數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)研究

文／楊海健 中國通信建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100079

1、數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)組成

任何現(xiàn)代化的IT設(shè)備都離不開電源系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)是為機(jī)房內(nèi)所有需要動力電源的設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠的動力電源支持的系統(tǒng)。供配電系統(tǒng)于整個數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)來說有如人體的心臟-血液系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)是從電源線路進(jìn)用戶起經(jīng)過高/低壓供配電設(shè)備到負(fù)載止的整個電路系統(tǒng)，將主要包括：高壓變配電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、自動轉(zhuǎn)換開關(guān)系統(tǒng)（ATSE）、輸入低壓配電系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)（UPS，Uninterruptible Power System）系統(tǒng)、UPS列頭配電系統(tǒng)和機(jī)架配電系統(tǒng)、電氣照明、防雷及接地系統(tǒng)。

高壓變配電系統(tǒng)電網(wǎng)(6kV/10kV/35kV)→(380V/40 0V)，供后級低壓設(shè)備用電。柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是后備電源，一旦市電失電，迅速啟動為后級低壓設(shè)備提供備用電源。自動轉(zhuǎn)換開關(guān)系統(tǒng)（ATSE）自動完成市電與市電或者市電與柴油發(fā)電機(jī)之間的備用切換。輸入低壓配電系統(tǒng)負(fù)責(zé)電能分配，將前級電能按照要求、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范分配給各類用電設(shè)備。UPS系統(tǒng)主要作用是電能凈化、電能后備，為IT負(fù)載提供純凈、可靠的用電保護(hù)。UPS輸出列頭配電系統(tǒng)完成UPS輸出電能分配，將電能按照要求與標(biāo)準(zhǔn)分配給各種類型的IT設(shè)備。機(jī)架配電系統(tǒng)負(fù)責(zé)機(jī)架內(nèi)的電能分配。

2、數(shù)據(jù)中心高壓配電系統(tǒng)

2.1 電氣主接線

高壓系統(tǒng)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(shè)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(yōu)點(diǎn)是接線簡單、設(shè)備用量少、經(jīng)濟(jì)實用、有利于電源互為備用及負(fù)荷間的合理分配、有利于擴(kuò)建和采用成套配電裝置；缺點(diǎn)是不夠靈活可靠。母線范圍內(nèi)發(fā)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(dāng)用于一臺發(fā)電機(jī)或一臺主變壓器時，6kV～10kV配電裝置出線回路數(shù)≤5回；35kV配電裝置出線回路數(shù)≤3回。

（2）單母線分段接線。當(dāng)進(jìn)出線回路數(shù)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(diǎn)：用分段斷路器把母線分段后，對重要負(fù)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?？s小了母線故障的影響范圍。母線和母線隔離開關(guān)檢修僅停一半，提高了靈活性。6kV～10kV配電裝置出線回路數(shù)為6回及以上。35kV配電裝置出線回路數(shù)為4～8回。

2.2 典型建設(shè)方案

（1）一路市電，一臺變壓器。主接線變壓器一次側(cè)采用線路-變壓器組單元接線，二次側(cè)采用單母線接線。10kV高壓側(cè)設(shè)專用電能計量柜，柜中設(shè)專用的、精度等級為0.2級的互感器（CT）。設(shè)置電壓測量柜以測量、監(jiān)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(cè)采用單母線接線，高壓開關(guān)柜采用戶內(nèi)金屬鎧裝移開式開關(guān)柜，柜內(nèi)配置真空斷路器。高壓側(cè)設(shè)有專用電能計量柜和電壓測量柜。二次側(cè)采用單母線分段接線。低壓開關(guān)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(cè)采用單母線分段接線，二次側(cè)也采用單母線分段接線。兩路電源均設(shè)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(jìn)線柜放置在中間，而低壓出線柜則放置在兩側(cè)，以便于擴(kuò)建時添加出線柜。

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

3、數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)

3.1 低壓配電系統(tǒng)配電方式

（1）放射式。低壓配電系統(tǒng)的放射式配電接線方式，其特點(diǎn)是配電線路發(fā)生故障時線路間互不影響，供電可靠性高，但導(dǎo)線消耗量大，開關(guān)控制設(shè)備較多，投資高。適用于對供電可靠性要求高的場合，如空調(diào)機(jī)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(shè)備配電，其特點(diǎn)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(shè)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?；旌鲜较到y(tǒng)是放射式和樹干式配電的結(jié)合形式。從變壓器低壓側(cè)出線經(jīng)過低壓斷路器將干線引入某一供電區(qū)，然后由支線引入供電設(shè)備，局部為樹干式。配電級數(shù)不超過3級。

3.2 低壓配電系統(tǒng)接地方式

依據(jù)我國現(xiàn)行國標(biāo)《電壓配電設(shè)計規(guī)范》GB50054-2019，低壓配電系統(tǒng)按照接地方式不同分為三種：IT、TT、TN系統(tǒng)，配電系統(tǒng)的接地直接關(guān)系到用戶的人身和財產(chǎn)安全以及電氣設(shè)備和電子設(shè)備的正常運(yùn)行。IT方式供電系統(tǒng)是電源中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，I表示電源側(cè)沒有工作接地，T負(fù)載側(cè)電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分接地保護(hù)。一般用于不允許停電或者要求嚴(yán)格連續(xù)供電的地方，供電距離不長時安全可靠。TT方式供電系統(tǒng)是中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)進(jìn)行接地保護(hù)，負(fù)載的接地稱為保護(hù)接地。TT系統(tǒng)耗費(fèi)鋼材，施工不便，應(yīng)用不廣泛。TN系統(tǒng)即三相四線制系統(tǒng)，將電氣設(shè)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(diǎn)直接接地運(yùn)行方式。TN系統(tǒng)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(tǒng)形式。

（1）TN-C系統(tǒng)。系統(tǒng)的中性線N和保護(hù)線PE線合為一根PEN線，電氣設(shè)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(chǎn)生火花，不適用于醫(yī)院、計算機(jī)中心場所。如PEN斷線，則保護(hù)接零的漏電設(shè)備外殼帶電，不適用民用配電，目前該系統(tǒng)已很少采用。

（2）TN-S系統(tǒng)。系統(tǒng)中性線N與保護(hù)線PE是分開的。所有用電設(shè)備外金屬外殼均與PE線連接到電源中性點(diǎn)，與系統(tǒng)中性點(diǎn)共用接地體，而不是連接到自己專用的接地體。TN-S系統(tǒng)正常工作時，保護(hù)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(shè)備金屬外殼接在專用的保護(hù)線上，安全可靠，適用于工業(yè)與民用建筑低壓供配電系統(tǒng)，但造價高。

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

綜上，數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)的接地形式宜采用TN系統(tǒng)。采用交流電源的電子信息設(shè)備，其配電系統(tǒng)應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)，可以對雷電浪涌進(jìn)行多級保護(hù)，對UPS和電子信息設(shè)備進(jìn)行電磁兼容保護(hù)。

4、數(shù)據(jù)中心UPS電源系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)，由高壓配電、變壓器、低壓配電、不間斷電源、末端配電以及發(fā)電機(jī)等設(shè)備組成。其中，不間斷電源UPS在市電電力系統(tǒng)停止供電、柴油發(fā)電機(jī)啟動之前，在極短的時間取代原有電力設(shè)備，持續(xù)為用電設(shè)備供電。UPS系統(tǒng)對市電有穩(wěn)壓作用，能在電網(wǎng)電壓波動時穩(wěn)定電壓。能抑制電網(wǎng)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(tǒng)UPS供電系統(tǒng)

傳統(tǒng)不間斷電源UPS，由整流模塊、逆變模塊和靜態(tài)旁路組成，直流母線上掛接蓄電池，輸入交流正常時，經(jīng)整流和逆變轉(zhuǎn)換后為負(fù)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(zhuǎn)放電，經(jīng)逆變器為負(fù)載供電。從結(jié)構(gòu)上看，UPS設(shè)備可以分為后備式、在線互動式、雙轉(zhuǎn)換在線式、Delta轉(zhuǎn)換在線式等類型，其中前兩種主要用于小容量負(fù)載（≤5kVA），Delta轉(zhuǎn)換在線式技術(shù)受專利保護(hù)，因此，大型數(shù)據(jù)中心主要采用雙轉(zhuǎn)換在線式UPS設(shè)備。

由于UPS設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此自身容易發(fā)生故障，設(shè)備冗余可以提高可用性，UPS系統(tǒng)便有了N、N+X、2N、“市電+U電”等架構(gòu)。1）N系統(tǒng)滿足基本需求，沒有冗余的UPS設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，硬件配置成本低，UPS工作在設(shè)計滿負(fù)荷條件下，效率較高。其缺點(diǎn)是可用性低，當(dāng)UPS發(fā)生故障，負(fù)載將轉(zhuǎn)換到旁路供電；在UPS和蓄電池設(shè)備維護(hù)期間，負(fù)載處于無保護(hù)電源狀態(tài)；存在多個單故障點(diǎn)。2）N+X并聯(lián)冗余系統(tǒng)是指由N+X臺型號規(guī)格相同且具有并機(jī)功能的UPS設(shè)備并聯(lián)組成的系統(tǒng)，配置N臺UPS設(shè)備，其總?cè)萘繛橄到y(tǒng)的基本容量，再配置X臺（X＝1～N）UPS冗余設(shè)備，允許X臺設(shè)備故障退出檢修。3）為了消除單點(diǎn)故障，高等級數(shù)據(jù)中心通常采用2N冗余系統(tǒng)。該系統(tǒng)是指由兩套或多套UPS系統(tǒng)組成的冗余系統(tǒng)，每套UPS系統(tǒng)N臺UPS設(shè)備的總?cè)萘繛橄到y(tǒng)的基本容量。這種多電源系統(tǒng)冗余的供電方式，克服單電源系統(tǒng)存在的單點(diǎn)故障瓶頸，對于少數(shù)單電源設(shè)備的情況，可通過安裝小型STS設(shè)備，保證其供電可靠性。4）“市電+U電”在N+1系統(tǒng)基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，UPS設(shè)備配置不變，將服務(wù)器等雙電源設(shè)備的其中1路改由市電直接供電，消除了單點(diǎn)故障，可靠性較N+1系統(tǒng)大大提高，同時，UPS系統(tǒng)的損耗降低為原先的50%。UPS系統(tǒng)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(fù)載由市電供電，UPS必須不斷監(jiān)視市電狀態(tài)，并在發(fā)現(xiàn)問題且當(dāng)該問題尚未影響負(fù)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(fù)雜并且需要承擔(dān)很多風(fēng)險以及潛在的負(fù)面影響。

4.2 高壓直流（HVDC）不間斷電源系統(tǒng)

高壓直流系統(tǒng)（HVDC）通過AC/DC整流模塊將380/220V交流市電轉(zhuǎn)變?yōu)?40V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(shè)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(shè)備提供電能，同時為蓄電池充電；市電異?；蛑袛啵赏ㄟ^蓄電池為設(shè)備供應(yīng)正常的240V高壓直流電，始終保持通信設(shè)備正常工作。該供電方式只需將交流電整流為直流電，結(jié)構(gòu)簡單，效率高。目前，各類網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(tǒng)的逆變設(shè)施，從而降低了電源本身的能耗，提高了數(shù)據(jù)機(jī)房的PUE值，同時，因為少了逆變環(huán)節(jié)，降低了維護(hù)工作量，故障點(diǎn)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(tǒng)

UPS或HVDC通常采用集中式供電方案，集中式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以實現(xiàn)資源共享，降低成本，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)故障范圍大，影響面廣。UPS也有小型機(jī)分布式供電方案，但是多套分布式小型機(jī)系統(tǒng)與1套集中式大型UPS系統(tǒng)相比，小型機(jī)的數(shù)量多，故障點(diǎn)多，成本高，因此大中型數(shù)據(jù)中心不會采用分布式UPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)最大特點(diǎn)是分布式供電，無需為該供電系統(tǒng)建設(shè)獨(dú)立的電力電池室，而且安裝維護(hù)方便，很適合運(yùn)營商的IDC機(jī)房改造和中小型數(shù)據(jù)中心機(jī)房使用。

4.4 未來發(fā)展趨勢

過去，計算機(jī)作為一種非常貴重設(shè)備，雙轉(zhuǎn)換在線式UPS消除了市電電能質(zhì)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(tǒng)可靠性，UPS發(fā)展出主備供電、N+1冗余并機(jī)、雙總線、分布冗余等方案，相應(yīng)帶來的是成本和能耗的進(jìn)一步增加。目前呈現(xiàn)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(zhì)上都是將電源離線，從而降低電源成本和運(yùn)行損耗；從集中到分布，隨著鋰電池等新型儲能設(shè)備的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)時代服務(wù)器快速部署、靈活擴(kuò)展的需要，不間斷電源設(shè)備正在從集中到分布；未來數(shù)據(jù)中心供電發(fā)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(fā)展，由機(jī)房外集中式鉛酸電池向IT機(jī)柜內(nèi)分布式小（鋰）電池方向發(fā)展，從化石能源向綠色能源方向發(fā)展。