智能化電力模塊在數據機房中的應用與探討

安科瑞 陳聰

摘要：數字經濟時代，隨著5G、物聯網、工業(yè)互聯網的推廣應用，帶來數據指數級增長，大量數據都將進入數據機房進行集中處理，這對數據中心都提出了更新更高的要求。面對數據中心高密化、規(guī)模化的發(fā)展，供電系統(tǒng)作為數據中心的“心臟”，為滿足數據中心的增長，以及綠色能源的發(fā)展趨勢，在建設中不僅要保障供電的安全性，更要對供電系統(tǒng)進行技術創(chuàng)新，為客戶創(chuàng)造更大價值。結合相關技術及規(guī)范，創(chuàng)新數據中心配電方案，為數據中心供電系統(tǒng)的設計提供思路。

關鍵詞：數據中心電力模塊智能鋰電

1概述

隨著互聯網數據業(yè)務的發(fā)展，短時間內快速爆發(fā)成為其發(fā)展特征，如抖音單季度用戶數新增近2億，這種情況下，客戶對于數據中心交付周期要求在1年或者更短。在這種情況下下，傳統(tǒng)數據中心的建設方式，很難更上業(yè)務的發(fā)展。

芯片、服務器等設備算力和功耗持續(xù)提升，未來幾年單機柜功率密度也將從6~8kW向12~15kW演進。同時，未來云數據中心將成為主要場景，預計到2025年占比將超過70%，面對云計算業(yè)務帶來的數據量和計算量的爆發(fā)式增長，在數據中心資源尤其是一線城市資源日趨緊張的情況下，只有通過提高機房單位面積內的算力、存儲以及傳輸能力，才能*大程度發(fā)揮數據中心的價值。另一方面，隨著AI、超算等技術和應用的發(fā)展，人工智能計算中心、超算中心等也將迎來建設高潮，推動數據中心的快速發(fā)展。

預制化和模塊化是將是數據中心未來發(fā)展的一個方向。與目前廣泛使用的微模塊相同，采用模塊化設計將數據中心供配電分解成多個預制化結構在進行預制組裝供配電系統(tǒng)，標準化生產，將復雜的工程變成統(tǒng)一的產品，實現供配電系統(tǒng)的快速部署。

2數據機房供配電方案

2.1項目概況

某項目數據中心機房規(guī)劃面積約600m2，參考GB50174-2017《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》B級機房進行規(guī)劃，功能區(qū)域包括主機房（設備機房、電力機房）、管理區(qū)（辦公室、互聯網設備間等）和輔助用房。單機柜功率不4kW，初步規(guī)劃機柜數量不少于150臺，滿足公司未來3~5年的發(fā)展使用需求。

2.2數據中心供電系統(tǒng)建設方案

2.2.1高低壓建設方案

數據機房的負荷一般由一級負荷、二級負荷和三級負荷組成，根據建筑、空調、給排水等專業(yè)提出的用電需求初步估算，主要負荷情況統(tǒng)計如表1所示。

表1變壓器用電負荷測算

根據以上的負荷統(tǒng)計及計算結果，本項目建議設備選型及配置如下：

變壓器：1000kVA，1+1配置。每臺變壓器正常負荷率不大于50%，當一臺變壓器故障時，另一臺變壓器帶起全部負荷。

2.2.2系統(tǒng)建設方案

數據中心IT設備和核心通信設備主要采用UPS供電。供電方式采用2N架構的UPS供電方式。根據不同用電設備的用電安全等級、建設標準及用電特點等因素，本數據中心UPS供電系統(tǒng)考慮采用高頻模塊化UPS設備，UPS系統(tǒng)按照2N冗余方式配置，整體系統(tǒng)后備時間按系統(tǒng)延時30min考慮（單邊15min）。UPS容量計算：確定UPS系統(tǒng)的基本容量時應留有余量，UPS系統(tǒng)的基本容量可按下式計算。

E≥P*1.2

式中：E—UPS系統(tǒng)的基本容量(不包含備份不間斷電源設備kW/kVA）P—IT設備的計算負荷（kW/kVA）。

本項目共計劃建設IT機柜150架，單柜功耗平均4kW，網絡機柜11架，單柜功耗1kW，數據中心機柜總功耗為：

考慮同時系數0.85，有功功率：P=（150*4+11*1）*0.85＝520（kW），則視在功率：S=1.2*520/0.95=656kVA本項目采用2N配置，每套系統(tǒng)配置2臺500kVA模塊化UPS，每臺配置400kVA，預留模塊空間，便于后期擴容及維護。

2套1000kVAUPS系統(tǒng)（共4臺，模塊配置400kVA/臺）采用2N架構，組成A、B路雙母線系統(tǒng)，每組為2套500kVA并機，共需4臺500kVA模塊化UPS。IT設備供電采用雙路UPS供電方式。本期配置2套2×500kVA并機UPS，組成A、B路雙母線系統(tǒng)；正常運行時雙母線UPS系統(tǒng)均勻分配供電負荷，當其中一套UPS系統(tǒng)故障或檢修時，由另外一套系統(tǒng)承擔所有負荷。

2.2.3低壓配電系統(tǒng)建設方案

本工程采用電力模塊方案，一體化集成從中壓變壓器到負載饋線端的全功率鏈路，包含中壓變壓器、低壓配電柜、無功功率補償柜、模塊化UPS及饋線柜等，低壓設備采用工廠預制化成套設備。本工程配置2套1250kVA預制化電力模塊系統(tǒng)，每套系統(tǒng)配置1套SCB131000kVA變壓器、2000A進線柜、1200A母聯柜、200kVAR無功功率、2臺500kVA模塊化UPS、1臺維修旁路柜、1臺IT饋線柜、1臺動力饋線柜，電力模塊配置如圖1所示。

2.2.4智能鋰電建設方案

圖1電力模塊

鉛酸電池在通信行業(yè)領域數十年來長期占主要地位。但鉛酸電池循環(huán)壽命短、占地大、對機房承重要求高，生產制造過程容易造成環(huán)境污染，各國的鉛酸電池發(fā)展都趨于縮減。而鋰電池天然具有能量密度高、占地小、長循環(huán)壽命等鉛酸不具備的優(yōu)勢。鉛酸電池與鋰電池對比如表2所示。

表2鉛酸電池與鋰電池對比

綜上比較，蓄電池方案建議采用磷酸鐵鋰電池。

IT電池計算書（滿載）如表3所示。

表3鋰電池容量測算

因此UPS單機滿載條件下，建議每臺UPS帶1臺滿配鋰電柜（儲能模塊7+7）,1臺半柜鋰電池柜（儲能模塊7+0）；IT設備供電所需鋰電池柜體總數為8柜，能滿足系統(tǒng)備電30分鐘，同時支持后續(xù)擴容。

2.3電力模塊的優(yōu)勢

可靠美觀：電力模塊采用預制化智能配電成套設備，在模塊化、標準化的基礎上，將供配電系統(tǒng)、饋電系統(tǒng)、監(jiān)控管理系統(tǒng)等集成在一起，所有單元提供2N冗余配置，提升系統(tǒng)安全可靠性，保證系統(tǒng)外觀和結構的一致性。節(jié)省空間：相較于傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)，集中式設計，使整體結構緊湊，配電柜數量減少，空間節(jié)省1倍以上，且電力模塊采用母線連接，節(jié)約了大量的走線空間。節(jié)約用電：配電柜數量減少縮短了鏈路，全鏈路效率達97.8%，可有效降低電能損耗。以12MW數據中心為例，采用電力模塊每年電費可節(jié)省接近200萬。

縮短周期：交付周期從2月縮短至2周。傳統(tǒng)供電方案需現場連接銅排和線纜，工程質量風險大，周期長，需要2月才能完成交付，電力模塊內部連接采用預制廊橋式母排，且在工廠完成預制和調測，現場施工2周即可完成，有助于客戶業(yè)務快速上線。

3安科瑞蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)介紹設備選型

3.1蓄電池組

蓄電池組通常作為UPS電源的補充，用于提供更長時間的應急電源，以便在柴油發(fā)電機組無法提供電力時，為數據中心提供電力支持。

3.2蓄電池組分類

數據中心目前常用的蓄電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鋰電池等。其中，鉛酸電池是較早應用于數據中心的儲能電池之一，它具有成本低、維護簡單、環(huán)境污染小等優(yōu)點，但其能量密度較低、壽命較短、容量較小等缺點。鎳鎘電池雖然能量密度較高，但其存在著容量限制、自放電率高、溫度性能差等缺點，因此在數據中心的應用已經逐漸被鋰電池所取代。在選擇蓄電池組時，需要根據應用場景的要求和預算來選擇適合的蓄電池類型。

3.3蓄電池組一次接線圖

數據中心中的蓄電池通常采用一定數量的電池串聯組成電池組，并通過電線連接到UPS電源系統(tǒng)中。接線應遵循安全可靠的原則，以確保電池組的正常運行和使用壽命。當主電源發(fā)生故障或停電時，UPS電源系統(tǒng)將自動切換到蓄電池備用電源狀態(tài)，以確保系統(tǒng)的持續(xù)運行。

3.4蓄電池組監(jiān)控需求及主要設備選型

蓄電池組在數據中心UPS電源系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，因此需要對其進行監(jiān)控，以確保其正常工作和延長使用壽命。以下是蓄電池組監(jiān)控的一些常見需求：

電池組狀態(tài)監(jiān)測：包括電壓、電流、溫度、容量等參數的監(jiān)測，以實時了解電池組的運行狀況。

電池組剩余壽命預測：通過監(jiān)測電池組的工作狀態(tài)和壽命指標，預測電池組的剩余壽命，提前進行維護和更換，避免電池組失效導致UPS電源系統(tǒng)失效。

自動測試和巡檢：定期對電池組進行自動測試和巡檢，以發(fā)現潛在的故障和異常情況，及時處理。

報警和預警功能：當電池組發(fā)生異常或出現故障時，通過報警和預警的方式通知運維人員及時處理，避免事故的發(fā)生。

數據分析和記錄：通過對電池組數據進行分析和記錄，可以了解電池組的歷史運行情況，為優(yōu)化管理和維護提供數據支持。

蓄電池監(jiān)測主要由S模塊、C模塊及HS采集器組成。

3.5產品選型

4結束語

大數據時代的到來，數據中心建設越來越多，交付周期越來越短，建設要求越來越高，數據機房的高低壓供配電系統(tǒng)也隨之進化，深度融合的道路還在進一步探索，而電力模塊的創(chuàng)新使用，憑借其低耗能、占點小、交付周期短、運維便利等優(yōu)勢，提升了數據機房的得柜率，降低了數據中心能耗，加快了數據中心的交付使用，在數據中心、核心網機房等綠色化轉型提供助力，有力服務數字經濟發(fā)展。

【參考文獻】 

【1】趙建泉,張翠霞,劉凱旋.淺談電力模塊在數據機房中的應用.［Ｊ］.電工技術，2022（15）：164-167.

【2】王二超．數據中心供配電系統(tǒng)架構及備用電源分析［Ｊ］．中國新通信，2021（39）：196-197.

【3】安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊2022.5版