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(chǔ)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(bǔ)等特點(diǎn)，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(dòng)，數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)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(duì)于保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)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(jiǎn)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(duì)于提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和節(jié)能減排能力至關(guān)重要。

有學(xué)者針對(duì)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(yùn)營(yíng)成本和運(yùn)維難度等方面進(jìn)行對(duì)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(hù)性，該方案具有顯著優(yōu)勢(shì)。有學(xué)者提出一種利用光儲(chǔ)一體化微電網(wǎng)保障數(shù)據(jù)中心負(fù)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(yùn)維效率。有學(xué)者對(duì)后數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)進(jìn)行展望，提出市電直供、分布式供電和智能化運(yùn)維是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

上述研究對(duì)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(duì)多站融合工程進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文結(jié)合多站融合工程的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)提出針對(duì)性優(yōu)化建議。

1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房分級(jí)

按照GB 50174—2017標(biāo)準(zhǔn)的要求，將數(shù)據(jù)中心根據(jù)對(duì)經(jīng)濟(jì)或社會(huì)造成的損失或影響共分為A、B、C三級(jí)，具體的數(shù)據(jù)中心機(jī)房分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求見表1。

表1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求

A級(jí)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)要求最高，需按雙系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)，不具備第三路電源供電條件時(shí)應(yīng)配置柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。B級(jí)和C級(jí)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)一般不需要配置柴油發(fā)電機(jī)，且對(duì)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(jí)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(jī)架規(guī)模一般超過3000個(gè)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算，等級(jí)以A級(jí)為主；小型分布式數(shù)據(jù)中心機(jī)架規(guī)模一般不超過300個(gè)，甚至小于100個(gè)，以提供云計(jì)算、邊緣計(jì)算功能，等級(jí)以B級(jí)為主。

2.1 A級(jí)數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電方案

A級(jí)數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電系統(tǒng)如圖1所示，A級(jí)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(cuò)配置，另配置中壓柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源。

2.2 B級(jí)數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電方案

B級(jí)數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電系統(tǒng)如圖2所示，B級(jí)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(jī)，后備電源由UPS蓄電池提供。需要說明的是，當(dāng)N=1時(shí)，“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(tái)配電變壓器為所有負(fù)荷供能，因此此處僅體現(xiàn)N=1的配電系統(tǒng)。

圖1 A級(jí)數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電系統(tǒng)

圖2 B級(jí)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(jī)

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

柴油發(fā)電機(jī)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(hù)難度高和環(huán)境不友好等缺點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)獨(dú)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(jī)系統(tǒng)投資，減少運(yùn)維工作量，同時(shí)減少柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的碳排放，實(shí)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(shí)間。由于柴油發(fā)電機(jī)從起動(dòng)到額定功率輸出需要一定的時(shí)間，所以柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源時(shí)，切換時(shí)間較長(zhǎng)，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(shí)間較短，通常為數(shù)秒鐘。切換時(shí)間縮短后，可顯著減少UPS電池或儲(chǔ)能裝置的備用時(shí)間。

3.2 市電直供數(shù)據(jù)機(jī)柜

數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電系統(tǒng)采用UPS實(shí)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(jì)規(guī)范》第3.2.2條，A級(jí)數(shù)據(jù)中心同時(shí)滿足下列要求時(shí)，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(hù)時(shí)，應(yīng)保證電子信息設(shè)備正常運(yùn)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(yùn)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(jī)系統(tǒng)應(yīng)能夠承受容性負(fù)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(jī)柜

常規(guī)機(jī)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?？梢姡乱淮姆?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(jì)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(cè)單元及監(jiān)控模塊組成。在市電正常時(shí)，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(shí)也給蓄電池充電。在市電異常時(shí)，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(jī)柜具有以下優(yōu)點(diǎn)：

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(fù)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(jī)房初期的運(yùn)行能耗。

2）系統(tǒng)可靠性高。系統(tǒng)拓?fù)浜?jiǎn)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(shí)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(huì)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(zhǔn)交流設(shè)備上使用，數(shù)據(jù)機(jī)柜無需定制電源及設(shè)備改造，容易推廣。

3.4 飛輪儲(chǔ)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(diǎn)；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(jī)柜的后備電源不是最佳的解決方案。

飛輪儲(chǔ)能作為一種新型的儲(chǔ)能方式，在國(guó)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(chǎng)景中應(yīng)用廣泛。它由轉(zhuǎn)子、軸承系統(tǒng)、真空室、電機(jī)控制系統(tǒng)及機(jī)組快速起動(dòng)模塊組成，具有使用壽命長(zhǎng)、充電時(shí)間短、工作效率高、響應(yīng)速度快、工作溫度要求低和維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

飛輪儲(chǔ)能的工作原理是在市電斷電時(shí)通過飛輪設(shè)備儲(chǔ)存的機(jī)械能為UPS持續(xù)供電幾秒至數(shù)十分鐘的時(shí)間，直至后備柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)或?qū)Ｓ灭伨€接入后為負(fù)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(guó)內(nèi)已有專門用于數(shù)據(jù)中心供電的飛輪儲(chǔ)能UPS產(chǎn)品問世，并已有具體工程應(yīng)用。圖4為飛輪儲(chǔ)能UPS系統(tǒng)原理，飛輪儲(chǔ)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U(xiǎn)PS系統(tǒng)中。

圖4 飛輪儲(chǔ)能UPS系統(tǒng)原理

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

表2 參數(shù)對(duì)比

由表2可知，與電池儲(chǔ)能相比，飛輪儲(chǔ)能在使用壽命、充電時(shí)間、工作溫度要求、維護(hù)周期和占地面積上有顯著優(yōu)勢(shì)。飛輪儲(chǔ)能的主要缺點(diǎn)是連續(xù)放電時(shí)間短，一般在15s～15min之間。結(jié)合數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)于專用饋電線路切換場(chǎng)景，額定連續(xù)放電時(shí)間可取30s；對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源的場(chǎng)景，為滿足規(guī)范要求，額定連續(xù)放電時(shí)間可取15min。

為容量500kV·A的UPS配置的單臺(tái)飛輪和鉛酸電池初始投入和運(yùn)行成本對(duì)比見表3。根據(jù)國(guó)內(nèi)某飛輪廠家報(bào)價(jià)，額定功率250kW、額定連續(xù)放電時(shí)間30s和15min的飛輪設(shè)備（不含UPS）費(fèi)分別為75萬元、95萬元，500kV·A的UPS需配置2套飛輪設(shè)備，對(duì)應(yīng)設(shè)備費(fèi)為150萬元、190萬元。備電15min的鉛酸電池組設(shè)備費(fèi)為28萬元。初期投入成本上，飛輪儲(chǔ)能顯著高于鉛酸電池儲(chǔ)能。

表3 使用期成本對(duì)比（單位: 萬元）

飛輪儲(chǔ)能使用壽命可達(dá)15年，因此15年使用期內(nèi)無需更換，僅需對(duì)飛輪軸承進(jìn)行定期維護(hù)。飛輪軸承的年維護(hù)成本按設(shè)備費(fèi)的1%計(jì)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(fèi)的2%計(jì)算?？傔\(yùn)行成本上，飛輪儲(chǔ)能顯著低于鉛酸電池儲(chǔ)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(shí)間30s和15min的飛輪儲(chǔ)能均可節(jié)省約1/3的占地面積。需要注意的是，15min飛輪儲(chǔ)能設(shè)備重達(dá)10多噸，需布置于地上一層；30s飛輪儲(chǔ)能設(shè)備約重2噸，布置時(shí)不受樓層限制。

根據(jù)以上對(duì)比分析，飛輪儲(chǔ)能雖然具有前期投資較大的缺點(diǎn)，但與電池儲(chǔ)能相比，具有維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)維費(fèi)用低、工作溫度要求低、不存在化學(xué)老化過程等優(yōu)點(diǎn)，可在高標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景中試點(diǎn)應(yīng)用。對(duì)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(jí)數(shù)據(jù)中心采用第三路電源方案

針對(duì)多站融合工程特點(diǎn)，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(gè)A級(jí)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案。

多站融合工程中的A級(jí)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(jí)數(shù)據(jù)中心的備用電源采用獨(dú)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(jī)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(jí)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(jì)規(guī)范》的附錄1，當(dāng)A級(jí)數(shù)據(jù)中心選用柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源時(shí)，UPS電池的最少備用時(shí)間應(yīng)不低于15min，且柴油發(fā)電機(jī)燃料存儲(chǔ)量應(yīng)滿足12h用油或大于外部供油時(shí)間（外部供油有保障時(shí)）；當(dāng)A級(jí)數(shù)據(jù)中心選用專用饋電線路作為備用電源時(shí)，一方面無需配置額外備用柴油發(fā)電機(jī)，另一方面UPS電池的最少備用時(shí)間也可進(jìn)一步縮短，一般僅需滿足專用饋電線路快速切換時(shí)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(chǔ)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(jī)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(jī)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(diǎn)多、供電可靠性高、電能質(zhì)量好的優(yōu)勢(shì)。

多站融合工程中的A級(jí)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(jī)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(dòng)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(jìn)一步采用直流直供優(yōu)化措施，適用于數(shù)據(jù)機(jī)柜PDU同時(shí)支持交直流供電的場(chǎng)景，以進(jìn)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(jī)柜交直流混合供電模式已在互聯(lián)網(wǎng)公司和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的數(shù)據(jù)中心中廣泛應(yīng)用。

圖6 A級(jí)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(yùn)行時(shí)，低壓配電柜A和B各帶一半負(fù)載，一半的數(shù)據(jù)機(jī)柜由市電直供，另一半的數(shù)據(jù)機(jī)柜由UPS或直流配電設(shè)備供電，以避免配電設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)載運(yùn)行。

4.2 B級(jí)數(shù)據(jù)中心采用市電直供方案

針對(duì)多站融合工程特點(diǎn)，還形成了兩個(gè)適用于多站融合工程的B級(jí)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案。B級(jí)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(jí)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的兩個(gè)方案相比，兩個(gè)方案均相對(duì)應(yīng)地取消了第三路電源，其余保持一致。

圖7 B級(jí)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案一

圖8 B級(jí)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案二

5 結(jié)論

針對(duì)多站融合工程的特點(diǎn)，對(duì)常規(guī)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，提出采用第三路電源代替柴油發(fā)電機(jī)，以及通過市電或直流電源直供數(shù)據(jù)機(jī)柜的優(yōu)化措施，形成了A級(jí)和B級(jí)數(shù)據(jù)中心各兩種配電方案，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮了多站融合工程的融合優(yōu)勢(shì)。

此外，對(duì)采用飛輪儲(chǔ)能代替后備電池的可行性進(jìn)行了探討。飛輪設(shè)備雖然價(jià)格高昂，但與電池相比，具有使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)維費(fèi)用低、節(jié)省占地等優(yōu)勢(shì)，特別是A級(jí)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(jī)，飛輪儲(chǔ)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(chǔ)能方案更具競(jìng)爭(zhēng)力。因此，可在高標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景中試點(diǎn)應(yīng)用飛輪設(shè)備。

目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)飛輪儲(chǔ)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(jià)格與電池相當(dāng)后，將具有代替電池儲(chǔ)能作為UPS后備電源的競(jìng)爭(zhēng)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(guó)網(wǎng)上海市電力公司科技項(xiàng)目的支持。