智能一體化電源應(yīng)用分析

韓曉雷，孫 楊，潘洪濤

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司，河北 石家莊 050000；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司河北分公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

隨著數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展，其對(duì)供電系統(tǒng)的可靠性、節(jié)能性以及可持續(xù)性等提出了更高的要求[1]。供電系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施中最重要的組成部分，其供電技術(shù)和模式也朝著模塊化、預(yù)制化、智能化以及精簡(jiǎn)化等方向進(jìn)行發(fā)展和演變[2]。

1 智能一體化電源系統(tǒng)

智能一體化電源系統(tǒng)集成了10 kV/0.4 kV變壓器、低壓配電柜、模塊化通信電源以及輸出配電單元等模塊。智能一體化電源系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)架構(gòu)中電壓轉(zhuǎn)換的眾多中間設(shè)備，使供電環(huán)節(jié)一步到位，具備高效性和可靠性。

智能一體化電源系統(tǒng)采用模塊化組成方式，內(nèi)部集成了變壓器、低壓配電、模塊化電源以及配電輸出等部分。系統(tǒng)集中部署，將傳統(tǒng)相互獨(dú)立的設(shè)備進(jìn)行重構(gòu)，形成最佳顆粒度容量的模組[3]。同時(shí)，系統(tǒng)間采用母排連接方式，有效減少了配電環(huán)節(jié)和電纜布放，解決了多廠家設(shè)備的并接問題。智能一體化電源系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，設(shè)備規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化，最大限度優(yōu)化設(shè)備空間。相對(duì)傳統(tǒng)配電系統(tǒng)，減少了機(jī)房占用面積，實(shí)現(xiàn)了配電系統(tǒng)集中化布置。此外，智能一體化電源系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置集中監(jiān)控管理系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況信息。監(jiān)控管理系統(tǒng)具備遙測(cè)、遙信、遙控功能，可以實(shí)現(xiàn)溫度、工作電壓、負(fù)載電流以及蓄電池充/放電電流等參數(shù)控制。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括輸出電壓過壓或欠壓、蓄電池熔斷器狀態(tài)、蓄電池充電狀態(tài)、主要分路熔斷器或斷路器的開關(guān)狀態(tài)以及蓄電池二次下電等[4]。集中監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決了各設(shè)備間不同協(xié)議轉(zhuǎn)換的問題，無需額外配置動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，有效提高了系統(tǒng)的兼容性，為設(shè)備供電安全提供保證。圖1為智能一體化電源演進(jìn)示意圖。

圖1 智能一體化電源演進(jìn)示意圖

智能一體化電源系統(tǒng)采用預(yù)制式供配電模組，通過工廠預(yù)制銅排進(jìn)行連接。施工采用即插即用方式，有效縮短了工期。預(yù)制式模組降低了建設(shè)單位的管理風(fēng)險(xiǎn)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的快速部署。

2 應(yīng)用案例分析

2.1 工藝負(fù)荷需求

為滿足業(yè)務(wù)發(fā)展，建設(shè)2 000個(gè)機(jī)架，單機(jī)架功耗為5 kW，安裝在8個(gè)IT機(jī)房，總功耗需求約為10 000 kW，采用市電+不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）供電方式。

2.2 傳統(tǒng)建設(shè)方案

2.2.1 設(shè)備配置

根據(jù)IT業(yè)務(wù)需求，采用傳統(tǒng)建設(shè)方案需要在機(jī)房配電室8臺(tái)2 500 kV·A變壓器，組成4套2N冗余配電系統(tǒng)。正常運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)變壓器帶載率為50%。當(dāng)其中一臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺(tái)承擔(dān)100%負(fù)載[5]。通信電源側(cè)配置41套240 V高壓直流（High Voltage Direct Current，HVDC）電源，供電方式采用市電+240 V高壓直流電源。單套系統(tǒng)輸出負(fù)荷按260 kW考慮，冗余模塊按N+1（N≤10）冗余方式配置。每套系統(tǒng)配置240 V/700 W蓄電池4組，系統(tǒng)后備時(shí)長(zhǎng)15 min。

2.2.2 機(jī)房布局

采用傳統(tǒng)方案時(shí)，需占用4個(gè)電力機(jī)房（1個(gè)低壓配電室和3個(gè)電力電池室），安裝41套240 V高壓直流電源，占用機(jī)房面積約2 000 m2。

2.3 一體化集成電源方案（直流240 V供電方式）

2.3.1 建設(shè)方案

一體化240 V高壓直流電源系統(tǒng)構(gòu)成圖2所示。采用多繞組移相變壓器，輸出為多相位電壓，直接接入240 V整流模塊單元，縮減了從10 kV變壓器輸入到240 V高壓直流輸出的多級(jí)配電[6]。移相變壓器輸出為多相位電壓，變壓器輸出側(cè)無法設(shè)置集中聯(lián)絡(luò)柜。當(dāng)供電系統(tǒng)采用市電+不間斷電源傳統(tǒng)模式時(shí)，IT負(fù)載雙路電源分別從一體化240 V高壓直流電源和市電輸出引接[7]。當(dāng)240 V直流電源側(cè)的變壓器設(shè)備故障時(shí)，IT設(shè)備僅由市電進(jìn)行供電，供電安全性有所降低。為了提高供電安全性，一體化240 V高壓直流電源需采用2N架構(gòu)設(shè)置。

圖2 一體化240 V高壓直流電源系統(tǒng)構(gòu)成

2.3.2 設(shè)備配置

根據(jù)IT負(fù)荷需求，采用一體化240 V高壓直流電源方案需要在機(jī)房?jī)?nèi)配置10套2.4 MW巴拿馬電源系統(tǒng)，組成5套2N系統(tǒng)。電源系統(tǒng)采用2N供電模式，造成投資成倍增加。為了合理降低蓄電池投資，每套2N系統(tǒng)電源采用共用蓄電池組方案。通過在組成2N系統(tǒng)的兩套一體化240 V高壓直流電源之間設(shè)置電池聯(lián)絡(luò)母線，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間蓄電池組共用。每套系統(tǒng)配置240 V/1 500 W蓄電池4組，系統(tǒng)后備時(shí)長(zhǎng)為15 min。

2.3.3 機(jī)房布局

采用一體化240 V高壓直流電源方案時(shí)，共安裝10臺(tái)2.4 MW電源設(shè)備，需要占用3個(gè)電力機(jī)房，占地面積約1 500 m2，可剩余1個(gè)電力用房。相對(duì)傳統(tǒng)電源方案，可以有效節(jié)約500 m2機(jī)房占用面積，后期可以作為發(fā)展機(jī)房使用。

2.4 一體化集成電源方案

2.4.1 建設(shè)方案

一體化220 V交流電源系統(tǒng)集成了10 kV/0.4 kV變壓器、低壓配電柜、模塊化UPS以及輸出配電單元模塊，可以為大型數(shù)據(jù)中心提供兆瓦級(jí)的供電、配電、備電一體化解決方案。通過一體化設(shè)計(jì)和高密部件集成，減少電力系統(tǒng)占地。通過預(yù)制化、去工程化，降低交付復(fù)雜度，縮短部署工期。通過智能特性，實(shí)現(xiàn)全鏈可視化管理和預(yù)測(cè)性維護(hù)，保障系統(tǒng)運(yùn)行安全[8]。

2.4.2 設(shè)備配置

根據(jù)工藝需求，共配置10套一體化UPS集成電源系統(tǒng)，每套電源系統(tǒng)輸出1 200 kV·A UPS電源和1 000 kV·A市電電源。UPS供電部分采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊按N+1冗余考慮，系統(tǒng)容量按90%負(fù)載率設(shè)計(jì)，蓄電池后備時(shí)長(zhǎng)按15 min設(shè)計(jì)。兩套一體化集成電源系統(tǒng)組成2N的供電方式，系統(tǒng)間設(shè)置母聯(lián)。正常運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)變壓器帶載率為50%，當(dāng)其中一臺(tái)變壓器出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺(tái)變壓器可通過聯(lián)絡(luò)帶載全部負(fù)荷。IT負(fù)載設(shè)備采用雙路供電，從UPS電源和市電各引接一路，實(shí)現(xiàn)市電+不間斷電源供電方式。

2.4.3 機(jī)房布局

采用一體化220 V交流電源方案時(shí)，新增10套一體化UPS集成電源系統(tǒng)，需要占用3個(gè)電力機(jī)房，占地面積約1 500 m2，可剩余1個(gè)電力用房。相對(duì)傳統(tǒng)電源方案，可以有效節(jié)約500 m2機(jī)房占用面積，后期可以作為發(fā)展機(jī)房使用。

2.5 方案比較

各方案比較如表1所示。

表1 方案對(duì)比

3 結(jié) 論

智能一體化電源系統(tǒng)具有模塊化、集中化、數(shù)字智能化以及產(chǎn)品預(yù)制化等特點(diǎn)，可以有效節(jié)省機(jī)房空間并縮減建設(shè)周期，高度契合目前數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品化、高可靠、高效能以及快速部署等核心需求，在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中具備明顯優(yōu)勢(shì)，可以為數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電安全提供有效保障。