“雙碳”目標下數據中心低壓配電系統

摘要：通過對數據中心低壓配電系統供電情況進行研究，從負荷等級、電源要求、現狀問題這3個方面來闡述低壓配電系統供電情況，以節能減排作為核心理念，圍繞供電問題，提出“雙碳”背景下數據中心低壓配電系統供電方案的改進策略，包括改進傳統供電技術方案、高壓直流供電、巴拿馬供電、光儲直柔直流供電、優選備用電源配置方案。旨在最大限度降低數據中心低壓系統的能耗水平，提高節能效果，順利實現綠色用電目標。

關鍵詞：“雙碳”目標數據中心低壓配電系統供電策略

中圖分類號：TP308;TM72

LowVoltageDistributionSysteminDataCentersUnderthe"DualCarbon"Goal

YUGuangzuo1ZHAOZhice2HUANGYun1

1.ChinaMobileCommunicationsGroupShanghaiCo.，Ltd.，Shanghai，200060China;

2.ShanghaiBranchofChinaMobileCommunicationsGroupDesignInstituteCo.，Ltd.，Shanghai，200060China

Abstract：Throughthestudyofthepowersupplysituationofthelow-voltagedistributionsystemindatacenters，thispaperelaboratesonthepowersupplysituationofthelow-voltagedistributionsystemfromthreeaspects：loadlevel，powerrequirements，andcurrentproblems.Takingenergyconservationandemissionreductionasthecoreconcept，improvementstrategiesforthepowersupplyschemeofthelow-voltagedistributionsystemin?;datacentersunderthe"DualCarbon"backgroundareproposed，includingimprovingtraditionalpowersupplytechnologyschemes，high-voltageDCpowersupply，Panamapowersupply，photovoltaicstoragedirectflexibleDCpowersupply，andoptimizingbackuppowersupplyconfigurationschemes.Itaimstominimizetheenergyconsumptionleveloflow-voltagesystemsindatacenters，improveenergyefficiency，andsmoothlyachievethegoalofgreenelectricityconsumption.

KeyWords："DualCarbon"goal;Datacenter;Low-voltagepowerdistributionsystem;Powersupplystrategy

為遏制生態環境持續惡化趨勢，緩解能源供需矛盾，我國提出碳達峰、碳中和的“雙碳”目標，將其作為一項重大戰略，并在國務院印發《2030年前碳達峰行動方案》中明確提出，加強包括數據中心在內的新型基礎設施節能降碳的指導意見。在“雙碳”目標背景下，數據中心原有低壓配電系統供電方案缺乏適用性，暴露出用能結構不合理、電能損耗比例過高、系統結構臃腫等問題有待解決，也是當前一項重要課題。基于此，本文著重對低壓配電系統供電方案做進一步優化與分析。

1數據中心低壓配電系統供電情況

1.1數據中心供電等級

在《數據中心設計規范》（GB50174—2017）、《數據中心電信基礎設施標準》（ANSI/TIA-942-B）等現行規范文件中，把數據中心供電等級從上到下劃分為A級、B級、C級3個級別，各級供電系統的功能定位、配置要求略有不同。第一，A級供電系統以容錯配置作為配置要求，把供電系統拆解為若干獨立部分，各部分運行期間互不影響，基本不會出現供電中斷、數據中心用電設施及信息系統大范圍癱瘓運行的現象[1]。第二，B級供電系統以冗余配置作為配置要求，額外配置備用電源和應急電源，主電源供電中斷或是出現故障問題后，短時間內自動切換至備用電源或應急電源，確保數據中心低壓配電系統平穩運行，供電穩定性較高，可以大幅降低故障出現率。第三，C級供電系統以滿足基本配置作為配置要求，有著結構簡單、建設成本低廉的優勢，但此類系統的可靠性、可用性等級相對最低，容易出現供電中斷、供電異常情況。

1.2供電電源要求

在數據中心低壓配電系統，供電電源要求取決于用電負荷等級，負荷等級越高，電源要求越嚴格。因此，在制訂供電方案時，工作人員必須全面了解數據中心項目情況，以負荷等級作為方案制訂的重要依據。例如：對于一級用電負荷，必須設置兩路外部供電電源，各路電源來源于不同變電站，如果后續運行期間出現一路電源故障問題，仍舊可以滿足低壓配電系統供電需要。對一級負荷中特別重要負荷，則需要在供電系統內額外設置應急電源，禁止在應急供電系統內接入其他等級負荷，或是采取三路以上電源接入方式。此外，也可根據數據中心負荷需求來選擇供電方式，負荷需求較小時采取常規的外部雙路電源接入方式即可，配備應急電源，在電網、應急電源間隔部位加裝機械閉鎖裝置；負荷需求較大時，采取三路電源供電方式，各路電源來自不同變電站，或是來自相同變電站上的不同母線段，通過增加電源路數來提高供電穩定性。

1.3供電現狀問題

在早期數據中心項目，由于缺乏節能意識，在搭建供電系統時，強調于提高供電可靠性與可用性，沒有對電能利用效率問題予以充分重視，缺少相應技術措施，多數項目的PUE電能利用效率超過1.4，而在《2030年前碳達峰行動方案》等政策文件與現行規范文件中，明確指出數據中心電能利用效率不得超過1.3，改建數據中心的PUE不得超過1.4，現有供電系統并未滿足相關要求，亟須升級改造。同時，在低壓配電系統供電期間，在電能質量、供電可靠性、用電經濟性等方面暴露出多項問題，對實際供電效果造成明顯影響。以電能質量問題為例，由于接入大量變流器等電力電子設備，致使系統出現高密度、分散化的諧波源，供電質量有所降低[2]。

22“雙碳”目標下數據中心低壓配電系a+NJp4ZCMy+l0NO3owoEQlVVnrz+R/uR4hnln0zPkd4=統供電策略

2.1改進傳統供電技術方案

在早期數據中心項目，部分低壓配電系統采取“中壓—變送器—UPS—低壓”的供配電方案，以大功率電力電子作為UPS裝置，在供電鏈路內，UPS裝置會產生遠超配電柜、變壓器、電纜等部分的供電損耗，且總體電能損耗遠超出正常水準。而UPS裝置損耗率過高的根本原因在于，運行期間沒有長期維持在最佳運行負載率，實際效率受到負載率的明顯影響。對此，在改進傳統供電技術方案時，工作人員需要從UPS裝置選型、優化控制技術兩方面著手。

第一，UPS裝置選型，UPS裝置主要分為工頻機、高頻機、類模塊化機、模塊化機4個類型，各類型裝置的效率、安全系數、可維護性、采購成本略有不同。優先配備模塊化機，此類裝置由若干模塊相互并聯形成，具備節能模塊，憑借高精確負載率來控制少量模塊處于休眠狀態，根據實際供電需求來調節模塊工作數量，并保持高壓電源、低壓電源的安全間隔距離，避免二者相互影響。同時，考慮到模塊化UPS裝置問世時間較晚，可靠性有待進一步驗證，優先配備主流型號模塊化機，以此來降低供電故障概率。第二，優化控制技術，由新推出的IGBT控制技術來取代落后的晶閘管控制技術，無須額外設置隔離變壓器等裝置，通過簡化系統結構，把平均效率從85%～92%提升至87%～95%。

2.2高壓直流供電

傳統低壓配電系統供電結構由AC/DC轉換器、電池、DC/AC轉換器三部分組成，從市電引入電流，將電流依次進行AC—DC—AC轉換處理后，才能提供給低壓負載設備。對此，可以采取高壓直流供電技術，簡稱為HVDC技術，系統結構由電池、AC/DC轉換器兩部分組成，把電流變換方式由AC/DC/AC簡化形成AC/DC，直接向數據中心內部IT設備供電，并由IT設備內部電源模塊來取代原有的整流器、濾波器等裝置。高壓直流供電方式自問世以來，逐漸取代了落后的UPS供電方式，以《信息通信用240V/360V直流供電系統技術要求和試驗方法》（GB/T38833—2020）作為技術應用指導文件，并編入《國家綠色數據中心先進適用技術產品目錄》當中。根據實際供電情況來看，高壓直流供電技術有著電池不依賴逆變器、省略逆變環節、設備采購成本低廉、易于維護保養的顯著優勢，可以把數據中心低壓配電系統能耗水平降低8%～10%左右，節能效果顯著[3]。同時，工作人員還應重點考慮低壓配電系統后端IT設備、斷路器和配電柜適應性問題、可靠性問題與可擴展性問題，結合項目情況判斷是否具備高壓直流供電技術的應用條件。

2.3巴拿馬供電

巴拿馬供電技術本質上屬于一類高壓直流供電形式，通過省略中間環節來進一步提升系統效率，綜合應用表現超出常規高壓直流供電方案。在供電架構內，巴拿馬供電系統由72脈移相變壓器、調壓整流裝置、DC配電單元、IT負載組成，各路電源保持獨立架構，負責把10kV電壓轉換為240V直流電壓，經過變壓器輸出36相，后續經過調壓整流與配電處理后提供給IT負載設備。常規高壓直流供電架構由變壓器、AC/DC轉換器、DC配電單元和IT負載組成，二者主要區別在于，把常規型號變壓器更換為新型移相變壓器，把AC/DC轉換環節變更為調壓整流環節。根據應用情況來看，巴拿馬供電技術有著占地面積小、系統效率高、采購成本低廉、易于維護保養的優勢。正常情況下，電源占地面積僅為常規配電方案的40%，系統效率長期穩定保持在80%左右，總體采購成本為傳統電源采購成本的70%，電源設備采取模塊化結構，可以直接更換老化模塊。此外，推廣巴拿馬供電技術時，工作人員還應檢查數據中心內部IT設備是否支持直流供電方式，根據項目情況定制移相變壓器，量身定制一套移相變壓器維護保養方案，并在后續把低壓配電系統供電方案提交至項目所在地供電局進行論證審批。

2.4光儲直柔直流供電

傳統低壓配電系統以市電作為供電網絡核心，電流從公共電網流向數據中心低壓配電系統期間，由于供電半徑較大，會產生高昂線損量。同時，我國發電行業以火力發電形式為主，在電能生產期間持續消耗大量化石能源與排放二氧化碳等溫室氣體，對生態環境造成破壞。因此，可以選擇采取光儲直柔直流供電技術，供電網絡由光伏陣列、蓄電池、換流器等部分組成，把設備掛載至直流母線上。在系統供電期間，由光伏陣列持續把所吸收太陽輻射能量轉換為電能，直流電流經過換流器進行DC—AC轉換處理，換流后向IT設備與機房空調系統等負載設備供電，多余電能臨時存儲在蓄電池內，夜間再控制蓄電池向負載設備釋放電流進行不間斷供電[4]。如果光伏系統發電量無法滿足數據中心負荷需求，則并行搭建兩套供電網絡，以光儲直柔直流供電網絡為主，UPS供電網絡或是高壓直流供電網絡為輔。如此，可以最大程度地減輕數據中心低壓配電系統對外部電源的依賴程度，把總體線損量控制在合理范圍內，并由光伏發電形式取代落后的火力發電形式，實現綠色發電、用電的目標。

2.5優選備用電源配置方案

數據中心應急電源主要采取分布式低壓配置、分布式中壓配置、集中式中壓配置等多種配置方式，不同配置方案下的油機系統效率存在明顯差異。對此，在制訂備用電源配置方案時，工作人員必須對各套配置方案進行評價打分，從中挑選綜合評分最高的方案，作為最終備用電源配置方案。第一，油機系統效率。分布式低壓方案選擇在變壓器低壓側進行一對一切換，系統效率相對最高，優先采取這一配置方式。相比之下，分布式中壓方案選擇在變壓器高壓側一對一切換，集中式中壓方案選擇在并機處理后于變壓器高壓側切換，這都需要額外經過一次變壓器，從而產生更高的變壓器能量損耗，這無疑會抬高系統能耗水平，不宜采取這兩類電源配置方式。第二，電源可靠性。分布式低壓方案通過ATS裝置來切換油機和低壓負載，分布式中壓方案選擇于變壓器高壓側切換、后續向低壓負載送電，集中式中壓方案是在并機與高壓側切換完畢后向低壓負載送電。在送配電路徑內，設備串聯數量與供電可靠性成反比，串聯數量越多，則故障點越多、供電可靠性越低，優先采取設備串聯數量較小的分布式低壓配置方案[5]。第三，機房環保系數。分布式低壓方案配備低壓發電機，其他2套電源配置方案則配備大型電通量發電機。由于低壓發電機規格尺寸略小于大型電通量發電機，無須額外安裝機組控制面板，有利于減少系統造價成本，不會消耗過多資源，優先采取分布式低壓配置作為備用電源配置方案。

3結語

綜上所述，為及早實現碳中和、碳達峰目標，消除數據中心低壓配電系統對生態環境造成的負面影響。工作人員應將改進供電方案作為突破口，深入了解數據中心供電情況，找出現有問題，積極落實改進傳統供電技術方案、高壓直流供電、巴拿馬供電等多項改進策略，建設高規格綠色數據中心項目，取得顯著的項目經濟效益及生態效益。

參考文獻

[1] 張震，黃偉男.“雙碳”目標下的數據中心低壓配電系統供電方案選擇[J].電氣時代，2023（1）：24-28.

[2] 張勇軍，羿應棋，李立浧等.雙碳目標驅動的新型低壓配電系統技術展望[J].電力系統自動化，2022，46（22）：1-12.

[3] 林博.數據中心配電系統建設方案[J].中國新通信，2020，22（17）：79-80.

[4] 熊振華.10kV高壓油機作為備用電源在數據中心中的應用[J].通信電源技術，2019，36（1）：223-225，227.

[5] 萬立勇.銀行數據中心機房供配電方案探析[J].電氣應用，2022，41（6）：95-100.