淺析預(yù)制式電力模組的建構(gòu)及其在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用，給數(shù)據(jù)中心的供配電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來(lái)顯著變化。從我國(guó)大型金融數(shù)據(jù)中心的情況來(lái)看，其主要生產(chǎn)和災(zāi)備數(shù)據(jù)中心聚集地仍然以北京、上海兩地為主。相比于西部和北部地區(qū)，北京、上海等城市土地資源稀缺，能耗指標(biāo)緊張，年平均氣溫較高，新建數(shù)據(jù)中心的能源利用效率(PUE)受到嚴(yán)格限制，因此金融數(shù)據(jù)中心面臨的節(jié)能降耗問(wèn)題比較突出。同時(shí)，金融數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)資金量大，一旦供配電系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題將造成重大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。綜上，金融數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)宜選用安全、穩(wěn)健的綠色節(jié)能技術(shù)。

傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)在占地面積、交付周期、施工質(zhì)量、集成監(jiān)控等方面存在諸多痛點(diǎn)，因此，構(gòu)建一個(gè)經(jīng)濟(jì)、高效、安全和智慧的供配電系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。在金融領(lǐng)域，一些大型金融機(jī)構(gòu)特別關(guān)注電力模組落地后是否可以兌現(xiàn)其宣傳的價(jià)值。同時(shí)，不少金融機(jī)構(gòu)基于具體場(chǎng)景論證預(yù)制式電力模組方案應(yīng)用在項(xiàng)目中的可行性，部分大型金融機(jī)構(gòu)已經(jīng)嘗試采用預(yù)制式電力模組方案。在運(yùn)營(yíng)商和IDC領(lǐng)域，預(yù)制式電力模組已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用。

本文將對(duì)預(yù)制式電力模組的特點(diǎn)和價(jià)值進(jìn)行分析，從多個(gè)角度探討如何構(gòu)建一個(gè)經(jīng)濟(jì)、高效、安全和智慧的供配電系統(tǒng)，并對(duì)預(yù)制式電力模組在金融數(shù)據(jù)中心的實(shí)際應(yīng)用提出相關(guān)建議。

一、傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)的痛點(diǎn)

1.變配電室與IT機(jī)房面積比發(fā)生逆轉(zhuǎn)

追求IT機(jī)房面積占比的最大化，即盡可能減少輔助區(qū)的占地面積，一直是數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的主要訴求之一。在數(shù)據(jù)中心總面積不變的情況下，IT機(jī)柜的單機(jī)柜功率越高，則變配電室的面積越大，能建設(shè)的IT機(jī)柜數(shù)量就越少。

在傳統(tǒng)金融數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜功率為2.5～5kW的情況下，變配電室占地面積一般為IT設(shè)備占地面積的1/4左右;而當(dāng)單機(jī)柜功率提升至目前大型金融數(shù)據(jù)中心主流的8kW時(shí)，變配電室占地面積將達(dá)到IT設(shè)備占地面積的1/2左右，隨著智算中心機(jī)柜功率的快速提升，變配電室面積的占比也隨之顯著提高。以1個(gè)基于英偉達(dá)HGX平臺(tái)的千卡集群智算中心為例，配置128臺(tái)智算服務(wù)器，每臺(tái)服務(wù)器配置8個(gè)H100 GPU(PSU采用4+4冗余)，每個(gè)服務(wù)器機(jī)架放置2臺(tái)智算服務(wù)器(最大功耗20.4kW)，則智算中心IT總功耗1411.2kW(計(jì)入網(wǎng)絡(luò)和管理設(shè)備功耗)，可提供約1000P(16FP)稠密算力。IT機(jī)房占地面積約334m2，變配電系統(tǒng)采用2N架構(gòu)，配置2套2000kVA傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)，變配電室占地面積約470m2，變配電室占地面積達(dá)到IT設(shè)備占地面積的1.4倍左右。

變配電室占地面積從IT設(shè)備占地面積的1/2左右到其1.4倍，可見20kW機(jī)柜功率下的變配電室面積是8kW時(shí)的近3倍。隨著AI驅(qū)動(dòng)IT機(jī)柜的高密化，優(yōu)化變配電室占地面積是數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)必然方向。

2.交付周期長(zhǎng)，施工質(zhì)量隱患多

傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)的中壓開關(guān)柜、變壓器、不間斷電源、低壓配電柜等設(shè)備需要分散采購(gòu)，安裝就位時(shí)要相互等候匹配，不同設(shè)備安裝人員之間均需要對(duì)接交底，從而延長(zhǎng)了系統(tǒng)的整體交付周期。

傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)不間斷電源與上下級(jí)的低壓輸入輸出配電柜一般采用多拼電纜連接，多拼電纜必須保證每根電纜的長(zhǎng)度一致，現(xiàn)場(chǎng)操作過(guò)程繁瑣且耗時(shí)漫長(zhǎng)，易出現(xiàn)連接不穩(wěn)固、接觸不良等問(wèn)題，為后續(xù)系統(tǒng)運(yùn)行埋下安全隱患。同時(shí)，供電系統(tǒng)的搭建需要總包商及各供應(yīng)商互相協(xié)作，交叉工序多、界面分割難，施工階段易埋下漏項(xiàng)隱患。

3.設(shè)備接口多且分散，集成監(jiān)控工作繁瑣

傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)的繼保裝置、變壓器溫控器、多功能表計(jì)、SVG、APF等設(shè)備分散且接口不一，需在現(xiàn)場(chǎng)分別接入上級(jí)電力或動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，智能化集成工作繁瑣。

二、預(yù)制式電力模組相關(guān)行業(yè)規(guī)范及政策支持

為解決傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)的痛點(diǎn)，預(yù)制式電力模組等創(chuàng)新解決方案應(yīng)運(yùn)而生。行業(yè)規(guī)范及政策的支持，為預(yù)制式電力模組快速發(fā)展提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)方向：

一是《上海市數(shù)據(jù)中心建設(shè)導(dǎo)則(2021版)》指出，供配電系統(tǒng)宜采用預(yù)制化電力模塊(組)解決方案；二是《國(guó)家工業(yè)和信息化領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)裝備推薦目錄(2022年版)》顯示，信息化領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)推薦采用電力模塊(組)；三是2022年9月，中國(guó)電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)布的《數(shù)據(jù)中心電力模塊預(yù)制化技術(shù)規(guī)范》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)正式施行。

此外，中國(guó)泰爾實(shí)驗(yàn)室依據(jù)其《電力模塊產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)施規(guī)則》從系統(tǒng)外觀及總體評(píng)估、系統(tǒng)性能指標(biāo)測(cè)試、系統(tǒng)功能測(cè)試、系統(tǒng)可靠性測(cè)試、系統(tǒng)安規(guī)、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、傳輸及控制、系統(tǒng)配電技術(shù)等多個(gè)方面對(duì)預(yù)制式電力模組產(chǎn)品進(jìn)行全面檢測(cè)，為其質(zhì)量和性能提供保障，推動(dòng)了行業(yè)規(guī)范化發(fā)展。

三、預(yù)制式電力模組的價(jià)值剖析

作為創(chuàng)新的供配電解決方案，預(yù)制式電力模組展現(xiàn)出較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新力，正在引領(lǐng)行業(yè)的變革。以下結(jié)合一個(gè)較有代表性的預(yù)制式電力模組方案，探討預(yù)制式電力模組的特點(diǎn)和價(jià)值。

該模組為一套IT-2.5MVA系統(tǒng)，整體長(zhǎng)度為13.8m，高度2.5m，深度1.0m(變壓器深度1.5m)，其高度由2m的設(shè)備柜本體和0.5m的母排倉(cāng)組成。從左往右依次為變壓器、進(jìn)線柜、聯(lián)絡(luò)柜、補(bǔ)償柜、UPS輸入柜、4臺(tái)600kVA交流UPS、UPS輸出柜、維修旁路柜和饋線柜(如圖1所示)。

圖1 某IT-2.5MVA系統(tǒng)預(yù)制式電力模組方案

1.經(jīng)濟(jì)——空間資源利用更充分

以1個(gè)225機(jī)架、單機(jī)架功率8kW的金融數(shù)據(jù)中心包間為例，采用2套2.5MVA傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)方案時(shí)，通過(guò)將實(shí)際設(shè)備擺放到配電室中，按照國(guó)標(biāo)要求預(yù)留出過(guò)道空間之后，得出配電室的長(zhǎng)度為15.1m，寬度為7m，變配電室占地面積為2×15.1×7≈212m2；若替換為2套2.5MVA預(yù)制式電力模組方案，配電室的長(zhǎng)度為18.4m，寬度為4.3m，變配電室占地面積為2×18.4×4.3≈159m2。相比傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)方案，采用預(yù)制式電力模組方案節(jié)省配電室面積接近30%，節(jié)省出的空間可以部署更多服務(wù)器等核心設(shè)備，從而可大大提升數(shù)據(jù)中心的空間資源利用率。

2.高效——交付速度更快

預(yù)制式電力模組方案交付周期為2周左右，相比傳統(tǒng)方案1個(gè)月左右的交付周期，可至少節(jié)省50%的時(shí)間。同時(shí)，預(yù)制式電力模組設(shè)備可迅速完成安裝和調(diào)試，讓數(shù)據(jù)中心更早投入運(yùn)營(yíng)。此外，相較于傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)，預(yù)制式電力模組在招標(biāo)環(huán)節(jié)也能夠減少大量工作流程，在后續(xù)的運(yùn)維過(guò)程中，還能夠降低溝通成本和相互扯皮的可能性。

3.安全——交付質(zhì)量更高

在工廠內(nèi)，預(yù)制式電力模組已通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)流程以及嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)手段，確保了設(shè)備具有穩(wěn)定可靠的性能，從而降低了因現(xiàn)場(chǎng)施工人員水平參差不齊帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

4.智慧——集成程度更高

預(yù)制式電力模組先是在本地將模組內(nèi)的各個(gè)組件進(jìn)行集成，再通過(guò)通信交換機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議接入電力或動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)。由于上級(jí)系統(tǒng)無(wú)需對(duì)接南向的各類設(shè)備，所以系統(tǒng)架構(gòu)得到了明顯的簡(jiǎn)化。

通過(guò)智能電力監(jiān)控管理系統(tǒng)，預(yù)制式電力模組可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和故障診斷，并可迅速定位故障點(diǎn)、縮短故障排查時(shí)間。此外，智能電力監(jiān)控管理系統(tǒng)具備全鏈路溫度檢測(cè)功能，可實(shí)時(shí)上傳顯示溫度，并記錄運(yùn)行歷史曲線，顯著提高運(yùn)維管理的效率和準(zhǔn)確性。

5.靈活——可在線維護(hù)、可硬件解耦

針對(duì)預(yù)制式電力模組中各組件生命周期不一、更新其中某一組件的同時(shí)整套系統(tǒng)仍需正常工作的難點(diǎn)，通過(guò)硬件可解耦的架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)UPS整機(jī)在線不斷電更換，避免了因設(shè)備維護(hù)和更新而導(dǎo)致的業(yè)務(wù)中斷，從而為用戶提供持續(xù)穩(wěn)定的電力保障，有效滿足金融數(shù)據(jù)中心的運(yùn)維需求。

6.綠色——整體效率提升

預(yù)制式電力模組采用銅排連接，整套系統(tǒng)長(zhǎng)度更短，所以損耗較傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)可降低近1%。雖然看似下降比例不大，但對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心而言，1%的損耗降低仍然能夠帶來(lái)較為顯著的節(jié)能和降本的效果。

四、預(yù)制式電力模組建構(gòu)的注意事項(xiàng)

1.關(guān)注系統(tǒng)架構(gòu)和元器件選擇

預(yù)制式電力模組方案和傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)的低壓配電方案相比，各組件設(shè)備基本相同，因此系統(tǒng)架構(gòu)和元器件選擇是預(yù)制式電力模組技術(shù)應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)。首先，不建議為追求極致的空間而過(guò)度省略原有架構(gòu)中的重要組件；其次，元器件應(yīng)選用MTTR低、可用性高、便于檢修的產(chǎn)品；最后，無(wú)論采用什么架構(gòu)和元器件，建議對(duì)整個(gè)模組進(jìn)行短路電流計(jì)算及選擇性驗(yàn)證，有條件的可進(jìn)行計(jì)算機(jī)電力仿真，以確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和安全性。

2.關(guān)注金融客戶的運(yùn)維習(xí)慣

預(yù)制式電力模組方案可能對(duì)金融機(jī)構(gòu)的運(yùn)維習(xí)慣產(chǎn)生一定影響，例如部分金融機(jī)構(gòu)習(xí)慣主路和靜旁路分開開關(guān)操作運(yùn)維等。在選擇預(yù)制式電力模組方案時(shí)，需要提前告知金融機(jī)構(gòu)方案的整體架構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)等信息，視其接受程度靈活調(diào)整模組架構(gòu)和選型。

3.關(guān)注組件的升級(jí)迭代

由于不間斷電源和輸入輸出低壓柜并柜放置，所以預(yù)制式電力模組方案和傳統(tǒng)供配電方案相比更需要關(guān)注組件的升級(jí)迭代能力。升級(jí)產(chǎn)品需要具有兼容的、標(biāo)準(zhǔn)化的接口，且與之前產(chǎn)品尺寸一致，以降低升級(jí)迭代帶來(lái)的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

預(yù)制式電力模組是對(duì)現(xiàn)有供配電設(shè)備的集成及優(yōu)化，順應(yīng)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)綠色低碳的發(fā)展趨勢(shì)。在不降低安全可靠性的前提下，預(yù)制式電力模組方案可充分利用土建空間和電力資源，顯著縮短交付周期，適量降低能耗和施工碳排放。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)制式電力模組有望進(jìn)一步升級(jí)和完善，為各行業(yè)的發(fā)展提供更加強(qiáng)有力的電力保障。