大型數據中心集成供電系統建設研究與實踐

楊 光，苗潤彭，顧 紅

（1.南京信息職業技術學院 網絡與通信學院，江蘇 南京 210023；2.南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094）

0 引 言

數據中心實質就是標準化的大型電信機房，它以數據為基本管理對象，融合互聯網數據中心（Internet Data Center，IDC）、云計算、區塊鏈、人工智能等新技術于一體，成為集數據、算力、算法三大要素于一身的數據基礎設施，它可以通過利用電信運營商已有的通信線路、帶寬資源來為企事業單位、政府機構、個人提供服務器托管、租用以及相關增值等方面的全方位服務，承載著新一代信息技術海量數據處理存儲和軟件云化的重要作用。國家“新基建”戰略中，明確提出要加快數據中心等新型基礎設施建設進度，未來的數據中心正向著高密度、超大規模方向發展[1,2]。

數據中心建設步伐的加快帶來的高能耗問題逐漸突顯出來。預計在2022年，全國數據中心總機架數將突破400萬，總能耗超過2 000億kW·h，并還在快速增長，到2023年將突破2 500億kW·h，2024年我國數據中心總耗電量將達到全國電力消耗總量的5%～8%[3,4]。在數據中心能耗中，其中IT設備約占46%、空調占43%、電源自身占10%、照明占1%[5]。由此可見，包括服務器、存儲和網絡通信設備在內的IT設備是數據中心能耗的一個重要分支。隨著數據中心規模的不斷擴大，巨大的能源消耗將給未來數據中心的發展和運營帶來沉重的壓力，也不利于我國在“雙碳”背景下的戰略發展理念。供電系統作為數據中心能源供給的“心臟”，在今后的建設中必須向著節能環保、綠色高效、降低成本、方便管理的方向發展[6]。為此，各相關行業部門對數據中心的供電技術開展了大量研究工作，包括改進供電方式，提出高效可靠的供配電系統設計方案，采用新的供電技術等，此外還在電源的使用效能、運行能耗優化措施以及變配電系統的運維管理等方面做了研究工作。

文獻[6]引入光伏發電、儲能裝置等新能源進而設計成數據中心直流供電系統，根據系統運行狀態細化成8種工作模式并有針對性地實施能量控制，從而保障了系統供電的可靠性，使得電能達到最優化使用。文獻[7,8]以一個大型數據中心工程項目為例，介紹了高、低壓供配電系統、不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）供電系統的設計方法，并總結出優化供電架構，實現供電經濟性與可靠性相統一的方法，供企業設計人員參考。文獻[9]梳理了高壓直流供電技術相關通信行業標準的發展歷程以及新的技術標準在原有基礎上的更新迭代，并分析了我國高壓直流技術的發展成果，為設計綠色節能數據中心提供了詳細的標準參考。文獻[10]在對比了傳統的配電架構和平面布局方案后提出了4組成環架構，這是1種新的2N配電架構，它的配電路由和母聯母線最短，能靈活適應不同的平面布局，并且成本低、可靠性高。文獻[11]提出在數據中心使用高壓直流UPS供電系統方案較傳統UPS供電方案相比，更具有節能減排、降低成本的優勢。并通過具體的設計和數據分析，驗證了高壓直流UPS供電方案的優越性。文獻[12]充分利用UPS的儲能功能，構建與光伏電站協同供電的優化模型，從而提高用電效率，并通過仿真計算驗證了模型的有效性和可行性。文獻[13]提出1種UPS運行優化策略，根據UPS電源具有的儲能特性，制定合理的UPS充放電計劃，配合市電電價差異以及可再生能源的利用水平制定合理的購電方案，從而達到提高UPS利用率，減少能耗，降低運行成本的目的，并通過構建優化模型和算法求解驗證該策略的安全可靠性，具有實用價值。

從現有文獻研究來看，對數據中心供電系統的研究和應用仍主要以傳統UPS供電或其改進形式以及高壓直流供電為基礎展開的。本文以現有文獻為基礎，從系統維護、占地面積、總擁有成本等多角度分析數據中心傳統供電方式存在的不足，壓縮供電層級，精簡配電環節，形成新型一體化集成式供電系統并應用到數據中心。以巴拿馬電源和泰山電源為代表，分析集成供電系統的工作原理和系統架構，并給出具體建設方案，最后與傳統供電方式進行應用效果對比分析，從而驗證一體化集成供電系統在大型數據中心建設中具有的高效率、低成本、空間利用率高等優越性。

1 傳統數據中心供電系統面臨的問題

1.1 供電層級多，線路損耗大，維護管理復雜

以傳統主流UPS供電架構為例，10 kV外市電引入后分別要經過高壓配電柜→變壓器→低壓配電柜→UPS輸入配電柜→UPS→UPS輸出配電柜→交流列頭柜→IT機柜，共8級配電，如圖1所示[14]。供電架構縱向層級過多，導致設備種類和數量也增多，供電環節冗長，線路損耗增加，同時龐大復雜的供電系統中包含的各種設備由于生產廠家不同，實現功能不同，設備特性和質量參差不齊，給現場維護管理帶來很多難題，也給數據中心的安全穩定運行埋下隱患。

1.2 供電設備占地面積大，數據中心空間利用率低

數據中心中放有IT機柜的區域為主機房區，供電設備放在輔助區，隨著IT 機架功率密度的提高，供電設備占用面積會越來越大，甚至會超過數據中心機柜總面積的一半以上，導致IT機柜可用面積減少，數據中心空間利用率和土地資源利用率不高。

1.3 交付周期長，總擁有成本降低難度大

傳統供電系統中設備種類多、數量多，且彼此關聯性強，導致建設期設備采購周期、生產周期和供貨周期延長，期間任何一個環節出現問題都會相互牽連，影響工程進度和交付時間。過多的供電設備導致數據中心建設投資成本增加，據統計供電系統投資預占總投資的60%，同時也會導致數據中心運營成本增加，在數據中心運營成本中電費支出約占總成本的51%[14-16]。因此，只有減少供電系統設備數量，降低復雜程度，減少總擁有成本，才能提高數據中心運營商的生存和發展能力，具備市場競爭優勢。

2 綠色數據中心一體化集成供電系統

未來隨著數據中心規模不斷擴大，供電系統必須向著高效、節能、綠色方向發展。目前，業內已經開始對數據中心供配電系統開展產品模塊化、實施預制化方面的研究和探索，可以預見，這將成為今后數據中心供配電系統革新的方向。本文主要以具有代表性的巴拿馬電源系統、泰山電源系統為例，分析一體化集成供電系統的原理架構，并結合應用案例來和傳統供電系統進行性能指標對比，進一步闡述一體化集成供電系統在未來數據中心發展中的應用前景。

2.1 巴拿馬電源系統

巴拿馬電源系統是2019 年11月由阿里巴巴推出的全新數據中心供電方案，現已經在阿里巴巴、浙江、江蘇等地多個數據中心項目中投入運行。該供電系統將傳統的從10 kV到交流 UPS或高壓直流間7～8級供電結構進行優化集成，極大地縮短了供電路徑，達到高效供電目的。其設計理念類似于當年通過開挖巴拿馬運河來縮短大西洋和太平洋之間的航程一樣，顧起名為巴拿馬電源。

2.1.1 工作原理

巴拿馬電源技術核心是采用多繞組、多脈沖移相變壓器取代傳統的工頻變壓器。相移變壓器屬于整流變壓器一種，由于整流裝置的單相導電作用，引起整流變壓器交變磁場波形的畸變，輸入諧波增多，通過對整流變壓器高壓側進行移相，可有效抑制諧波。圖2所示是由12繞組(72脈沖)移相變壓器構成的巴拿馬電源系統，10 kV市電輸入后，經相移變壓器進行相移變換后分別由多個不同相移角二次繞組輸出后再疊加復用，有效消除了原邊輸入的諧波成分，起到減少變壓器副邊繞組短路電流，穩定輸出的作用。常見的多脈沖設計有36脈沖、72脈沖、96脈沖，通過增加脈沖數，可以起到進一步提高功率因數和降低輸入總諧波失真率的目的[17-19]。

2.1.2 電源系統架構

采用相移變壓器后巴拿馬電源取消了傳統電源系統里的功率因數校正電路和濾波電路，減少了供電鏈路中的開關器件，從而大大簡化了配電環節。

從整個數據中心供電架構的發展歷程來看，大致可以分成3個階段，第一階段為UPS供電，供電層級多，系統復雜，整體效率不高。第二階段為高壓直流供電，通過采用240 V/336 V高壓直流供電系統替換傳統的UPS給設備供電，實現了模塊化設計，降低了成本，提升了效率。第三階段即為巴拿馬電源，它將中壓配電、隔離變壓、低壓配電以及模塊化整流器和輸出配電等環節進行優化，整合集成由10 kV進線柜、移相變壓器柜、整流柜和直流輸出柜組成的一體化電源，可以實現10 kV直轉240 V/336 V直流供電。與前2種供電架構相比，其節省占地面積，可靠性更高、更便于維護，而且整體效率進一步提升。圖3展示了巴拿馬電源架構在高壓直流基礎上的優化整合過程。

2.1.3 2N巴拿馬電源供電建設方案舉例

（1）供電架構。2N巴拿馬供電方案，是巴拿馬電源系統的一種主要架構方案，系統由2路巴拿馬電源構成且對IT設備互為冗余備份，系統架構如圖4所示。

（2）常用系統配置及參數。以某大型數據中心采用雙路2.4 MW-直流240 V巴拿馬電源系統供電方案為例，根據機房空調的制冷能力確定數據中心機房最大負載功率為2 350 kW,則每臺整流柜正常輸出為2 350÷5÷4=94 kW，由于采用2N輸出，故當一路發生故障時，每臺整流柜最大承受負載功率為294×2=588 kW。整流柜在210 ～240 V工作時，整流模塊恒流輸出130 A工作電流，則在最低輸出電源210 V下，整流模塊的輸出功率為130×210=27.3 kW，按單側巴拿馬電源停機，全部負載僅由1路電源供電，且最高供電效率為98%計算，1臺整流柜的 輸出功率為588÷98%=600 kW，則整流柜中配置的最低模塊數約為600÷27.3=22個。按照冗余模塊配置原則，每10個備用1個，不足10個備用1個，需要備用3個整流模塊。蓄電池容量按負載功率的10%估算為294×10%=29.4 kW（＜30 kW），故需要配置2個充電模塊，所以1臺整流輸出柜共需配置模塊數為27個。具體配置及參數如表1所示。

表1 2.4 MW 2路巴拿馬電源系統配置及參數

（3）與傳統供配電設計方案對比在相同IT負荷，相同供電系統容量，同為2N供電配置前提下，現將以上數據中心巴拿馬供電方案與傳統的UPS和高壓直流供電方案在設備配置、占地面積、建設周期、經濟成本等方面進行對比，如表2所示。

表2 單路巴拿馬電源與傳統供配電系統設計方案技術經濟性對比

（4）巴拿馬電源應用情況分析。通過以上介紹，巴拿馬電源與傳統供配電系統相比，具有以下優點：①在配置上所需設備的種類和數量最少，而且可以由同一供應商提供標準化產品，因此能減少60%的設備數量，從而減少投資成本20%以上，安裝工程量降低40%。②由于巴拿馬電源系統精簡了供電系統中配電層級，增加了整流部分并聯冗余模塊數量，可靠性進一步提高，與高壓直流相比，平均無故障時間提升大約27%，可以實現5年內免維護。③巴拿馬電源采用移相變壓器實現輸入波形濾波取代傳統功率因數調節環節，整流調壓峰值效率98%～98.5%，整體峰值效率可達到97.5%。圖5為巴拿馬電源與高壓直流電源供電效率對比。由圖5可見，巴拿馬電源效率高于高壓直流。尤其在輕載情況下，效率優勢更為明顯。

2.2 泰山電源系統

2.2.1 工作原理

泰山電源系統是九通（上海）能源科技公司在我國城市電網可靠性已達99.9%的前提下，為了降低數據中心電能損耗而提出的并聯型市電直供技術方案。其工作原理就是把非線性負載的常態電能質量問題和電網的偶發電能質量問題進行解耦控制。當市電正常時，逆變器工作在受控電流源模式，治理非線性負載的諧波、無功和電流不平衡問題。當檢測到電網異常時，快速柔性脫離電網，以受控電壓源的模式，為負載提供能源。泰山電源具有快速應對市電電壓畸變的響應策略，采用快速電壓檢測專利算法，在0.5 ms內即可檢測出電壓異常并關斷晶閘管，整個裝置的檢測切換時間小于1 ms，快速可靠，電壓零中斷從而能較好地適應數據中心非線性負載的應用場景，原理如圖6所示。

2.2.2 電源系統架構

泰山電源系統采用一體化設計，合并了10 kV中壓柜、變壓器、功率柜等設備，極大地節省了數據中心供電系統的占地面積，其主要設備由功率柜組成，功率柜由配電部分（主要是開關）、可控硅、AC/DC雙向逆變器以及DC/DC 模塊組成，如圖7所示。單個標準功率柜由4 個125 kVA 的模塊并聯，可為IT 負載提供單路500 kVA的保護容量，支持最大10個模塊并聯，單功率柜最大輸出容量1 250 kVA。功率柜間可實現并聯，最大負載量與變壓器容量匹配，例如2 500 kVA變壓器的最佳工作狀態的負載率為80%～95%，因此單套泰山電源系統最多并聯4～5個標準功率柜，即為IT負載提供2 000 ～2 400 kVA的負載保護容量。功率柜內模塊采用抽屜式設計，方便擴容和在線維護。

2.2.3 泰山電源與傳統UPS系統建設方案對比

以某移動公司項目為例，預建設3層數據中心機房，現對采用傳統UPS和泰山電源2種設計方案進行對比。

（1）配置規模與成本造價。采用2種電源設計方案所需的設備規模及工程造價如表3所示。

表3 泰山電源與傳統供配電系統設計方案技術經濟性對比

從表3可見，泰山電源系統因采用一體化預裝集成設計，節省了補償柜、低壓饋線柜、UPS電池柜等設備投資，折合每kVA造價較UPS方案下降約2 748元。

（2）占地面積。UPS方案中，3層數據中心可用作數據機房面積約650m2，2樓設置IDC1和IDC2兩個機房，可安裝224個IDC機架，配套UPS及蓄電池組安裝在1樓。3樓用于未來規劃1個IDC機房，可以安裝138個IDC機架，并配一個電力電池室，平面布置如圖8所示。采用泰山電源系統方案后，泰山電源可全部放置在一樓的配電間內，如圖9所示，3樓原平面設計圖（圖8）中電力電池室區域，面積約248 m2，可用來放置約86架服務器機架。2種方案對比可見，泰山電源占地面積更少，為中心機房節省空間，按照機房服務器年租金4.8萬元計算，可增加年租金為412.8萬元，提高了經濟效益。

（3）供電效率。采用2N冗余UPS 供電架構，單套UPS系統最大負載率均小于50%，整體供電效率約為93%，若采用泰山電源系統，其供電系統效率超過99%，較之交流UPS供電方式提升供電效率約6%,從而將會有效降低運營階段電費成本。

2.2.4 泰山電源應用情況分析

通過以上的對比建設方案可見，泰山電源更有利于減少投資成本、縮小占地面積和提高供電效率。除此之外，泰山電源在實際應用時，還具有以下優勢：①泰山電源系統功率模塊并聯在供電電路中，而不像傳統UPS系統中整流器和逆變器的串聯結構，任何一個變換環節出現問題，均可能導致該路供電中斷，因此可靠性更高。泰山電源系統中可控硅的抗短路電流能力是UPS系統中整流單元采用的絕緣柵雙極型晶體管的30倍，安全性更高。②采用泰山電源系統方案后，可避免變壓器、蓄電池等重量較大的設備上樓層，降低了樓層承重要求，無需因承重不足再做加固處理。③由于泰山電源系統減少了大量開關柜、配電柜的使用，且所有供配電設備集中放置，降低了系統故障風險，且減少了運維人員的日常巡檢和維護工作量。④泰山電源系統采用模塊化設計，采用抽屜式的插拔方式，可根據負載擴充而隨時進行擴容，減少初期設備投資。蓄電池也可靈活配置，可將蓄電池組接到每個單獨功率模塊，實現電池組隨模塊擴容，利于實現同組電池必須同期的管理要求。

3 結 論

本文列舉了傳統數據中心供電系統面臨的問題，引入新型一體化集成供電系統，并以巴拿馬電源和泰山電源為代表從電源架構、設備配置、參數計算、平面布局等幾方面介紹數據中心供電系統建設方案，并與傳統供電系統進行對照分析，得出以下結論。

（1）一體化集成供電系統作為數據中心供配電系統節能創新變革下衍生的新發展方向，其具備省空間、降線損、模塊集約、成品預制、快速交付等諸多優勢。

（2）一體化集成供電系統能夠充分利用電源系統的容量，降低電源系統的總擁有成本，從而實現了節能、降低建設數據中心成本的目的，更適應未來大型、超大型數據中心的發展方向，已引發廣大數據中心建設方、設計方、設備廠家等廣泛關注，并已逐漸在互聯網頭部企業和運營商數據中心試點應用。

（3）從應用類型來看，由于集成供電系統的供電架構與傳統不間斷電源不同，所以對于已建成的采用不間斷電源的數據中心，不太適合對其更新替換，而更適合新建的數據中心。

一體化集成供電系統從研發到投入運行雖只有5年左右的時間，但是由于它的高效節能的優勢受到了眾多互聯網客戶及運營商的青睞，目前已在阿里、移動、聯通、數據港等數據中心安裝運行。隨著“雙碳”目標的提出，未來發展綠色數據中心是必然趨勢，在數據中心供電技術不斷演進變革的背景下，集成供電系統將體現出更寬廣的市場前景和技術優勢。