智能化電力模塊在數(shù)據(jù)機(jī)房中的應(yīng)用與探討

程瑜

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定201801

摘要：數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推廣應(yīng)用，帶來數(shù)據(jù)指數(shù)級增長，大量數(shù)據(jù)都將進(jìn)入數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行集中處理，這對數(shù)據(jù)中心都提出了更新更高的要求。面對數(shù)據(jù)中心高密化、規(guī)模化的發(fā)展，供電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的“心臟”，為滿足數(shù)據(jù)中心的增長，以及綠色能源的發(fā)展趨勢，在建設(shè)中不僅要保障供電的安全性，更要對供電系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，為客戶創(chuàng)造更大價(jià)值。結(jié)合相關(guān)技術(shù)及規(guī)范，創(chuàng)新數(shù)據(jù)中心配電方案，為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心電力模塊智能鋰電

1概述

隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展，短時(shí)間內(nèi)快速爆發(fā)成為其發(fā)展特征，如抖音單季度用戶數(shù)新增近2億，這種情況下，客戶對于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心的建設(shè)方式，很難更上業(yè)務(wù)的發(fā)展。

芯片、服務(wù)器等設(shè)備算力和功耗持續(xù)提升，未來幾年單機(jī)柜功率密度也將從6~8kW向12~15kW演進(jìn)。同時(shí)，未來云數(shù)據(jù)中心將成為主要場景，預(yù)計(jì)到2025年占比將超過70%，面對云計(jì)算業(yè)務(wù)帶來的數(shù)據(jù)量和計(jì)算量的爆發(fā)式增長，在數(shù)據(jù)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(jī)房單位面積內(nèi)的算力、存儲以及傳輸能力，才能*大程度發(fā)揮數(shù)據(jù)中心的價(jià)值。另一方面，隨著AI、超算等技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，人工智能計(jì)算中心、超算中心等也將迎來建設(shè)高潮，推動數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展。

預(yù)制化和模塊化是將是數(shù)據(jù)中心未來發(fā)展的一個(gè)方向。與目前廣泛使用的微模塊相同，采用模塊化設(shè)計(jì)將數(shù)據(jù)中心供配電分解成多個(gè)預(yù)制化結(jié)構(gòu)在進(jìn)行預(yù)制組裝供配電系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，將復(fù)雜的工程變成統(tǒng)一的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的快速部署。

2數(shù)據(jù)機(jī)房供配電方案

2.1項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目數(shù)據(jù)中心機(jī)房規(guī)劃面積約600m2，參考GB50174-2017《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》B級機(jī)房進(jìn)行規(guī)劃，功能區(qū)域包括主機(jī)房（設(shè)備機(jī)房、電力機(jī)房）、管理區(qū)（辦公室、互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間等）和輔助用房。單機(jī)柜功率不4kW，初步規(guī)劃機(jī)柜數(shù)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(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)建設(shè)方案

2.2.1高低壓建設(shè)方案

數(shù)據(jù)機(jī)房的負(fù)荷一般由一級負(fù)荷、二級負(fù)荷和三級負(fù)荷組成，根據(jù)建筑、空調(diào)、給排水等專業(yè)提出的用電需求初步估算，主要負(fù)荷情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1變壓器用電負(fù)荷測算

根據(jù)以上的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)及計(jì)算結(jié)果，本項(xiàng)目建議設(shè)備選型及配置如下：

變壓器：1000kVA，1+1配置。每臺變壓器正常負(fù)荷率不大于50%，當(dāng)一臺變壓器故障時(shí)，另一臺變壓器帶起全部負(fù)荷。

2.2.2系統(tǒng)建設(shè)方案

數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備和核心通信設(shè)備主要采用UPS供電。供電方式采用2N架構(gòu)的UPS供電方式。根據(jù)不同用電設(shè)備的用電安全等級、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及用電特點(diǎn)等因素，本數(shù)據(jù)中心UPS供電系統(tǒng)考慮采用高頻模塊化UPS設(shè)備，UPS系統(tǒng)按照2N冗余方式配置，整體系統(tǒng)后備時(shí)間按系統(tǒng)延時(shí)30min考慮（單邊15min）。UPS容量計(jì)算：確定UPS系統(tǒng)的基本容量時(shí)應(yīng)留有余量，UPS系統(tǒng)的基本容量可按下式計(jì)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(shè)備kW/kVA）P—IT設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷（kW/kVA）。

本項(xiàng)目共計(jì)劃建設(shè)IT機(jī)柜150架，單柜功耗平均4kW，網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜11架，單柜功耗1kW，數(shù)據(jù)中心機(jī)柜總功耗為：

考慮同時(shí)系數(shù)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(xiàng)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(yù)留模塊空間，便于后期擴(kuò)容及維護(hù)。

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

2.2.3低壓配電系統(tǒng)建設(shè)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(fù)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(bǔ)償柜、模塊化UPS及饋線柜等，低壓設(shè)備采用工廠預(yù)制化成套設(shè)備。本工程配置2套1250kVA預(yù)制化電力模塊系統(tǒng)，每套系統(tǒng)配置1套SCB131000kVA變壓器、2000A進(jìn)線柜、1200A母聯(lián)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(shè)方案

圖1電力模塊

鉛酸電池在通信行業(yè)領(lǐng)域數(shù)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(jī)房承重要求高，生產(chǎn)制造過程容易造成環(huán)境污染，各國的鉛酸電池發(fā)展都趨于萎縮。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(jì)算書（滿載）如表3所示。

表3鋰電池容量測算

因此UPS單機(jī)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(shè)備供電所需鋰電池柜體總數(shù)為8柜，能滿足系統(tǒng)備電30分鐘，同時(shí)支持后續(xù)擴(kuò)容。

2.3電力模塊的優(yōu)勢

可靠美觀：電力模塊采用預(yù)制化智能配電成套設(shè)備，在模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的一致性。節(jié)省空間：相較于傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)，集中式設(shè)計(jì)，使整體結(jié)構(gòu)緊湊，配電柜數(shù)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(shù)量減少縮短了鏈路，全鏈路效率達(dá)97.8%，可有效降低電能損耗。以12MW數(shù)據(jù)中心為例，采用電力模塊每年電費(fèi)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(xiàn)場連接銅排和線纜，工程質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)大，周期長，需要2月才能完成交付，電力模塊內(nèi)部連接采用預(yù)制廊橋式母排，且在工廠完成預(yù)制和調(diào)測，現(xiàn)場施工2周即可完成，有助于客戶業(yè)務(wù)快速上線。

3安科瑞蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)介紹設(shè)備選型

3.1蓄電池組

蓄電池組通常作為UPS電源的補(bǔ)充，用于提供更長時(shí)間的應(yīng)急電源，以便在柴油發(fā)電機(jī)組無法提供電力時(shí)，為數(shù)據(jù)中心提供電力支持。

3.2蓄電池組分類

數(shù)據(jù)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(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的儲能電池之一，它具有成本低、維護(hù)簡單、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，但其能量密度較低、壽命較短、容量較小等缺點(diǎn)。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(diǎn)，因此在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用已經(jīng)逐漸被鋰電池所取代。在選擇蓄電池組時(shí)，需要根據(jù)應(yīng)用場景的要求和預(yù)算來選擇適合的蓄電池類型。

3.3蓄電池組一次接線圖

數(shù)據(jù)中心中的蓄電池通常采用一定數(shù)量的電池串聯(lián)組成電池組，并通過電線連接到UPS電源系統(tǒng)中。接線應(yīng)遵循安全可靠的原則，以確保電池組的正常運(yùn)行和使用壽命。當(dāng)主電源發(fā)生故障或停電時(shí)，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(yùn)行。蓄電池組一次系統(tǒng)圖如圖所示。

圖2蓄電池組一次接線圖

3.4蓄電池組監(jiān)控需求及主要設(shè)備選型

蓄電池組在數(shù)據(jù)中心UPS電源系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，因此需要對其進(jìn)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(shù)的監(jiān)測，以實(shí)時(shí)了解電池組的運(yùn)行狀況。

電池組剩余壽命預(yù)測：通過監(jiān)測電池組的工作狀態(tài)和壽命指標(biāo)，預(yù)測電池組的剩余壽命，提前進(jìn)行維護(hù)和更換，避免電池組失效導(dǎo)致UPS電源系統(tǒng)失效。

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

報(bào)警和預(yù)警功能：當(dāng)電池組發(fā)生異?；虺霈F(xiàn)故障時(shí)，通過報(bào)警和預(yù)警的方式通知運(yùn)維人員及時(shí)處理，避免事故的發(fā)生。

數(shù)據(jù)分析和記錄：通過對電池組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和記錄，可以了解電池組的歷史運(yùn)行情況，為優(yōu)化管理和維護(hù)提供數(shù)據(jù)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(chǎn)品選型

	ABAT100-S-02	監(jiān)測一節(jié)2V電池，監(jiān)測電池電壓、內(nèi)阻與負(fù)極溫度。	單體電池的電壓、溫度及內(nèi)阻監(jiān)測-2V
單組電池監(jiān)測模塊		ABAT100-C	監(jiān)測一個(gè)充放電電流與一個(gè)環(huán)境溫度。	單組電池的電流及溫度監(jiān)測
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4結(jié)束語

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)中心建設(shè)越來越多，交付周期越來越短，建設(shè)要求越來越高，數(shù)據(jù)機(jī)房的高低壓供配電系統(tǒng)也隨之進(jìn)化，深度融合的道路還在進(jìn)一步探索，而電力模塊的創(chuàng)新使用，憑借其低耗能、占點(diǎn)小、交付周期短、運(yùn)維便利等優(yōu)勢，提升了數(shù)據(jù)機(jī)房的得柜率，降低了數(shù)據(jù)中心能耗，加快了數(shù)據(jù)中心的交付使用，在數(shù)據(jù)中心、核心網(wǎng)機(jī)房等綠色化轉(zhuǎn)型提供助力，有力服務(wù)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

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審核編輯 黃宇