秦晓霞，赵颖
北方工程设计研究院有限公司 河北石家庄 050000
摘要：近年来，经济的发展，促进我国科技水平的提升。随着科学技术的飞速发展，数据中心供配电系统也在不断创新和发展。数据中心是指在一个物理空间内实现信息的集中处理、传输、交换、存储、管理。数据量的大量增长使得现有应用系统及存储容量难以适应企业需要。因此数据中心的大容量、高可靠性非常重要。供电供给是数据中心基础中的基础，数据中心发生的故障因素中，供电系统影响力是最大的，无论IT设备设计的多么精密、系统功能配置多么优越、可靠性多么高，一旦供电系统故障断电，再好的设备系统也无法再运转。本文就浅析数据中心供配电架构展开探讨。
关键词：数据中心；配电；架构
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。不间断电源UPS是数据中心供配电系统不间断供电的重要保障，将直接影响数据中心的可靠性；另外，数据中心中UPS的损耗较大，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数据中心供配电架构
2.1采用高压直流系统替代UPS系统
20世纪90年代末，高压直流电源系统问世。通过多年研究和实践，高压直流电源系统开始被应用到数据中心。其所取得效果优于UPS系统，如高凯亮等的研究表明高压直流电源系统无论是在何种的负载率下，其系统效率均优于UPS系统，因此目前高压直流电源系统正逐渐开始取代UPS系统，成为数据中心中保障服务器供电电源设备。
2.2HVDC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。
2.3精密配电柜-机柜
（1）精密配电柜。数据中心机房的机柜为服务器等IT设备的载体，为机柜供电的设备叫精密配电柜，精密配电柜是机房一列机柜最顶端的一个机柜设备，所以又叫为列头柜，在一列机柜最末端的称为列尾柜，精密配电柜的功能是对这一列机柜所带的交直流负载提供电源，精密配电柜可起到电能分配，数据的监控，数据的测量、设备的保护、设备的告警等功能。列头柜里边设计了很多断路器。机柜为IT设备的载体，IT设备的电源供给可采用2N配置，一路电源市电或线路故障后，由另一路电源提供全部电能。（2）母线槽。精密配电柜的良好替代产品有母线槽-插接箱产品，母线槽设备是由钢板或者铝板作为的保护外壳、绝缘材料、导电铜排、有关附件组成的配电母线系统。在配电母线上每隔一段距离（例如15cm）配置一个可插接插接箱的预留位置。母线槽相对精密配电柜优点：减少数据中心机房的地面使用空间，提高数据中心机房面积使用率；按需快速配置或更换插接箱；满足异形设备部署；插接箱可多次重复使用，运维成本低，线路免维护；模块化设计，在母线槽整体容量允许的情况下实现任意扩展。母线槽相对精密配电柜缺点：设备安装于模块机房顶部或底部，对连接PDU的电源线缆有定制要求；母线槽系统投资高。前期建设资金需求大。国产母线槽系统为精密配电柜投资的1.3～1.5倍，进口母线槽系统约为精密配电柜的1.5～2倍。相比于国内应用案例，国外生产的母线槽系统稳定性及可靠性较好。
2.4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。
结语
数据中心属于高能耗机构，电能利用率低，面临着节约成本的严峻挑战，数据中心采用的节能绿色配电构建越来越多受到数据中心决策者及管理人员的关注，节能型配电架构将成为数据中心的发展趋势。
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