“双碳”目标下数据中心低压配电系统

摘要：通过对数据中心低压配电系统供电情况进行研究，从负荷等级、电源要求、现状问题这3个方面来阐述低压配电系统供电情况，以节能减排作为核心理念，围绕供电问题，提出“双碳”背景下数据中心低压配电系统供电方案的改进策略，包括改进传统供电技术方案、高压直流供电、巴拿马供电、光储直柔直流供电、优选备用电源配置方案。旨在最大限度降低数据中心低压系统的能耗水平，提高节能效果，顺利实现绿色用电目标。

关键词：“双碳”目标数据中心低压配电系统供电策略

中图分类号：TP308;TM72

LowVoltageDistributionSysteminDataCentersUnderthe"DualCarbon"Goal

YUGuangzuo1ZHAOZhice2HUANGYun1

1.ChinaMobileCommunicationsGroupShanghaiCo.，Ltd.，Shanghai，200060China;

2.ShanghaiBranchofChinaMobileCommunicationsGroupDesignInstituteCo.，Ltd.，Shanghai，200060China

Abstract：Throughthestudyofthepowersupplysituationofthelow-voltagedistributionsystemindatacenters，thispaperelaboratesonthepowersupplysituationofthelow-voltagedistributionsystemfromthreeaspects：loadlevel，powerrequirements，andcurrentproblems.Takingenergyconservationandemissionreductionasthecoreconcept，improvementstrategiesforthepowersupplyschemeofthelow-voltagedistributionsystemin ;datacentersunderthe"DualCarbon"backgroundareproposed，includingimprovingtraditionalpowersupplytechnologyschemes，high-voltageDCpowersupply，Panamapowersupply，photovoltaicstoragedirectflexibleDCpowersupply，andoptimizingbackuppowersupplyconfigurationschemes.Itaimstominimizetheenergyconsumptionleveloflow-voltagesystemsindatacenters，improveenergyefficiency，andsmoothlyachievethegoalofgreenelectricityconsumption.

KeyWords："DualCarbon"goal;Datacenter;Low-voltagepowerdistributionsystem;Powersupplystrategy

为遏制生态环境持续恶化趋势，缓解能源供需矛盾，我国提出碳达峰、碳中和的“双碳”目标，将其作为一项重大战略，并在国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》中明确提出，加强包括数据中心在内的新型基础设施节能降碳的指导意见。在“双碳”目标背景下，数据中心原有低压配电系统供电方案缺乏适用性，暴露出用能结构不合理、电能损耗比例过高、系统结构臃肿等问题有待解决，也是当前一项重要课题。基于此，本文着重对低压配电系统供电方案做进一步优化与分析。

1数据中心低压配电系统供电情况

1.1数据中心供电等级

在《数据中心设计规范》（GB50174—2017）、《数据中心电信基础设施标准》（ANSI/TIA-942-B）等现行规范文件中，把数据中心供电等级从上到下划分为A级、B级、C级3个级别，各级供电系统的功能定位、配置要求略有不同。第一，A级供电系统以容错配置作为配置要求，把供电系统拆解为若干独立部分，各部分运行期间互不影响，基本不会出现供电中断、数据中心用电设施及信息系统大范围瘫痪运行的现象[1]。第二，B级供电系统以冗余配置作为配置要求，额外配置备用电源和应急电源，主电源供电中断或是出现故障问题后，短时间内自动切换至备用电源或应急电源，确保数据中心低压配电系统平稳运行，供电稳定性较高，可以大幅降低故障出现率。第三，C级供电系统以满足基本配置作为配置要求，有着结构简单、建设成本低廉的优势，但此类系统的可靠性、可用性等级相对最低，容易出现供电中断、供电异常情况。

1.2供电电源要求

在数据中心低压配电系统，供电电源要求取决于用电负荷等级，负荷等级越高，电源要求越严格。因此，在制订供电方案时，工作人员必须全面了解数据中心项目情况，以负荷等级作为方案制订的重要依据。例如：对于一级用电负荷，必须设置两路外部供电电源，各路电源来源于不同变电站，如果后续运行期间出现一路电源故障问题，仍旧可以满足低压配电系统供电需要。对一级负荷中特别重要负荷，则需要在供电系统内额外设置应急电源，禁止在应急供电系统内接入其他等级负荷，或是采取三路以上电源接入方式。此外，也可根据数据中心负荷需求来选择供电方式，负荷需求较小时采取常规的外部双路电源接入方式即可，配备应急电源，在电网、应急电源间隔部位加装机械闭锁装置；负荷需求较大时，采取三路电源供电方式，各路电源来自不同变电站，或是来自相同变电站上的不同母线段，通过增加电源路数来提高供电稳定性。

1.3供电现状问题

在早期数据中心项目，由于缺乏节能意识，在搭建供电系统时，强调于提高供电可靠性与可用性，没有对电能利用效率问题予以充分重视，缺少相应技术措施，多数项目的PUE电能利用效率超过1.4，而在《2030年前碳达峰行动方案》等政策文件与现行规范文件中，明确指出数据中心电能利用效率不得超过1.3，改建数据中心的PUE不得超过1.4，现有供电系统并未满足相关要求，亟须升级改造。同时，在低压配电系统供电期间，在电能质量、供电可靠性、用电经济性等方面暴露出多项问题，对实际供电效果造成明显影响。以电能质量问题为例，由于接入大量变流器等电力电子设备，致使系统出现高密度、分散化的谐波源，供电质量有所降低[2]。

22“双碳”目标下数据中心低压配电系a+NJp4ZCMy+l0NO3owoEQlVVnrz+R/uR4hnln0zPkd4=统供电策略

2.1改进传统供电技术方案

在早期数据中心项目，部分低压配电系统采取“中压—变送器—UPS—低压”的供配电方案，以大功率电力电子作为UPS装置，在供电链路内，UPS装置会产生远超配电柜、变压器、电缆等部分的供电损耗，且总体电能损耗远超出正常水准。而UPS装置损耗率过高的根本原因在于，运行期间没有长期维持在最佳运行负载率，实际效率受到负载率的明显影响。对此，在改进传统供电技术方案时，工作人员需要从UPS装置选型、优化控制技术两方面着手。

第一，UPS装置选型，UPS装置主要分为工频机、高频机、类模块化机、模块化机4个类型，各类型装置的效率、安全系数、可维护性、采购成本略有不同。优先配备模块化机，此类装置由若干模块相互并联形成，具备节能模块，凭借高精确负载率来控制少量模块处于休眠状态，根据实际供电需求来调节模块工作数量，并保持高压电源、低压电源的安全间隔距离，避免二者相互影响。同时，考虑到模块化UPS装置问世时间较晚，可靠性有待进一步验证，优先配备主流型号模块化机，以此来降低供电故障概率。第二，优化控制技术，由新推出的IGBT控制技术来取代落后的晶闸管控制技术，无须额外设置隔离变压器等装置，通过简化系统结构，把平均效率从85%～92%提升至87%～95%。

2.2高压直流供电

传统低压配电系统供电结构由AC/DC转换器、电池、DC/AC转换器三部分组成，从市电引入电流，将电流依次进行AC—DC—AC转换处理后，才能提供给低压负载设备。对此，可以采取高压直流供电技术，简称为HVDC技术，系统结构由电池、AC/DC转换器两部分组成，把电流变换方式由AC/DC/AC简化形成AC/DC，直接向数据中心内部IT设备供电，并由IT设备内部电源模块来取代原有的整流器、滤波器等装置。高压直流供电方式自问世以来，逐渐取代了落后的UPS供电方式，以《信息通信用240V/360V直流供电系统技术要求和试验方法》（GB/T38833—2020）作为技术应用指导文件，并编入《国家绿色数据中心先进适用技术产品目录》当中。根据实际供电情况来看，高压直流供电技术有着电池不依赖逆变器、省略逆变环节、设备采购成本低廉、易于维护保养的显著优势，可以把数据中心低压配电系统能耗水平降低8%～10%左右，节能效果显著[3]。同时，工作人员还应重点考虑低压配电系统后端IT设备、断路器和配电柜适应性问题、可靠性问题与可扩展性问题，结合项目情况判断是否具备高压直流供电技术的应用条件。

2.3巴拿马供电

巴拿马供电技术本质上属于一类高压直流供电形式，通过省略中间环节来进一步提升系统效率，综合应用表现超出常规高压直流供电方案。在供电架构内，巴拿马供电系统由72脉移相变压器、调压整流装置、DC配电单元、IT负载组成，各路电源保持独立架构，负责把10kV电压转换为240V直流电压，经过变压器输出36相，后续经过调压整流与配电处理后提供给IT负载设备。常规高压直流供电架构由变压器、AC/DC转换器、DC配电单元和IT负载组成，二者主要区别在于，把常规型号变压器更换为新型移相变压器，把AC/DC转换环节变更为调压整流环节。根据应用情况来看，巴拿马供电技术有着占地面积小、系统效率高、采购成本低廉、易于维护保养的优势。正常情况下，电源占地面积仅为常规配电方案的40%，系统效率长期稳定保持在80%左右，总体采购成本为传统电源采购成本的70%，电源设备采取模块化结构，可以直接更换老化模块。此外，推广巴拿马供电技术时，工作人员还应检查数据中心内部IT设备是否支持直流供电方式，根据项目情况定制移相变压器，量身定制一套移相变压器维护保养方案，并在后续把低压配电系统供电方案提交至项目所在地供电局进行论证审批。

2.4光储直柔直流供电

传统低压配电系统以市电作为供电网络核心，电流从公共电网流向数据中心低压配电系统期间，由于供电半径较大，会产生高昂线损量。同时，我国发电行业以火力发电形式为主，在电能生产期间持续消耗大量化石能源与排放二氧化碳等温室气体，对生态环境造成破坏。因此，可以选择采取光储直柔直流供电技术，供电网络由光伏阵列、蓄电池、换流器等部分组成，把设备挂载至直流母线上。在系统供电期间，由光伏阵列持续把所吸收太阳辐射能量转换为电能，直流电流经过换流器进行DC—AC转换处理，换流后向IT设备与机房空调系统等负载设备供电，多余电能临时存储在蓄电池内，夜间再控制蓄电池向负载设备释放电流进行不间断供电[4]。如果光伏系统发电量无法满足数据中心负荷需求，则并行搭建两套供电网络，以光储直柔直流供电网络为主，UPS供电网络或是高压直流供电网络为辅。如此，可以最大程度地减轻数据中心低压配电系统对外部电源的依赖程度，把总体线损量控制在合理范围内，并由光伏发电形式取代落后的火力发电形式，实现绿色发电、用电的目标。

2.5优选备用电源配置方案

数据中心应急电源主要采取分布式低压配置、分布式中压配置、集中式中压配置等多种配置方式，不同配置方案下的油机系统效率存在明显差异。对此，在制订备用电源配置方案时，工作人员必须对各套配置方案进行评价打分，从中挑选综合评分最高的方案，作为最终备用电源配置方案。第一，油机系统效率。分布式低压方案选择在变压器低压侧进行一对一切换，系统效率相对最高，优先采取这一配置方式。相比之下，分布式中压方案选择在变压器高压侧一对一切换，集中式中压方案选择在并机处理后于变压器高压侧切换，这都需要额外经过一次变压器，从而产生更高的变压器能量损耗，这无疑会抬高系统能耗水平，不宜采取这两类电源配置方式。第二，电源可靠性。分布式低压方案通过ATS装置来切换油机和低压负载，分布式中压方案选择于变压器高压侧切换、后续向低压负载送电，集中式中压方案是在并机与高压侧切换完毕后向低压负载送电。在送配电路径内，设备串联数量与供电可靠性成反比，串联数量越多，则故障点越多、供电可靠性越低，优先采取设备串联数量较小的分布式低压配置方案[5]。第三，机房环保系数。分布式低压方案配备低压发电机，其他2套电源配置方案则配备大型电通量发电机。由于低压发电机规格尺寸略小于大型电通量发电机，无须额外安装机组控制面板，有利于减少系统造价成本，不会消耗过多资源，优先采取分布式低压配置作为备用电源配置方案。

3结语

综上所述，为及早实现碳中和、碳达峰目标，消除数据中心低压配电系统对生态环境造成的负面影响。工作人员应将改进供电方案作为突破口，深入了解数据中心供电情况，找出现有问题，积极落实改进传统供电技术方案、高压直流供电、巴拿马供电等多项改进策略，建设高规格绿色数据中心项目，取得显著的项目经济效益及生态效益。

参考文献

[1] 张震，黄伟男.“双碳”目标下的数据中心低压配电系统供电方案选择[J].电气时代，2023（1）：24-28.

[2] 张勇军，羿应棋，李立浧等.双碳目标驱动的新型低压配电系统技术展望[J].电力系统自动化，2022，46（22）：1-12.

[3] 林博.数据中心配电系统建设方案[J].中国新通信，2020，22（17）：79-80.

[4] 熊振华.10kV高压油机作为备用电源在数据中心中的应用[J].通信电源技术，2019，36（1）：223-225，227.

[5] 万立勇.银行数据中心机房供配电方案探析[J].电气应用，2022，41（6）：95-100.