数据中心供配电系统发展趋势分析

数据中心供配电系统发展趋势分析

宋斌

盛京银行股份有限公司 辽宁 沈阳 110000

摘要：随着经济和各行各业的快速发展，随着云计算与AI技术的迅速发展，数据中心基础设施迎来了巨大的发展机遇，也面临着空前的挑战。现有的大多数据中心均使用相同的配电架构为IT设备配电。论文简要分析了现阶段数据中心配电架构，并给出了未来数据中心配电系统的发展趋势，给相关人员提供参考。

关键词：数据中心；供配电系统；发展

引言

在数据中心供配电系统中，配置不间断电源的目的是防止因市电停电或市电异常造成计算机设备、通信设备等负载设备的停机或发生误动作，避免数据中心系统因掉电或供电异常而造成无法预估的损失。所以，降低能耗并提高可靠性已成为数据中心供配电系统的技术发展方向。不同客户对微模块数据中心供配电方案的需求不同，数据中心供应商需要对供配电方式有正确的认识和灵活运用。

1数据中心供配电系统损耗组成

1.1电缆线损

据统计，一个大型数据中心的电力电缆用量巨大，投入运营后，其线损损耗也不可忽略。电缆的线损除了与电缆的长度相关，还与谐波有关，针对谐波对电力电缆损耗的影响进行了详细的分析研究，指出电力电缆由谐波引起的损耗与谐波次数和谐波含有率相关。除此以外，电力电缆的集肤效应和电力电缆与管道中的临近效应也会对电力电缆的损耗产生影响。

1.2变压器损耗

变压器是一个非线性元件，其损耗由空载损耗、短路损耗和杂散损耗三部分构成，这三部分受多种因素影响，因此要准确计算其损耗是一个非常复杂的问题。尽管如此，仍有学者不断进行深入探索，进行的变压器损耗计算方法的研究，通过对多种计算方法的计算结果进行比较，总结适用于电网变压器大范围计算变压器年损耗的方法。多年的研究和实践表明，变压器的损耗可占其额定容量的5%～6%，存在较大的可节约空间。

1.3现阶段数据中心配电系统

数据中心配电系统主要包含中压配电系统、低压配电系统、不间断电源配电系统、柴油发电机组系统等。根据数据中心的建设规模，中压配电系统可选择直接市政引入10kV电源，也可以选择自建35kV变电站或110kV变电站。低压配电系统根据数据中心等级按照GB50174—2017《数据中心设计规范》的附录A配置。不间断电源系统负载包含IT设备和动力设备。IT设备用不间断电源主要为UPS和高压直流HVDC，采用UPS系统2N冗余配置，或1路市电加1路HVDC。动力设备普遍采用UPS系统N+1冗余配置。柴发系统电压等级有中压和低压两类，具体采用哪种电压等级需要从数据中心的规模、投资、运维等方面综合决定。当前大型数据中心主要应用10kV柴发机组作为备用电源。

2未来数据中心配电趋势

2.1提高供配线系统功率参数

为了优化电力系统的节能，需要将提升电力系统的功率因数为依据，确保电网功率的损耗能够大大降低。变压器及电动机作为电力系统中的重要构成设备，本身具有电感性，是引发滞后电流产生的主要原因，进而引发配电系统中的线路电量出现严重的损耗。基于以上情况，要求电力企业中的技术人员在进行用电设备选取时，应以高功率的用电设备为主，为了能够将用电设备中所携带的电感性消除掉，需要对用电不畅电容器进行合理的设置。由于供配电系统中的静电电容器会产生无功电流，无功电流本身在提升功率及补偿滞后电流损耗中会发生重要的作用。因此，要求电力企业中的供配电系统设计人员，应做好节能优化设计工作，并根据现阶段供配电企业中的实际发展情况，合理选择补偿方式，补偿方式包括成组低压补偿、集中高压补偿及分散低压补偿等。

2.2锂电池替代铅酸电池

不间断电源系统是数据中心供电的核心部分，而电池是不间断电源系统的重要组成之一。目前，数据中心备用电池普遍采用阀控铅酸蓄电池，以400kV•AUPS备电15min为例，狭长形高功率电池需配置2~3组，占地面积大约在3.6m2。用电量为10WM的数据中心，电池室面积大约需要800m2。随着数据中心规模的不断扩大，蓄电池室的占地面积可想而知。蓄电池对运行环境温度要求比较高，一般要求约为25℃，长期处于浮充状态，且随着充放电频率增加，充放电效率逐渐下降，导致蓄电池的使用年限一般在3~5年。蓄电池的大量替换对环境也造成了很大的污染。锂电池能量体积密度约200~300W•h/L，能量重量密度100~150W•h/kg，为铅酸电池的2~3倍，具备高可靠、使用寿命长、占地面积小、运维简单等优点。与此同时，锂电池的循环寿命高于铅酸电池，100%DOD的循环寿命3000多次，可以利用这一特性实现波谷储能，波峰放电，从而有效降低数据中心的能耗成本支出。此外，随着边缘数据中心的需求扩大，采用锂电池代替铅酸电池是解决占地面积大、对机房承重高的有效解决方案。

2.3HVDC电源系统

目前常用的是240V高压直流供电系统，它与传统双转换在线式UPS系统的主要区别是取消了逆变环节，其蓄电池挂接在直流母线，与整流器并联，同时为IT设备供电。由于直流电源拓扑简单，因此故障率较传统UPS有所降低；一般都采用模块化设计，可实现在线维护。IT设备电源模块的前端一般是桥式整流电路，从原理上分析，输入由AC220V替换为DC240V时，IT设备仍然可以正常工作。DC240V系统浮充电压为270V，对现有IT设备的兼容性最好，其缺点是配电线路的损耗较大，电源转换效率较低。目前已有数以十万计的IT设备运行在DC240V系统下，其可行性得到较好的实践检验。其效率可以通过元件的选择以及采用离线架构弥补，将电源与负荷就近布置也可抵消配电线路的损耗。综合考虑，240VHVDC目前是数据中心系统中应用最广泛的高压直流电源系统。与双变换在线式UPS应用类似，高压直流目前也以在线应用为主。所谓在线，是指交流电能始终经HVDC整流后为IT设备供电，通常有6%以上的损耗；所谓离线，是指正常情况下市电直供IT设备，HVDC仅为蓄电池提供浮充，市电中断后，转由蓄电池供电，在这种架构下，正常情况为IT设备供电的电能不经过HVDC转换，此部分损耗几乎可以忽略。因此，节能效果显著。

2.4末端供电系统

机房末端供电设计采用列头柜，由列头柜提供双路UPS电源，后端供电为双总线供电模式，为服务器、网络等设备提供双电源配电。机房内的其他单电源设备以及辅助单电源设备采用双电源引入+机架式STS供电，满足单电源设备的供电需求。机房内每台计算机机柜配置2个独立的配电回路，采用双路UPS电源供电方式，分别引自配电列头柜内不同的不间断电源输出系统，设置独立的控制开关，连接至机柜内的PDU。每个配电回路均能满足服务器机柜100%的用电负荷，任何一路空开或线路的故障均不影响另一路电源的正常使用。机房内各回路电缆通过机柜顶的槽道系统敷设到位，通过工业连接器与机柜内PDU相连接。

结语

互联网业务侧数据和流量需求的激增，要求数据中心必须实现快速部署，更多数据中心将实践配电系统模块化的建设理念。随着锂电池成本的不断下降，其在占地面积、使用寿命、初期投资等方面的优势更加突出。同时，节能减排、利用清洁能源是数据中心发展的大势所趋。

参考文献

[1]何羚.电力系统节能措施探索与实践[J].中小企业管理与科技（中旬刊），2019，25（9）：54-56.

[2]刘东芸.节能优化下的电力系统供配电研究[J].科学技术创新，2019，32（22）：168-169.