大型数据中心集成供电系统建设研究与实践

杨 光，苗润彭，顾 红

（1.南京信息职业技术学院 网络与通信学院，江苏 南京 210023；2.南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094）

0 引 言

数据中心实质就是标准化的大型电信机房，它以数据为基本管理对象，融合互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）、云计算、区块链、人工智能等新技术于一体，成为集数据、算力、算法三大要素于一身的数据基础设施，它可以通过利用电信运营商已有的通信线路、带宽资源来为企事业单位、政府机构、个人提供服务器托管、租用以及相关增值等方面的全方位服务，承载着新一代信息技术海量数据处理存储和软件云化的重要作用。国家“新基建”战略中，明确提出要加快数据中心等新型基础设施建设进度，未来的数据中心正向着高密度、超大规模方向发展[1,2]。

数据中心建设步伐的加快带来的高能耗问题逐渐突显出来。预计在2022年，全国数据中心总机架数将突破400万，总能耗超过2 000亿kW·h，并还在快速增长，到2023年将突破2 500亿kW·h，2024年我国数据中心总耗电量将达到全国电力消耗总量的5%～8%[3,4]。在数据中心能耗中，其中IT设备约占46%、空调占43%、电源自身占10%、照明占1%[5]。由此可见，包括服务器、存储和网络通信设备在内的IT设备是数据中心能耗的一个重要分支。随着数据中心规模的不断扩大，巨大的能源消耗将给未来数据中心的发展和运营带来沉重的压力，也不利于我国在“双碳”背景下的战略发展理念。供电系统作为数据中心能源供给的“心脏”，在今后的建设中必须向着节能环保、绿色高效、降低成本、方便管理的方向发展[6]。为此，各相关行业部门对数据中心的供电技术开展了大量研究工作，包括改进供电方式，提出高效可靠的供配电系统设计方案，采用新的供电技术等，此外还在电源的使用效能、运行能耗优化措施以及变配电系统的运维管理等方面做了研究工作。

文献[6]引入光伏发电、储能装置等新能源进而设计成数据中心直流供电系统，根据系统运行状态细化成8种工作模式并有针对性地实施能量控制，从而保障了系统供电的可靠性，使得电能达到最优化使用。文献[7,8]以一个大型数据中心工程项目为例，介绍了高、低压供配电系统、不间断电源（Uninterrupted Power Supply，UPS）供电系统的设计方法，并总结出优化供电架构，实现供电经济性与可靠性相统一的方法，供企业设计人员参考。文献[9]梳理了高压直流供电技术相关通信行业标准的发展历程以及新的技术标准在原有基础上的更新迭代，并分析了我国高压直流技术的发展成果，为设计绿色节能数据中心提供了详细的标准参考。文献[10]在对比了传统的配电架构和平面布局方案后提出了4组成环架构，这是1种新的2N配电架构，它的配电路由和母联母线最短，能灵活适应不同的平面布局，并且成本低、可靠性高。文献[11]提出在数据中心使用高压直流UPS供电系统方案较传统UPS供电方案相比，更具有节能减排、降低成本的优势。并通过具体的设计和数据分析，验证了高压直流UPS供电方案的优越性。文献[12]充分利用UPS的储能功能，构建与光伏电站协同供电的优化模型，从而提高用电效率，并通过仿真计算验证了模型的有效性和可行性。文献[13]提出1种UPS运行优化策略，根据UPS电源具有的储能特性，制定合理的UPS充放电计划，配合市电电价差异以及可再生能源的利用水平制定合理的购电方案，从而达到提高UPS利用率，减少能耗，降低运行成本的目的，并通过构建优化模型和算法求解验证该策略的安全可靠性，具有实用价值。

从现有文献研究来看，对数据中心供电系统的研究和应用仍主要以传统UPS供电或其改进形式以及高压直流供电为基础展开的。本文以现有文献为基础，从系统维护、占地面积、总拥有成本等多角度分析数据中心传统供电方式存在的不足，压缩供电层级，精简配电环节，形成新型一体化集成式供电系统并应用到数据中心。以巴拿马电源和泰山电源为代表，分析集成供电系统的工作原理和系统架构，并给出具体建设方案，最后与传统供电方式进行应用效果对比分析，从而验证一体化集成供电系统在大型数据中心建设中具有的高效率、低成本、空间利用率高等优越性。

1 传统数据中心供电系统面临的问题

1.1 供电层级多，线路损耗大，维护管理复杂

以传统主流UPS供电架构为例，10 kV外市电引入后分别要经过高压配电柜→变压器→低压配电柜→UPS输入配电柜→UPS→UPS输出配电柜→交流列头柜→IT机柜，共8级配电，如图1所示[14]。供电架构纵向层级过多，导致设备种类和数量也增多，供电环节冗长，线路损耗增加，同时庞大复杂的供电系统中包含的各种设备由于生产厂家不同，实现功能不同，设备特性和质量参差不齐，给现场维护管理带来很多难题，也给数据中心的安全稳定运行埋下隐患。

1.2 供电设备占地面积大，数据中心空间利用率低

数据中心中放有IT机柜的区域为主机房区，供电设备放在辅助区，随着IT 机架功率密度的提高，供电设备占用面积会越来越大，甚至会超过数据中心机柜总面积的一半以上，导致IT机柜可用面积减少，数据中心空间利用率和土地资源利用率不高。

1.3 交付周期长，总拥有成本降低难度大

传统供电系统中设备种类多、数量多，且彼此关联性强，导致建设期设备采购周期、生产周期和供货周期延长，期间任何一个环节出现问题都会相互牵连，影响工程进度和交付时间。过多的供电设备导致数据中心建设投资成本增加，据统计供电系统投资预占总投资的60%，同时也会导致数据中心运营成本增加，在数据中心运营成本中电费支出约占总成本的51%[14-16]。因此，只有减少供电系统设备数量，降低复杂程度，减少总拥有成本，才能提高数据中心运营商的生存和发展能力，具备市场竞争优势。

2 绿色数据中心一体化集成供电系统

未来随着数据中心规模不断扩大，供电系统必须向着高效、节能、绿色方向发展。目前，业内已经开始对数据中心供配电系统开展产品模块化、实施预制化方面的研究和探索，可以预见，这将成为今后数据中心供配电系统革新的方向。本文主要以具有代表性的巴拿马电源系统、泰山电源系统为例，分析一体化集成供电系统的原理架构，并结合应用案例来和传统供电系统进行性能指标对比，进一步阐述一体化集成供电系统在未来数据中心发展中的应用前景。

2.1 巴拿马电源系统

巴拿马电源系统是2019 年11月由阿里巴巴推出的全新数据中心供电方案，现已经在阿里巴巴、浙江、江苏等地多个数据中心项目中投入运行。该供电系统将传统的从10 kV到交流 UPS或高压直流间7～8级供电结构进行优化集成，极大地缩短了供电路径，达到高效供电目的。其设计理念类似于当年通过开挖巴拿马运河来缩短大西洋和太平洋之间的航程一样，顾起名为巴拿马电源。

2.1.1 工作原理

巴拿马电源技术核心是采用多绕组、多脉冲移相变压器取代传统的工频变压器。相移变压器属于整流变压器一种，由于整流装置的单相导电作用，引起整流变压器交变磁场波形的畸变，输入谐波增多，通过对整流变压器高压侧进行移相，可有效抑制谐波。图2所示是由12绕组(72脉冲)移相变压器构成的巴拿马电源系统，10 kV市电输入后，经相移变压器进行相移变换后分别由多个不同相移角二次绕组输出后再叠加复用，有效消除了原边输入的谐波成分，起到减少变压器副边绕组短路电流，稳定输出的作用。常见的多脉冲设计有36脉冲、72脉冲、96脉冲，通过增加脉冲数，可以起到进一步提高功率因数和降低输入总谐波失真率的目的[17-19]。

2.1.2 电源系统架构

采用相移变压器后巴拿马电源取消了传统电源系统里的功率因数校正电路和滤波电路，减少了供电链路中的开关器件，从而大大简化了配电环节。

从整个数据中心供电架构的发展历程来看，大致可以分成3个阶段，第一阶段为UPS供电，供电层级多，系统复杂，整体效率不高。第二阶段为高压直流供电，通过采用240 V/336 V高压直流供电系统替换传统的UPS给设备供电，实现了模块化设计，降低了成本，提升了效率。第三阶段即为巴拿马电源，它将中压配电、隔离变压、低压配电以及模块化整流器和输出配电等环节进行优化，整合集成由10 kV进线柜、移相变压器柜、整流柜和直流输出柜组成的一体化电源，可以实现10 kV直转240 V/336 V直流供电。与前2种供电架构相比，其节省占地面积，可靠性更高、更便于维护，而且整体效率进一步提升。图3展示了巴拿马电源架构在高压直流基础上的优化整合过程。

2.1.3 2N巴拿马电源供电建设方案举例

（1）供电架构。2N巴拿马供电方案，是巴拿马电源系统的一种主要架构方案，系统由2路巴拿马电源构成且对IT设备互为冗余备份，系统架构如图4所示。

（2）常用系统配置及参数。以某大型数据中心采用双路2.4 MW-直流240 V巴拿马电源系统供电方案为例，根据机房空调的制冷能力确定数据中心机房最大负载功率为2 350 kW,则每台整流柜正常输出为2 350÷5÷4=94 kW，由于采用2N输出，故当一路发生故障时，每台整流柜最大承受负载功率为294×2=588 kW。整流柜在210 ～240 V工作时，整流模块恒流输出130 A工作电流，则在最低输出电源210 V下，整流模块的输出功率为130×210=27.3 kW，按单侧巴拿马电源停机，全部负载仅由1路电源供电，且最高供电效率为98%计算，1台整流柜的 输出功率为588÷98%=600 kW，则整流柜中配置的最低模块数约为600÷27.3=22个。按照冗余模块配置原则，每10个备用1个，不足10个备用1个，需要备用3个整流模块。蓄电池容量按负载功率的10%估算为294×10%=29.4 kW（＜30 kW），故需要配置2个充电模块，所以1台整流输出柜共需配置模块数为27个。具体配置及参数如表1所示。

表1 2.4 MW 2路巴拿马电源系统配置及参数

（3）与传统供配电设计方案对比在相同IT负荷，相同供电系统容量，同为2N供电配置前提下，现将以上数据中心巴拿马供电方案与传统的UPS和高压直流供电方案在设备配置、占地面积、建设周期、经济成本等方面进行对比，如表2所示。

表2 单路巴拿马电源与传统供配电系统设计方案技术经济性对比

（4）巴拿马电源应用情况分析。通过以上介绍，巴拿马电源与传统供配电系统相比，具有以下优点：①在配置上所需设备的种类和数量最少，而且可以由同一供应商提供标准化产品，因此能减少60%的设备数量，从而减少投资成本20%以上，安装工程量降低40%。②由于巴拿马电源系统精简了供电系统中配电层级，增加了整流部分并联冗余模块数量，可靠性进一步提高，与高压直流相比，平均无故障时间提升大约27%，可以实现5年内免维护。③巴拿马电源采用移相变压器实现输入波形滤波取代传统功率因数调节环节，整流调压峰值效率98%～98.5%，整体峰值效率可达到97.5%。图5为巴拿马电源与高压直流电源供电效率对比。由图5可见，巴拿马电源效率高于高压直流。尤其在轻载情况下，效率优势更为明显。

2.2 泰山电源系统

2.2.1 工作原理

泰山电源系统是九通（上海）能源科技公司在我国城市电网可靠性已达99.9%的前提下，为了降低数据中心电能损耗而提出的并联型市电直供技术方案。其工作原理就是把非线性负载的常态电能质量问题和电网的偶发电能质量问题进行解耦控制。当市电正常时，逆变器工作在受控电流源模式，治理非线性负载的谐波、无功和电流不平衡问题。当检测到电网异常时，快速柔性脱离电网，以受控电压源的模式，为负载提供能源。泰山电源具有快速应对市电电压畸变的响应策略，采用快速电压检测专利算法，在0.5 ms内即可检测出电压异常并关断晶闸管，整个装置的检测切换时间小于1 ms，快速可靠，电压零中断从而能较好地适应数据中心非线性负载的应用场景，原理如图6所示。

2.2.2 电源系统架构

泰山电源系统采用一体化设计，合并了10 kV中压柜、变压器、功率柜等设备，极大地节省了数据中心供电系统的占地面积，其主要设备由功率柜组成，功率柜由配电部分（主要是开关）、可控硅、AC/DC双向逆变器以及DC/DC 模块组成，如图7所示。单个标准功率柜由4 个125 kVA 的模块并联，可为IT 负载提供单路500 kVA的保护容量，支持最大10个模块并联，单功率柜最大输出容量1 250 kVA。功率柜间可实现并联，最大负载量与变压器容量匹配，例如2 500 kVA变压器的最佳工作状态的负载率为80%～95%，因此单套泰山电源系统最多并联4～5个标准功率柜，即为IT负载提供2 000 ～2 400 kVA的负载保护容量。功率柜内模块采用抽屉式设计，方便扩容和在线维护。

2.2.3 泰山电源与传统UPS系统建设方案对比

以某移动公司项目为例，预建设3层数据中心机房，现对采用传统UPS和泰山电源2种设计方案进行对比。

（1）配置规模与成本造价。采用2种电源设计方案所需的设备规模及工程造价如表3所示。

表3 泰山电源与传统供配电系统设计方案技术经济性对比

从表3可见，泰山电源系统因采用一体化预装集成设计，节省了补偿柜、低压馈线柜、UPS电池柜等设备投资，折合每kVA造价较UPS方案下降约2 748元。

（2）占地面积。UPS方案中，3层数据中心可用作数据机房面积约650m2，2楼设置IDC1和IDC2两个机房，可安装224个IDC机架，配套UPS及蓄电池组安装在1楼。3楼用于未来规划1个IDC机房，可以安装138个IDC机架，并配一个电力电池室，平面布置如图8所示。采用泰山电源系统方案后，泰山电源可全部放置在一楼的配电间内，如图9所示，3楼原平面设计图（图8）中电力电池室区域，面积约248 m2，可用来放置约86架服务器机架。2种方案对比可见，泰山电源占地面积更少，为中心机房节省空间，按照机房服务器年租金4.8万元计算，可增加年租金为412.8万元，提高了经济效益。

（3）供电效率。采用2N冗余UPS 供电架构，单套UPS系统最大负载率均小于50%，整体供电效率约为93%，若采用泰山电源系统，其供电系统效率超过99%，较之交流UPS供电方式提升供电效率约6%,从而将会有效降低运营阶段电费成本。

2.2.4 泰山电源应用情况分析

通过以上的对比建设方案可见，泰山电源更有利于减少投资成本、缩小占地面积和提高供电效率。除此之外，泰山电源在实际应用时，还具有以下优势：①泰山电源系统功率模块并联在供电电路中，而不像传统UPS系统中整流器和逆变器的串联结构，任何一个变换环节出现问题，均可能导致该路供电中断，因此可靠性更高。泰山电源系统中可控硅的抗短路电流能力是UPS系统中整流单元采用的绝缘栅双极型晶体管的30倍，安全性更高。②采用泰山电源系统方案后，可避免变压器、蓄电池等重量较大的设备上楼层，降低了楼层承重要求，无需因承重不足再做加固处理。③由于泰山电源系统减少了大量开关柜、配电柜的使用，且所有供配电设备集中放置，降低了系统故障风险，且减少了运维人员的日常巡检和维护工作量。④泰山电源系统采用模块化设计，采用抽屉式的插拔方式，可根据负载扩充而随时进行扩容，减少初期设备投资。蓄电池也可灵活配置，可将蓄电池组接到每个单独功率模块，实现电池组随模块扩容，利于实现同组电池必须同期的管理要求。

3 结 论

本文列举了传统数据中心供电系统面临的问题，引入新型一体化集成供电系统，并以巴拿马电源和泰山电源为代表从电源架构、设备配置、参数计算、平面布局等几方面介绍数据中心供电系统建设方案，并与传统供电系统进行对照分析，得出以下结论。

（1）一体化集成供电系统作为数据中心供配电系统节能创新变革下衍生的新发展方向，其具备省空间、降线损、模块集约、成品预制、快速交付等诸多优势。

（2）一体化集成供电系统能够充分利用电源系统的容量，降低电源系统的总拥有成本，从而实现了节能、降低建设数据中心成本的目的，更适应未来大型、超大型数据中心的发展方向，已引发广大数据中心建设方、设计方、设备厂家等广泛关注，并已逐渐在互联网头部企业和运营商数据中心试点应用。

（3）从应用类型来看，由于集成供电系统的供电架构与传统不间断电源不同，所以对于已建成的采用不间断电源的数据中心，不太适合对其更新替换，而更适合新建的数据中心。

一体化集成供电系统从研发到投入运行虽只有5年左右的时间，但是由于它的高效节能的优势受到了众多互联网客户及运营商的青睐，目前已在阿里、移动、联通、数据港等数据中心安装运行。随着“双碳”目标的提出，未来发展绿色数据中心是必然趋势，在数据中心供电技术不断演进变革的背景下，集成供电系统将体现出更宽广的市场前景和技术优势。