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浅谈数据中心供配电系统发展趋势分析
发布时间:2021-12-08   点击次数:213次
赵娜
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定  201801
 
摘要: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。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:预制化;锂电池;分布式能源;边缘数据中心

1引言

        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*的挑战。现有的大多数据中心均使用相同的配电架构为1T设备配电。然而,数据中心在用电方面已然发生了巨大变化,特别是功率密度升高、用电量攀升给传统的配电系统带来了很大的挑战。

2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人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1T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/V+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。

3未来数据中心配电趋势

        传统数据中心配电系统存在系统割裂且复杂、占地面积大、故障定位难等问题,如何简化供电架构,减少占地面积,缩短施工周期,是未来数据中心配电发展的趋势。同时,绿色节能和边缘数据中心对供配电系统提出了挑战。
3.1预制模块化配电
        数据中心作为一项重资产的投资,如何以总体相当的成本,加快部署速度,减少空间占用,增加灵活性成为数据中心的发展趋势。预制化是一种预先设计、组装、集成和测试的物理基础设施系统,可作为标准化“即插即用式"模块。预制化可以实现数据中心建设的“去工程化",缩短大型数据中心建设周期,降低前期高昂成本投入和可能发生的施工延期风险。  
         配电系统的预SU化可以有多种形式。以外观特征区分可分为集装箱式和底座安装式。集装箱式通常安装在室外,底座安装式直接安装在机房地面。国内数据中心建筑以土建结构为主,配电模块的预制化以机房内安装为主流。根据预制化程度不同,一种预制化方式为一体化模块,将低压配电室单列设备统一预制在底座上,可满足消防通道要求,但需要对建筑结构特殊处理才能满足现场吊装要求,应用场景不具有通用性。另一种预制化方式为拼装式模块,低压侧各配电环节通过预制母排连接,现场进行组装式拼装。当前市场上较前沿的预制化产品为将不间断电源与输人输出柜模块化,做成标准1.2MW或1.6MW的电力模块。图1采用移相变压器直接连接整流模块,整流输出240V直流电直供IT设备,将传统配电环节中的中压配电、变压器、低压配电和HVDC集成到一起,减少配电环节,一方面节省了占地面积,提升机房利用率,另一方面可以实现快速部署,缩短施工周期。
 
图1预制化电力模块的一种解决方案
3.2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丈,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+/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。
3.3采用绿色能源
        数据中心规模的不断加大,其电力消耗也在不断增长。巨大的用电容量给数据中心的建设和运营以及电网的运营都带来了巨大的压力。当前数据中心主要是在建筑屋顶设置分布式光伏发电,所产电肖@要给运维办公区域和公共区域照明、空调等不重要负荷供能,年发电量占全年用电量的比例不到0.1%。如何利用绿色能源给数据中心提供高可靠性电力是限制绿色数据中心发展的一大难题。
        2019年,国家电网公司提出了“泛在电力物联网"。对于数据中心而言,泛在电力物联网利用先进信息通信技术,对众多的分布式能源进行控制,充分发挥不同区域内分布式能源的互补特性,更好地满足数据中心用户对多种能源的需求。柔性直流供配电技术具有功率独立控制、无无功补偿问题、可以实现潮流反转等优势,是组建能源互联网的一种有效方案。阿里张北数据中心柔性直流输配电工程的成功实施,对未来数据中心直流入户起到作用。数据中心是典型的交直流负荷并存的高能耗负荷中心,接人绿色能源的数据中心低压配电侧可设置直流配电母线和交流配电母线,分别供给直流设备和交流设备。与传统交流配电相比,交直流配电方案可减少电能变换环节、提高供电效率。
3.4边缘数据中心配电
        随着大量5G网络的建设,边缘计算数据中心的爆炸性需求即将到来,数据中心从原来的集中式架构逐步转变为分布式架构。边缘数据中心大部分部署在运营商接人机房内。然而,原有通信机房供电资源差异大,大多数机房只有一路市电,少量机房有两路市电,而且大多数机房无法放置油机,甚至出现异常断电时,备电时长小于移动油机到达初房时长,难以满足现有国家标准的评级标准。此外,接入、传输、交换、核心等多种设备供电需求不一致,多种业务对备电时长要求差异较大,备电方案复杂。为应对边缘数据中心对配电架构的挑战,匹配业务融合需求,需要一体化的供配电架构,高度集成不同ICT设备和交直流电源、制冷、监控等的模块化解决方案是未来的技术趋势。

4安科瑞列头柜及监测产品介绍

        随着数据中心的迅猛发展,数据中心能耗问题也越来越突出,高效可靠的数据中心配电系统方案,是提高数据中心电能使用效率,降低设备能耗的有效方式。
AMC系列数据中心精密配电系统是针对数据机房末端设计的,能够综合采集所有能源数据的智能系统,为交直流电源配电柜提供精确的电参量信息,并可通过通讯将数据上传到动环监控系统,实现对整个数据机房的实时监控和有效管理,为实现绿色IDC提供可靠保证。     
4.1精密配电管理解决方案
4.1.1交流系统
        1)功能要求:
        遥测:输入分路的三相电压、三相电流、有功功率、有功电度;输出分路的单相电压、单相电流、有功功率、有功电度;
        遥信:输入分路的过压/欠压,缺相,过流,输入分路和输出分路的开关状态,具备电流、功率需用量分析和统计,实现电压、电流、功率等参数的越限报警功能。
        2)配置方案-示意图
配置方案 
多功能仪表       PZ72L-E4
电流互感器       AKH-0.66-30I-XXA/5A
4.1.2直流系统
        1) 功能要求
        遥测:输入分路的电压、电流、功率、电度;
        遥信:输入分路的过压/欠压,输入分路的熔丝状态,具备电流、功率需用量分析和统计,实现电压、电流、功率等参数的越限功能。
        2)配置方案-示意图
配置方案
多功能仪表          PZ72L-DE
 霍尔传感器          AHKC-F-  XXA/5V 开关电源            SBD-30  (48V)
4.2产品规格
说明:■为标配功能。
4.3配套附件

5 安科瑞母线槽监测产品介绍

5.1 概述
        数据中心小母线系统是数据中心末端母线供配电系统的俗称。近年来,随着数据中心建设的快速发展和更高需求,智能小母线系统逐渐被应用于机房的末端配电中,具有电流小、插接方便、智能化程度高等特点,即插式插接箱给各个机柜内的PDU分配电。始端箱和插接箱内可设置监测模块,将数据上传至动环监控中心。
5.2  AMB智能小母线管理系统
        1)交流系统功能:
        遥测:三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电能、无功电能、电缆温度,系统频率、零序电流、零地电压、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电压/电流谐波含量、电流/功率;
        遥信:过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、过频率、欠频率越限、零地电压、零线电流、温/湿度告警,开关状态、开关跳闸;    
        2)直流系统功能:
        遥测:电压、电流、功率、电能、电缆温度、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电流/功率;
        遥信:过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、温/湿度告警,开关状态、开关跳闸;                             
5.3 产品介绍
说明:■为标配功能。

6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】赵婉芳,王妍.数据中心供配电系统设计和应用[J].电工技术,2019
(15):89-90,
【2】李燕,优刻得科技股份有限公司,北京100044
【3】安科瑞数据中心IDC配电监控解决方案.2020.03版.
【4】安科瑞企业微电网设计应用手册.2020.06版.

作者简介:

赵娜,女,现任职于安科瑞电气股份有限公司,主要从事数据中心智能小母线监控的研发及应用。


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