業務支撐等級、新型配電設備的應用、可再生能源的利用程度在一定程度上決定了數據中心配電系統的節能水平，當前數據中心的建設正在如火如荼地進行著，依據上述技術演進與工程實踐，本文作者結合多年工程規劃設計實踐，對于數據中心配電系統進行系統的規劃設計，建議在設計前策劃、設計中落實、設計后總結，貫徹全生命周期的服務理念，旨在實現數據中心配電結構的優化提升，推動數據中心產業高效、節能、低碳、可持續發展。

4.1 設計前周密策劃

設計前要合理確定關鍵指標，如機房建設級別、單機架功率、同時系數、需要系數的取定，以便合理規劃配電系統的容量，適度超前，避免過度冗余；重點關注關鍵設備、關鍵參數、關鍵要求，如配電柜端子配置、斷路器組合、建設個性化要求，厘清內、外部分工界面：明確工作界面、交付時間點，強化專業內部及專業間的互動以便落實建設單位意圖，通過周密策劃，明確工作思路和工作方向，為后續工作奠定基礎。

4.2 設計中強化落實

設計中采用模塊化、結構化設計思路，為后續系統調整、圖紙修正奠定基礎，提升工作效率；規范設計、規范繪圖，系統架構及布局規劃合理，避免過渡冗余或線路迂回；形成一系統、二平面、三路由、四清單的設計思路與設計邏輯，注重系統架構設計；把控關鍵交付時間點、交付成果件的要求，扎實落實設計意圖，落實設計思想，從始至終貫徹“一張藍圖繪到底”的設計邏輯，注重落實相關技術要點和技術要求。

4.3 設計后注重總結

規劃設計工作完成后進行設計工作后評估，總結經驗及不足，避免同類型錯誤發生；細化各專業方案調整對于整體設計的影響；整理設計不足或錯誤案例清單，指導后續同類型項目交付與實施；總結各專業制圖圖集、標準、大樣圖；定期進行客戶回訪，閉環管理，通過系統應用鑒定設計的合理性；通過不斷地經驗積累和技術總結以指導后續類似項目的落地實施，避免重復錯誤或紕漏出線，總結項目案例，形成標準化設計成果。

5 數據中心發展方向展望

伴隨著數據中心業務需求多樣性、技術發展的成熟性，未來數據中心將沿著低碳、多元、模塊、智能化的方向發展，數據中心作為數字經濟中的重要載體，其在數字經濟的指導地位將更加突出，將進一步帶動上下游產業的發展，數據將成為又一交易元素，大數據產業將迎來新的發展機遇，將進一步推動經濟和社會進步，形成行業賽道。

5.1 低碳化

“雙碳”戰略促使數據中心向低碳化方向發展。數據中心將從規劃、建設、運維、運營等多個階段貫徹“低碳”發展理念，光伏、風電將更加普遍地應用于數據中心，源頭綠色化、用能高效化將成為數據中心可持續發展的重要因素，圍繞數據中心低碳化的產品將更多地推向市場，圍繞數據中心低碳化的產業鏈將會更加豐富、更加完善，大數據中心的低碳化發展將是大勢所趨。

5.2 多元化

近年來，高密度、高算力的業務需求應運而生，數據中心未來將面對更加復雜的應用場景，數據中心的本質是空間、電力、制冷和網絡等四大能力的有機統一，數據中心的需求是空間、電力、制冷和網絡的個性化需求，如何實現數據中心能力與需求匹配將成為數據中心規劃建設的難點[6]，未來多樣化的業務需求將會催生相關技術不斷革新、不斷發展，最終實現行業的多元化發展和進步。

5.3 模塊化

未來，從數據中心供電系統到制冷系統，系統的架構將更加簡潔、更利于工廠預制，數據中心的建設模式將更加靈活，系統部署將更加快速、高效，建設周期將進一步縮短，應對緊急業務的能力將進一步提升，尤其是地價敏感區域，業務需求的熱點區域，模塊化的建設模式特點鮮明、優勢明顯，伴隨著模塊化技術的進一步完善和進步，數據中心的模塊化發展將會更加的深入人心。

5.4 智能化

隨著互聯網、物聯網、人工智能技術的快速發展，數據中心運維朝著智能化方向發展。數據中心的安全防護將從當前被動響應到主動預防，系統的容錯能力將大幅度提升，如通過應用自動巡檢機器人等設備，使得數據中心的安全防線將更加牢固、更加可靠；“規建維售”的體系將更加完善，數據中心的智能化水平將更加完善，數據中心將不再是一個簡單的工業化產物，而將成為一個智能化的載體。