数据中心供配电系统研究

文／杨海健 中国通信建设集团有限公司 北京 100079

1、数据中心供配电系统组成

任何现代化的IT设备都离不开电源系统，数据中心供配电系统是为机房内所有需要动力电源的设备提供稳定、可靠的动力电源支持的系统。供配电系统于整个数据中心系统来说有如人体的心脏-血液系统。数据中心供配电系统是从电源线路进用户起经过高/低压供配电设备到负载止的整个电路系统，将主要包括：高压变配电系统、柴油发电机系统、自动转换开关系统（ATSE）、输入低压配电系统、不间断电源系统（UPS，Uninterruptible Power System）系统、UPS列头配电系统和机架配电系统、电气照明、防雷及接地系统。

高压变配电系统电网(6kV/10kV/35kV)→(380V/40 0V)，供后级低压设备用电。柴油发电机系统是后备电源，一旦市电失电，迅速启动为后级低压设备提供备用电源。自动转换开关系统（ATSE）自动完成市电与市电或者市电与柴油发电机之间的备用切换。输入低压配电系统负责电能分配，将前级电能按照要求、标准与规范分配给各类用电设备。UPS系统主要作用是电能净化、电能后备，为IT负载提供纯净、可靠的用电保护。UPS输出列头配电系统完成UPS输出电能分配，将电能按照要求与标准分配给各种类型的IT设备。机架配电系统负责机架内的电能分配。

2、数据中心高压配电系统

2.1 电气主接线

高压系统电气主接线采用单母线或单母线分段接线。

（1）单母线接线。单母线接线是设母线配电装置最简单的接线，所有电源和出线都接在同一组母线上。优点是接线简单、设备用量少、经济实用、有利于电源互为备用及负荷间的合理分配、有利于扩建和采用成套配电装置；缺点是不够灵活可靠。母线范围内发生故障或母线及母线QS检修时，需停止供电；任一回路OF检修时，该回路停电。适用于出线回路少的小型配电所，当用于一台发电机或一台主变压器时，6kV～10kV配电装置出线回路数≤5回；35kV配电装置出线回路数≤3回。

（2）单母线分段接线。当进出线回路数较多、采用单母线不能满足可靠性要求时，可采用单母线分段接线。特点：用分段断路器把母线分段后，对重要负荷可由不同母线段分别引出一个回路，双电源供电，提高了可靠性。缩小了母线故障的影响范围。母线和母线隔离开关检修仅停一半，提高了灵活性。6kV～10kV配电装置出线回路数为6回及以上。35kV配电装置出线回路数为4～8回。

2.2 典型建设方案

（1）一路市电，一台变压器。主接线变压器一次侧采用线路-变压器组单元接线，二次侧采用单母线接线。10kV高压侧设专用电能计量柜，柜中设专用的、精度等级为0.2级的互感器（CT）。设置电压测量柜以测量、监视电压，并提供交流操作电源。

（2）一路市电，两台变压器。变压器一次侧采用单母线接线，高压开关柜采用户内金属铠装移开式开关柜，柜内配置真空断路器。高压侧设有专用电能计量柜和电压测量柜。二次侧采用单母线分段接线。低压开关柜采用GCK低压抽出式柜。

（3）两路市电，两台变压器。变压器一次侧采用单母线分段接线，二次侧也采用单母线分段接线。两路电源均设置电能计量柜。备用电源的投入方式可采取手动投入，也可采取自动投入。低压进线柜放置在中间，而低压出线柜则放置在两侧，以便于扩建时添加出线柜。

（4）两路市电，一路油机及两台变压器。变压器一次侧采用单母线分段接线，二次侧采用单母线分段接线。进出线采用真空断路器。

3、数据中心低压配电系统

3.1 低压配电系统配电方式

（1）放射式。低压配电系统的放射式配电接线方式，其特点是配电线路发生故障时线路间互不影响，供电可靠性高，但导线消耗量大，开关控制设备较多，投资高。适用于对供电可靠性要求高的场合，如空调机组、消防水泵等。

（2）树干式。树干式由配电装置引出一条线路同时向若干用电设备配电，其特点是有色金属耗量少、造价低。干线故障时影响范围大，可靠性较低。一般用于用电设备的布置比较均匀、容量不大、又无特殊要求的场合。

（3）混合式。混合式系统是放射式和树干式配电的结合形式。从变压器低压侧出线经过低压断路器将干线引入某一供电区，然后由支线引入供电设备，局部为树干式。配电级数不超过3级。

3.2 低压配电系统接地方式

依据我国现行国标《电压配电设计规范》GB50054-2019，低压配电系统按照接地方式不同分为三种：IT、TT、TN系统，配电系统的接地直接关系到用户的人身和财产安全以及电气设备和电子设备的正常运行。IT方式供电系统是电源中性点不接地系统，I表示电源侧没有工作接地，T负载侧电气设备外露可导电部分接地保护。一般用于不允许停电或者要求严格连续供电的地方，供电距离不长时安全可靠。TT方式供电系统是中性点直接接地系统进行接地保护，负载的接地称为保护接地。TT系统耗费钢材，施工不便，应用不广泛。TN系统即三相四线制系统，将电气设备正常不带电的金属外壳与中性线连接。在我国广泛采用中性点直接接地运行方式。TN系统按其PE线是否与工作零线分开又分为TN-S、TN-C、TNC-S三种系统形式。

（1）TN-C系统。系统的中性线N和保护线PE线合为一根PEN线，电气设备的金属外壳与PEN线相连。由于三相不平衡，PEN线上有不平衡电流，对地有电压，可能对地面产生火花，不适用于医院、计算机中心场所。如PEN断线，则保护接零的漏电设备外壳带电，不适用民用配电，目前该系统已很少采用。

（2）TN-S系统。系统中性线N与保护线PE是分开的。所有用电设备外金属外壳均与PE线连接到电源中性点，与系统中性点共用接地体，而不是连接到自己专用的接地体。TN-S系统正常工作时，保护零线没有电流，只有工作零线上有不平衡电流。PE线对地没有电压，用电设备金属外壳接在专用的保护线上，安全可靠，适用于工业与民用建筑低压供配电系统，但造价高。

（3）TN-C-S系统。从电源出来的第一部分为TN-C系统，第二部分是TN-S系统，分界点是N线和PE线的连接点。该系统一般用于建筑物有区域变电所供电的场所，进户线之前TN-C系统，进户处作重复接地，进户后变成TN-S系统。

综上，数据中心低压配电系统的接地形式宜采用TN系统。采用交流电源的电子信息设备，其配电系统应采用TN-S系统，可以对雷电浪涌进行多级保护，对UPS和电子信息设备进行电磁兼容保护。

4、数据中心UPS电源系统

数据中心供电系统，由高压配电、变压器、低压配电、不间断电源、末端配电以及发电机等设备组成。其中，不间断电源UPS在市电电力系统停止供电、柴油发电机启动之前，在极短的时间取代原有电力设备，持续为用电设备供电。UPS系统对市电有稳压作用，能在电网电压波动时稳定电压。能抑制电网的电力谐波干扰、电压骤升骤降、电磁干扰等。UPS具有高可靠性和高抗干扰性。

4.1 传统UPS供电系统

传统不间断电源UPS，由整流模块、逆变模块和静态旁路组成，直流母线上挂接蓄电池，输入交流正常时，经整流和逆变转换后为负载供电，同时为蓄电池浮充；输入交流中断时，蓄电池由浮充转放电，经逆变器为负载供电。从结构上看，UPS设备可以分为后备式、在线互动式、双转换在线式、Delta转换在线式等类型，其中前两种主要用于小容量负载（≤5kVA），Delta转换在线式技术受专利保护，因此，大型数据中心主要采用双转换在线式UPS设备。

由于UPS设备结构复杂，因此自身容易发生故障，设备冗余可以提高可用性，UPS系统便有了N、N+X、2N、“市电+U电”等架构。1）N系统满足基本需求，没有冗余的UPS设备。其优点是系统结构简单，硬件配置成本低，UPS工作在设计满负荷条件下，效率较高。其缺点是可用性低，当UPS发生故障，负载将转换到旁路供电；在UPS和蓄电池设备维护期间，负载处于无保护电源状态；存在多个单故障点。2）N+X并联冗余系统是指由N+X台型号规格相同且具有并机功能的UPS设备并联组成的系统，配置N台UPS设备，其总容量为系统的基本容量，再配置X台（X＝1～N）UPS冗余设备，允许X台设备故障退出检修。3）为了消除单点故障，高等级数据中心通常采用2N冗余系统。该系统是指由两套或多套UPS系统组成的冗余系统，每套UPS系统N台UPS设备的总容量为系统的基本容量。这种多电源系统冗余的供电方式，克服单电源系统存在的单点故障瓶颈，对于少数单电源设备的情况，可通过安装小型STS设备，保证其供电可靠性。4）“市电+U电”在N+1系统基础上做了改进，UPS设备配置不变，将服务器等双电源设备的其中1路改由市电直接供电，消除了单点故障，可靠性较N+1系统大大提高，同时，UPS系统的损耗降低为原先的50%。UPS系统整体效率提升至95%以上。UPS的ECO模式带来了效率的提升，其代价是IT负载由市电供电，UPS必须不断监视市电状态，并在发现问题且当该问题尚未影响负载时，迅速切换到逆变器供电。这个听起来简单，但实际操作起来非常复杂并且需要承担很多风险以及潜在的负面影响。

4.2 高压直流（HVDC）不间断电源系统

高压直流系统（HVDC）通过AC/DC整流模块将380/220V交流市电转变为240V的直流电，再通过直流输出屏将240V高压直流电输送给各通信设备；利用电力电缆将阀控式铅酸蓄电池与配电模块相连接，在市电正常情况下，由高压直流电为设备提供电能，同时为蓄电池充电；市电异常或中断，可通过蓄电池为设备供应正常的240V高压直流电，始终保持通信设备正常工作。该供电方式只需将交流电整流为直流电，结构简单，效率高。目前，各类网络设备大多是可以直接使用直流的，因而可直接使用高压直流供电，去掉了UPS系统的逆变设施，从而降低了电源本身的能耗，提高了数据机房的PUE值，同时，因为少了逆变环节，降低了维护工作量，故障点随之减少，因此，高压直流供电方式是值得推广使用的。

4.3 分布式不间断电源系统

UPS或HVDC通常采用集中式供电方案，集中式系统的优点是可以实现资源共享，降低成本，其缺点是系统故障范围大，影响面广。UPS也有小型机分布式供电方案，但是多套分布式小型机系统与1套集中式大型UPS系统相比，小型机的数量多，故障点多，成本高，因此大中型数据中心不会采用分布式UPS系统。该系统最大特点是分布式供电，无需为该供电系统建设独立的电力电池室，而且安装维护方便，很适合运营商的IDC机房改造和中小型数据中心机房使用。

4.4 未来发展趋势

过去，计算机作为一种非常贵重设备，双转换在线式UPS消除了市电电能质量问题，但带来了6%～10%的电能损失以及其自身可靠性低的问题。 通过冗余可以提高系统可靠性，UPS发展出主备供电、N+1冗余并机、双总线、分布冗余等方案，相应带来的是成本和能耗的进一步增加。目前呈现三种趋势：从在线到离线，UPS ECO模式、DC48V电池备用、DC12V电池备用、DC240V电池备用等本质上都是将电源离线，从而降低电源成本和运行损耗；从集中到分布，随着锂电池等新型储能设备的发展以及大数据时代服务器快速部署、灵活扩展的需要，不间断电源设备正在从集中到分布；未来数据中心供电发展的整体趋势是由高压/集中式/交流大UPS向低压/分布式/直流小UPS方向发展，由机房外集中式铅酸电池向IT机柜内分布式小（锂）电池方向发展，从化石能源向绿色能源方向发展。