智慧能源站数据中心高可靠性供电方案研究
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摘 要：本文结合智慧能源站数据中心用电特点及服务器模块化建设方案，提出一种“多点备用的网际UPS”供电方案。由站内交直流微网直接为数据中心供电，站内光伏、储能多点备用，形成电网级“超级UPS”，各微模块采用分散供电结构，大幅提高数据中心供电可靠性，同时取消UPS电源系统和柴油发电系统，节省投资近700万左右。
关键词：智慧能源站 数据中心 供电方案
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（a）-0012-02
1 智慧能源站现状
目前，电网企业正在探索综合利用变电站资源进行三站合一建设，即智能变电站、充换电（储能）站和数据中心统筹建设的智慧能源站新模式。该模式以智能变电站为中心，集能源管控，能源服务为核心的能源枢纽站，集电力传输、充电服务、数据中心为一体的城市电力综合体。依托城市枢纽智能变电站这一重要能源物理节点，构建与智能变电站一体化建设的数据中心，利用数据中心站内充足的软硬件资源为公众及企事业单位提供数据信息云服务。
智慧能源站内建设有交直流微网系统，满足站内设备符合需求及电动汽车充电需求。站内交直流微网和变电站低压侧母线相连，储能模块和分布式发电模块亦通过站内交直流微网系统完成削峰填谷功能。
智慧能源站的数据中心一般采用模块化建设方案，即以18台服务器机柜、两台电源列头柜及相应的列间精密空调组成一个模块。服务器模块按需建设，可以实现边使用边建设。
数据中心具有负荷等级高，负荷需求大、应具备备用电源切换功能等特点，本文将结合数据中心用电特点及智慧能源站技术特点，提出一种“多点备用的网际UPS”供电方案，达到节约投资提高供电可靠性的目的。
2 常规数据中心供电方式分析
数据中心是电子信息系统的基础运行平台，数据中心提供电源质量的好坏，将直接影响到服务器正常、可靠的运行，也影响数据中心内其它相关设备的正常工作。因此，数据中心的建设必须要建立一个可靠的综合性强的供配电系统。在这个系统中不仅要解决服务器设备的用电问题，还要解决保障数据中心正常运行的其它附属设备的供配电问题，如空调用电、照明系统用电、消防系统用电等。
机房负荷属于一级负荷，应由两路电源供电，即末端用电设备应来自两个不同供电设备。服务器设备供电采用“双路市电+双总线UPS不间断电源”供电方式。精密空调等动力电源采用“双路市电”供电方式。
市电01后做A路配电输出，市电02分配后做B路输出，两路电源分别输出一路至各用电设备及动力柜输入端做切换后提供给数据中心设备电源，保证每台设备均为市电供电，一路市电故障，另一路市电切入能承担机房全部负载，两路市电距故障时，UPS电源提供机房设备电源。
2.1 UPS配电系统分析
UPS配电系统包括UPS电源设备、后备电池组、UPS输入、输出配电柜、机房列头柜、机柜PDU、防水耦合插座及阻燃屏蔽电缆。
2组UPS系统均采用AB双路馈线引入，互投后提供给二组UPS系统。AB两组UPS设备分别输出一路至机房列头柜形成各机柜A/B双路电源，形成2N冗余双总线运行方式，在各机柜上设置2个PDU。
每个微模块设置两台列头柜，每个列头柜主路开关及分路开关均采用智能电量仪，能监控主路支路参数。UPS输入配电柜设计为双路自投自复，二路电源进线为一主一备。当主电源发生故障，而不能供电时，可通过柜内的ATS开关自动切换至备用电源，继续保持对设备的供电。
UPS供配电系统设计为三级：UPS输入配电柜输出到UPS，UPS输出到UPS主输出配电柜，主输出配电柜输出到机房内列头柜（PDU）由列头柜输出到终端设备。
UPS设备及电池、UPS输入输出配电柜均放置于UPS配电室，由大楼提供的电源进线分配后引至UPS输入配电柜所在位置。
依据设备数量、后期可扩展性，各分区内放置数量不等的强电列头柜，每个列头配电柜内预留有三相电源开关、单相电源开关，用于后期设备扩容之用。列头柜外型、尺寸均与数据中心内设备机柜保持相同。UPS配电采用地板下走线方式配电。
2.2 动力配电系统分析
数据中心的动力配电系统包括动力配电柜、配电箱、阻燃交联电缆，动力配电系统主要提供机房内精密空调、新风排气机等动力设备用电。
AB双路电源在大楼配电室切换后输出一路馈线至数据中心市电输入配电柜，两路电源切换后输出至各用电设备，当主电源发生故障，而不能供电时，可通过大楼内的ATS开关自动切换至备用电源，继续保持对设备的供电。配电柜至各空调的电缆沿地板下安装的金属线槽敷设。机房精密空调等大功率三相设备采用高分断能力的塑壳式空气开关，新风机、排气风机小功率设备采用微型断路器。
3 多点备用的网际UPS供电方案
本文所述方案采用智慧能源站站内交直流微网直接为数据中心供电，站内储能多点备用，复用10kV母线及分裂变压器， 形成電网级“超级UPS”，取消备用柴油发电系统， 节省设备投资，大幅提高数据中心供电可靠性;柔性规划，按需扩容。
3.1 供电方案
数据中心A、B两路设备电源，分别取自智慧能源站内设有的380V交流I段母线和II段母线上。
正常工况下，由#1储能单元和#2储能单元为数据中心供电，两者互为备用;极端状况下，当#1、#2储能单元都发生故障，还可由其他储能模块继续为其供电，或者由电网系统通过站内10kV母线继续为其供电。本方案极大提高了数据中心的供电可靠性。
3.2 技术经济分析
本文以数据中心远期共上九组微模块为例，每组微模块18台机柜，共216台服务器;每台机柜负荷按10kW计算，合计负荷共1620kW。 按照常规数据中心配置UPS考虑总负荷的36%，UPS容量为500kW;按照冗余配置A、B两套，每套UPS造价380万。
采用本方案后，节约投资及后期运维成本可达近700万元，具有极大的造价优势。
3.3 精密列头柜选择
数据中心微模块选用精密配电列头柜，使用双回路供电配置，最大程度的提高供电的安全可靠性，提高机房的等级。
具体配置如下：
采用2N供电方式，TN-S接地系统。
进线回路采用塑壳断路器，额定电流250A，分断能力36kA，可满足最大200kW的供电需求。
分支回路采用微型断路器，额定电流50A，确保每台服务器机柜10kW的供电需求，同时每路预留3个以上50A备用回路。
配电列头柜配置电流监测与告警装置，提供Modbus RS485智能接口通讯方式，并可实现逻辑运算。所有信息通过一个接口上传。配电列头柜告警系统可向上级监控中心发送告警数据，同时发出声光告警。接口的具体监控内容包括总输入电流、总输入电压、总输入功率、总输入电度计量、各分路电流、输入电源故障、分路开关状态、各分路电量计量以及电力质量情况。
4 結语
本文在分析智慧能源站数据中心用电特点的基础上，结合智慧能源站内交直流微网提出一种“多点备用的网际UPS供电方案”。
该方案采用站内交直流微网直接为数据中心供电，站内储能多点备用，复用变电站低压侧母线， 形成电网级“超级UPS”，取消UPS电源系统， 节省设备投资近700万左右。该方案可靠性经济性效益明显。
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