多站融合工程是在充分利用密集分布的電網(wǎng)變電站資源基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)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(tǒng)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。

近年來，受云服務(wù)商和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)業(yè)務(wù)需求驅(qū)動，數(shù)據(jù)中心市場持續(xù)高速發(fā)展。配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的重要組成部分，對于保障系統(tǒng)安全可靠運行極為關(guān)鍵。數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心配電方案對于提高系統(tǒng)運行可靠性和節(jié)能減排能力至關(guān)重要。

有學(xué)者針對數(shù)據(jù)中心常用的雙重化、分布冗余和后備冗余三種供配電系統(tǒng)，從系統(tǒng)構(gòu)架、可用度、建設(shè)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。有學(xué)者提出數(shù)據(jù)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(shè)靈活度、成本、可靠性和可維護性，該方案具有顯著優(yōu)勢。有學(xué)者提出一種利用光儲一體化微電網(wǎng)保障數(shù)據(jù)中心負荷的供電策略。有學(xué)者探討智能變配電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，以提高數(shù)據(jù)中心電源的可靠性、可用性和系統(tǒng)運維效率。有學(xué)者對后數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)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(fā)展趨勢。

上述研究對數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)提出了各種配電優(yōu)化方案和策略，但未針對多站融合工程進行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計。本文結(jié)合多站融合工程的特點，對數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)提出針對性優(yōu)化建議。

1 數(shù)據(jù)中心機房分級

按照GB 50174—2017標(biāo)準的要求，將數(shù)據(jù)中心根據(jù)對經(jīng)濟或社會造成的損失或影響共分為A、B、C三級，具體的數(shù)據(jù)中心機房分級標(biāo)準及技術(shù)要求見表1。

表1 數(shù)據(jù)中心機房分級標(biāo)準及技術(shù)要求

A級數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)要求最高，需按雙系統(tǒng)容錯設(shè)計，不具備第三路電源供電條件時應(yīng)配置柴油發(fā)電機作為備用電源。B級和C級數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)一般不需要配置柴油發(fā)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(shù)據(jù)中心。

2 數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電方案

多站融合工程中，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心機架規(guī)模一般超過3000個，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲與計算，等級以A級為主；小型分布式數(shù)據(jù)中心機架規(guī)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(shù)據(jù)中心常規(guī)配電方案

A級數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電系統(tǒng)如圖1所示，A級數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電系統(tǒng)采用“2N”架構(gòu)，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(fā)電機作為后備電源。

2.2 B級數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電方案

B級數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電系統(tǒng)如圖2所示，B級數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電系統(tǒng)采用“N+1”架構(gòu)，無需配置柴油發(fā)電機，后備電源由UPS蓄電池提供。需要說明的是，當(dāng)N=1時，“N+1”架構(gòu)與“2N”架構(gòu)一致，考慮到小型分布式數(shù)據(jù)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(xiàn)N=1的配電系統(tǒng)。

圖1 A級數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電系統(tǒng)

圖2 B級數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電系統(tǒng)

3 數(shù)據(jù)中心配電優(yōu)化措施

3.1 第三路電源代替柴油發(fā)電機

A級數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電系統(tǒng)采用柴油發(fā)電機作為備用電源。而根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》第8.1.12條，A級數(shù)據(jù)中心備用電源除了柴油發(fā)電機外，也可采用獨立于正常電源的第三路電源。

柴油發(fā)電機供電可靠性高、連續(xù)性好，已成為數(shù)據(jù)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(huán)境不友好等缺點。多站融合工程中，數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)中心的備用電源，節(jié)省柴油發(fā)電機系統(tǒng)投資，減少運維工作量，同時減少柴油發(fā)電機運行時產(chǎn)生的碳排放，實現(xiàn)低碳環(huán)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(fā)電機從起動到額定功率輸出需要一定的時間，所以柴油發(fā)電機作為備用電源時，切換時間較長，通常為數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)機柜

數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電系統(tǒng)采用UPS實現(xiàn)電子信息設(shè)備的供電。根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》第3.2.2條，A級數(shù)據(jù)中心同時滿足下列要求時，電子信息設(shè)備的供電可采用不間斷電源系統(tǒng)和市電電源系統(tǒng)相結(jié)合的供電方式。

1）設(shè)備或線路維護時，應(yīng)保證電子信息設(shè)備正常運行。

2）市電直接供電的電源質(zhì)量應(yīng)滿足電子信息設(shè)備正常運行的要求。

3）市電接入處的功率因數(shù)應(yīng)符合當(dāng)?shù)毓╇姴块T的要求。

4）柴油發(fā)電機系統(tǒng)應(yīng)能夠承受容性負載的影響。

5）向公用電網(wǎng)注入的諧波電流分量不應(yīng)超過現(xiàn)行國家標(biāo)準GB/T 14549—93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的諧波電流允許值。

由于多站融合工程數(shù)據(jù)中心靠近變電站布置，數(shù)據(jù)中心的電源一般來自就近變電站的中壓饋線，其電能質(zhì)量、功率因數(shù)、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(tǒng)和市電電源系統(tǒng)相結(jié)合的供電條件。

3.3 直流直供數(shù)據(jù)機柜

常規(guī)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(shù)據(jù)中心直流供電方案的日趨成熟，越來越多的服務(wù)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(wù)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(guī)格供電方式?？梢?，新一代的服務(wù)器供電電源已朝著寬電壓、交直流電源通用化的方向發(fā)展，這為數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)設(shè)計方案的多樣化創(chuàng)造了條件。

數(shù)據(jù)中心直流配電系統(tǒng)原理如圖3所示，數(shù)據(jù)中心直流配電系統(tǒng)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(jiān)測單元及監(jiān)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(zhuǎn)換成DC 240V。直流配電系統(tǒng)經(jīng)服務(wù)器的電源模塊給通信設(shè)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(shè)備供電。

圖3 數(shù)據(jù)中心直流配電系統(tǒng)原理

與傳統(tǒng)的UPS技術(shù)相比，采用直流直供數(shù)據(jù)機柜具有以下優(yōu)點：

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

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

3）安全性高。與傳統(tǒng)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(tǒng)。

4）具備替代可行性。240V直流可直接在絕大多數(shù)的標(biāo)準交流設(shè)備上使用，數(shù)據(jù)機柜無需定制電源及設(shè)備改造，容易推廣。

3.4 飛輪儲能代替后備電池

目前數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)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(nèi)部含有重金屬、易產(chǎn)生土壤環(huán)境污染等缺點；磷酸鐵鋰電池的安全性也日益受到關(guān)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(fā)展已有十余年，技術(shù)方案成熟，在不間斷電源和改善電能質(zhì)量的場景中應(yīng)用廣泛。它由轉(zhuǎn)子、軸承系統(tǒng)、真空室、電機控制系統(tǒng)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(yīng)速度快、工作溫度要求低和維護簡單等優(yōu)點。

飛輪儲能的工作原理是在市電斷電時通過飛輪設(shè)備儲存的機械能為UPS持續(xù)供電幾秒至數(shù)十分鐘的時間，直至后備柴油發(fā)電機起動或?qū)Ｓ灭伨€接入后為負載供電，可代替電池組作為數(shù)據(jù)中心UPS的后備電源。

目前，國內(nèi)已有專門用于數(shù)據(jù)中心供電的飛輪儲能UPS產(chǎn)品問世，并已有具體工程應(yīng)用。圖4為飛輪儲能UPS系統(tǒng)原理，飛輪儲能系統(tǒng)由飛輪、飛輪整流器和飛輪控制系統(tǒng)等部分組成，飛輪需經(jīng)過飛輪整流器接入UPS系統(tǒng)中。

圖4 飛輪儲能UPS系統(tǒng)原理

針對UPS后備電源的應(yīng)用場景，飛輪與鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池的參數(shù)對比見表2。

表2 參數(shù)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(yōu)勢。飛輪儲能的主要缺點是連續(xù)放電時間短，一般在15s～15min之間。結(jié)合數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景，對于專用饋電線路切換場景，額定連續(xù)放電時間可取30s；對于柴油發(fā)電機作為后備電源的場景，為滿足規(guī)范要求，額定連續(xù)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(jù)國內(nèi)某飛輪廠家報價，額定功率250kW、額定連續(xù)放電時間30s和15min的飛輪設(shè)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(shè)備，對應(yīng)設(shè)備費為150萬元、190萬元。備電15min的鉛酸電池組設(shè)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 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(nèi)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(shè)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(nèi)需更換2次，電池年損耗成本按設(shè)備費的2%計算?？傔\行成本上，飛輪儲能顯著低于鉛酸電池儲能。

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

根據(jù)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(xué)老化過程等優(yōu)點，可在高標(biāo)準數(shù)據(jù)中心場景中試點應(yīng)用。對于成本敏感的數(shù)據(jù)中心，建議選用電池作為UPS的備用電源。

4 數(shù)據(jù)中心配電方案優(yōu)化

4.1 A級數(shù)據(jù)中心采用第三路電源方案

針對多站融合工程特點，結(jié)合前述配電系統(tǒng)優(yōu)化措施，形成了適用于多站融合工程的兩個A級數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案。

多站融合工程中的A級數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(guī)的柴油發(fā)電機組。第三路電源一般來自與常規(guī)兩路電源不同的供電分區(qū)，以保證供電系統(tǒng)可靠性。

圖5 A級數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案一

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》的附錄1，當(dāng)A級數(shù)據(jù)中心選用柴油發(fā)電機作為備用電源時，UPS電池的最少備用時間應(yīng)不低于15min，且柴油發(fā)電機燃料存儲量應(yīng)滿足12h用油或大于外部供油時間（外部供油有保障時）；當(dāng)A級數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)中心鄰近變電站布置，數(shù)據(jù)中心的電源通常直接來自變電站中壓饋線，其電能質(zhì)量、功率因數(shù)、諧波分量通常能夠滿足規(guī)范要求，正常供電電源可采用2路市電+1套UPS方案，數(shù)據(jù)機柜一路電源由市電直供，另一路電源由UPS供電，以節(jié)省一套UPS設(shè)備投資，提高供電效率。

方案一采用第三路電源代替柴油發(fā)電機和市電直供優(yōu)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(zhì)量好的優(yōu)勢。

多站融合工程中的A級數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shè)備。直流配電設(shè)備的電源來自經(jīng)自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（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(chǔ)上，進一步采用直流直供優(yōu)化措施，適用于數(shù)據(jù)機柜PDU同時支持交直流供電的場景，以進一步提高數(shù)據(jù)中心配電效率和可靠性。方案二的數(shù)據(jù)機柜交直流混合供電模式已在互聯(lián)網(wǎng)公司和移動運營商的數(shù)據(jù)中心中廣泛應(yīng)用。

圖6 A級數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案二

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

4.2 B級數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案。B級數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案一和方案二分別如圖7和圖8所示。與A級數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的兩個方案相比，兩個方案均相對應(yīng)地取消了第三路電源，其余保持一致。

圖7 B級數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案一

圖8 B級數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案二

5 結(jié)論

針對多站融合工程的特點，對常規(guī)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)進行了優(yōu)化，提出采用第三路電源代替柴油發(fā)電機，以及通過市電或直流電源直供數(shù)據(jù)機柜的優(yōu)化措施，形成了A級和B級數(shù)據(jù)中心各兩種配電方案，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、效率高、低碳環(huán)保等優(yōu)點，充分發(fā)揮了多站融合工程的融合優(yōu)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(shè)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(jié)省占地等優(yōu)勢，特別是A級數(shù)據(jù)中心優(yōu)化方案中采用第三路電源代替柴油發(fā)電機，飛輪儲能能量可按30s配置，可在一定程度上節(jié)省設(shè)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(biāo)準數(shù)據(jù)中心場景中試點應(yīng)用飛輪設(shè)備。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)飛輪儲能設(shè)備的廠家較少，研發(fā)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(guī)模制造后成本將大幅下降。當(dāng)飛輪設(shè)備價格與電池相當(dāng)后，將具有代替電池儲能作為UPS后備電源的競爭力，并在數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

本文編自2022年第8期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“多站融合工程中的數(shù)據(jù)中心配電方案優(yōu)化”，作者為徐立波、祝燕萍 等，本課題得到國網(wǎng)上海市電力公司科技項目的支持。