數據中心供配電系統研究

文／楊海健 中國通信建設集團有限公司 北京 100079

1、數據中心供配電系統組成

任何現代化的IT設備都離不開電源系統，數據中心供配電系統是為機房內所有需要動力電源的設備提供穩定、可靠的動力電源支持的系統。供配電系統于整個數據中心系統來說有如人體的心臟-血液系統。數據中心供配電系統是從電源線路進用戶起經過高/低壓供配電設備到負載止的整個電路系統，將主要包括：高壓變配電系統、柴油發電機系統、自動轉換開關系統（ATSE）、輸入低壓配電系統、不間斷電源系統（UPS，Uninterruptible Power System）系統、UPS列頭配電系統和機架配電系統、電氣照明、防雷及接地系統。

高壓變配電系統電網(6kV/10kV/35kV)→(380V/40 0V)，供后級低壓設備用電。柴油發電機系統是后備電源，一旦市電失電，迅速啟動為后級低壓設備提供備用電源。自動轉換開關系統（ATSE）自動完成市電與市電或者市電與柴油發電機之間的備用切換。輸入低壓配電系統負責電能分配，將前級電能按照要求、標準與規范分配給各類用電設備。UPS系統主要作用是電能凈化、電能后備，為IT負載提供純凈、可靠的用電保護。UPS輸出列頭配電系統完成UPS輸出電能分配，將電能按照要求與標準分配給各種類型的IT設備。機架配電系統負責機架內的電能分配。

2、數據中心高壓配電系統

2.1 電氣主接線

高壓系統電氣主接線采用單母線或單母線分段接線。

（1）單母線接線。單母線接線是設母線配電裝置最簡單的接線，所有電源和出線都接在同一組母線上。優點是接線簡單、設備用量少、經濟實用、有利于電源互為備用及負荷間的合理分配、有利于擴建和采用成套配電裝置；缺點是不夠靈活可靠。母線范圍內發生故障或母線及母線QS檢修時，需停止供電；任一回路OF檢修時，該回路停電。適用于出線回路少的小型配電所，當用于一臺發電機或一臺主變壓器時，6kV～10kV配電裝置出線回路數≤5回；35kV配電裝置出線回路數≤3回。

（2）單母線分段接線。當進出線回路數較多、采用單母線不能滿足可靠性要求時，可采用單母線分段接線。特點：用分段斷路器把母線分段后，對重要負荷可由不同母線段分別引出一個回路，雙電源供電，提高了可靠性。縮小了母線故障的影響范圍。母線和母線隔離開關檢修僅停一半，提高了靈活性。6kV～10kV配電裝置出線回路數為6回及以上。35kV配電裝置出線回路數為4～8回。

2.2 典型建設方案

（1）一路市電，一臺變壓器。主接線變壓器一次側采用線路-變壓器組單元接線，二次側采用單母線接線。10kV高壓側設專用電能計量柜，柜中設專用的、精度等級為0.2級的互感器（CT）。設置電壓測量柜以測量、監視電壓，并提供交流操作電源。

（2）一路市電，兩臺變壓器。變壓器一次側采用單母線接線，高壓開關柜采用戶內金屬鎧裝移開式開關柜，柜內配置真空斷路器。高壓側設有專用電能計量柜和電壓測量柜。二次側采用單母線分段接線。低壓開關柜采用GCK低壓抽出式柜。

（3）兩路市電，兩臺變壓器。變壓器一次側采用單母線分段接線，二次側也采用單母線分段接線。兩路電源均設置電能計量柜。備用電源的投入方式可采取手動投入，也可采取自動投入。低壓進線柜放置在中間，而低壓出線柜則放置在兩側，以便于擴建時添加出線柜。

（4）兩路市電，一路油機及兩臺變壓器。變壓器一次側采用單母線分段接線，二次側采用單母線分段接線。進出線采用真空斷路器。

3、數據中心低壓配電系統

3.1 低壓配電系統配電方式

（1）放射式。低壓配電系統的放射式配電接線方式，其特點是配電線路發生故障時線路間互不影響，供電可靠性高，但導線消耗量大，開關控制設備較多，投資高。適用于對供電可靠性要求高的場合，如空調機組、消防水泵等。

（2）樹干式。樹干式由配電裝置引出一條線路同時向若干用電設備配電，其特點是有色金屬耗量少、造價低。干線故障時影響范圍大，可靠性較低。一般用于用電設備的布置比較均勻、容量不大、又無特殊要求的場合。

（3）混合式。混合式系統是放射式和樹干式配電的結合形式。從變壓器低壓側出線經過低壓斷路器將干線引入某一供電區，然后由支線引入供電設備，局部為樹干式。配電級數不超過3級。

3.2 低壓配電系統接地方式

依據我國現行國標《電壓配電設計規范》GB50054-2019，低壓配電系統按照接地方式不同分為三種：IT、TT、TN系統，配電系統的接地直接關系到用戶的人身和財產安全以及電氣設備和電子設備的正常運行。IT方式供電系統是電源中性點不接地系統，I表示電源側沒有工作接地，T負載側電氣設備外露可導電部分接地保護。一般用于不允許停電或者要求嚴格連續供電的地方，供電距離不長時安全可靠。TT方式供電系統是中性點直接接地系統進行接地保護，負載的接地稱為保護接地。TT系統耗費鋼材，施工不便，應用不廣泛。TN系統即三相四線制系統，將電氣設備正常不帶電的金屬外殼與中性線連接。在我國廣泛采用中性點直接接地運行方式。TN系統按其PE線是否與工作零線分開又分為TN-S、TN-C、TNC-S三種系統形式。

（1）TN-C系統。系統的中性線N和保護線PE線合為一根PEN線，電氣設備的金屬外殼與PEN線相連。由于三相不平衡，PEN線上有不平衡電流，對地有電壓，可能對地面產生火花，不適用于醫院、計算機中心場所。如PEN斷線，則保護接零的漏電設備外殼帶電，不適用民用配電，目前該系統已很少采用。

（2）TN-S系統。系統中性線N與保護線PE是分開的。所有用電設備外金屬外殼均與PE線連接到電源中性點，與系統中性點共用接地體，而不是連接到自己專用的接地體。TN-S系統正常工作時，保護零線沒有電流，只有工作零線上有不平衡電流。PE線對地沒有電壓，用電設備金屬外殼接在專用的保護線上，安全可靠，適用于工業與民用建筑低壓供配電系統，但造價高。

（3）TN-C-S系統。從電源出來的第一部分為TN-C系統，第二部分是TN-S系統，分界點是N線和PE線的連接點。該系統一般用于建筑物有區域變電所供電的場所，進戶線之前TN-C系統，進戶處作重復接地，進戶后變成TN-S系統。

綜上，數據中心低壓配電系統的接地形式宜采用TN系統。采用交流電源的電子信息設備，其配電系統應采用TN-S系統，可以對雷電浪涌進行多級保護，對UPS和電子信息設備進行電磁兼容保護。

4、數據中心UPS電源系統

數據中心供電系統，由高壓配電、變壓器、低壓配電、不間斷電源、末端配電以及發電機等設備組成。其中，不間斷電源UPS在市電電力系統停止供電、柴油發電機啟動之前，在極短的時間取代原有電力設備，持續為用電設備供電。UPS系統對市電有穩壓作用，能在電網電壓波動時穩定電壓。能抑制電網的電力諧波干擾、電壓驟升驟降、電磁干擾等。UPS具有高可靠性和高抗干擾性。

4.1 傳統UPS供電系統

傳統不間斷電源UPS，由整流模塊、逆變模塊和靜態旁路組成，直流母線上掛接蓄電池，輸入交流正常時，經整流和逆變轉換后為負載供電，同時為蓄電池浮充；輸入交流中斷時，蓄電池由浮充轉放電，經逆變器為負載供電。從結構上看，UPS設備可以分為后備式、在線互動式、雙轉換在線式、Delta轉換在線式等類型，其中前兩種主要用于小容量負載（≤5kVA），Delta轉換在線式技術受專利保護，因此，大型數據中心主要采用雙轉換在線式UPS設備。

由于UPS設備結構復雜，因此自身容易發生故障，設備冗余可以提高可用性，UPS系統便有了N、N+X、2N、“市電+U電”等架構。1）N系統滿足基本需求，沒有冗余的UPS設備。其優點是系統結構簡單，硬件配置成本低，UPS工作在設計滿負荷條件下，效率較高。其缺點是可用性低，當UPS發生故障，負載將轉換到旁路供電；在UPS和蓄電池設備維護期間，負載處于無保護電源狀態；存在多個單故障點。2）N+X并聯冗余系統是指由N+X臺型號規格相同且具有并機功能的UPS設備并聯組成的系統，配置N臺UPS設備，其總容量為系統的基本容量，再配置X臺（X＝1～N）UPS冗余設備，允許X臺設備故障退出檢修。3）為了消除單點故障，高等級數據中心通常采用2N冗余系統。該系統是指由兩套或多套UPS系統組成的冗余系統，每套UPS系統N臺UPS設備的總容量為系統的基本容量。這種多電源系統冗余的供電方式，克服單電源系統存在的單點故障瓶頸，對于少數單電源設備的情況，可通過安裝小型STS設備，保證其供電可靠性。4）“市電+U電”在N+1系統基礎上做了改進，UPS設備配置不變，將服務器等雙電源設備的其中1路改由市電直接供電，消除了單點故障，可靠性較N+1系統大大提高，同時，UPS系統的損耗降低為原先的50%。UPS系統整體效率提升至95%以上。UPS的ECO模式帶來了效率的提升，其代價是IT負載由市電供電，UPS必須不斷監視市電狀態，并在發現問題且當該問題尚未影響負載時，迅速切換到逆變器供電。這個聽起來簡單，但實際操作起來非常復雜并且需要承擔很多風險以及潛在的負面影響。

4.2 高壓直流（HVDC）不間斷電源系統

高壓直流系統（HVDC）通過AC/DC整流模塊將380/220V交流市電轉變為240V的直流電，再通過直流輸出屏將240V高壓直流電輸送給各通信設備；利用電力電纜將閥控式鉛酸蓄電池與配電模塊相連接，在市電正常情況下，由高壓直流電為設備提供電能，同時為蓄電池充電；市電異常或中斷，可通過蓄電池為設備供應正常的240V高壓直流電，始終保持通信設備正常工作。該供電方式只需將交流電整流為直流電，結構簡單，效率高。目前，各類網絡設備大多是可以直接使用直流的，因而可直接使用高壓直流供電，去掉了UPS系統的逆變設施，從而降低了電源本身的能耗，提高了數據機房的PUE值，同時，因為少了逆變環節，降低了維護工作量，故障點隨之減少，因此，高壓直流供電方式是值得推廣使用的。

4.3 分布式不間斷電源系統

UPS或HVDC通常采用集中式供電方案，集中式系統的優點是可以實現資源共享，降低成本，其缺點是系統故障范圍大，影響面廣。UPS也有小型機分布式供電方案，但是多套分布式小型機系統與1套集中式大型UPS系統相比，小型機的數量多，故障點多，成本高，因此大中型數據中心不會采用分布式UPS系統。該系統最大特點是分布式供電，無需為該供電系統建設獨立的電力電池室，而且安裝維護方便，很適合運營商的IDC機房改造和中小型數據中心機房使用。

4.4 未來發展趨勢

過去，計算機作為一種非常貴重設備，雙轉換在線式UPS消除了市電電能質量問題，但帶來了6%～10%的電能損失以及其自身可靠性低的問題。 通過冗余可以提高系統可靠性，UPS發展出主備供電、N+1冗余并機、雙總線、分布冗余等方案，相應帶來的是成本和能耗的進一步增加。目前呈現三種趨勢：從在線到離線，UPS ECO模式、DC48V電池備用、DC12V電池備用、DC240V電池備用等本質上都是將電源離線，從而降低電源成本和運行損耗；從集中到分布，隨著鋰電池等新型儲能設備的發展以及大數據時代服務器快速部署、靈活擴展的需要，不間斷電源設備正在從集中到分布；未來數據中心供電發展的整體趨勢是由高壓/集中式/交流大UPS向低壓/分布式/直流小UPS方向發展，由機房外集中式鉛酸電池向IT機柜內分布式小（鋰）電池方向發展，從化石能源向綠色能源方向發展。