大型數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)亟待革新

大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)熱潮來襲。然而，在大型數(shù)據(jù)中心的運營中，巨大的配電成本支出正在對運營商形成挑戰(zhàn)，同時配電單元往往占用大量面積，不利于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能環(huán)保。因此，如何能夠在保證數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運行的情況下，實現(xiàn)配電系統(tǒng)的革新，顯著降低配電成本成為業(yè)界關(guān)注的問題。正是在這一趨勢下，中壓型UPS開始興起。中壓型UPS能夠提高接近負(fù)荷中心的電壓等級，減少低壓配電環(huán)節(jié)，降低能耗。可以預(yù)見，隨著電信行業(yè)去電信化、減配增效的深入推進，中壓UPS系統(tǒng)將迎來廣闊的市場前景。
 
　　大型數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)亟待革新
　　
　　我國早期通信系統(tǒng)負(fù)有政治安全責(zé)任，通信網(wǎng)絡(luò)一旦中斷將追究相關(guān)方政治責(zé)任，所以我國通信系統(tǒng)中冗余配置較高，這從早期UPS和開關(guān)電源蓄電池組后備時間的不一致可見一斑。所以，在建設(shè)數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)時，為了保證系統(tǒng)安全可靠性，充分考慮設(shè)備配置和冗余。
　　
　　目前大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)或大型數(shù)據(jù)中心的供配電結(jié)構(gòu)一般是引市電高壓（110kV）或中壓（35kV、10kV）到高壓配電室然后再分配給干式變壓器（轉(zhuǎn)成380V）并配置成套低壓配電系統(tǒng)，成套低壓配電系統(tǒng)中的饋電柜再通過密集母線或電纜分配電能到每個樓層的低壓配電柜，再分配到大型的UPS（如500kVA、600kVA），目前每套低壓配電系統(tǒng)一般最大配置到2000kVA，每套低壓系統(tǒng)最多帶兩套大容量的1 1型UPS系統(tǒng)或2N型UPS系統(tǒng)，這種從高壓配電系統(tǒng)-低壓配電系統(tǒng)-UPS的結(jié)構(gòu)在早期中小型數(shù)據(jù)中心應(yīng)用廣泛，但隨著數(shù)據(jù)中心單UPS系統(tǒng)配電容量的加大，這種配電結(jié)構(gòu)存在諸多缺陷。
　　
　　第一，投資浪費嚴(yán)重。單套低壓配電系統(tǒng)存在浪費投資、浪費機房空間、浪費密集母線等浪費現(xiàn)象。雖然也可以將變壓器配置在每個樓層，但是供配電結(jié)構(gòu)沒有變化，隨著大型UPS的使用，每套2000kVA的低壓配電系統(tǒng)下掛2套600kVA（1 1）考慮充電電流及負(fù)載冗余后即滿。
　　
　　第二，增加供配電等級，增加了安全隱患。在相同的電源器件環(huán)境中，對于配電系統(tǒng)來說上下游開關(guān)越少越安全，配電等級越少可靠性越高，接近負(fù)荷中心的電壓等級越高越節(jié)能。大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)35kV開關(guān)站-10kV高壓配電柜-10kV配電柜-變壓器-低壓配電柜-密集母線-樓層配電柜-UPS系統(tǒng)，8層級的配電結(jié)構(gòu)，每多1個層級則意味著增加一個故障隱患點。
　　
　　第三，影響機房可使用面積，增加建筑成本。對于大型數(shù)據(jù)中心，如果每層樓均配置變壓器低壓配電室、UPS系統(tǒng)電源室，相應(yīng)電源區(qū)域要預(yù)留40%以上的空間，對于通信機房來說，一般預(yù)留25%~30%空間，且低壓配電結(jié)構(gòu)冗余度越大占機房面積越大。
　　
　　中壓型一體化UPS正在興起
　　
　　回顧通信領(lǐng)域的高低壓配電發(fā)展趨勢，交流系統(tǒng)從早期的380V到10kV，不間斷電源從220V到240V、336V高壓直流，設(shè)備功耗密集程度越大配電系統(tǒng)的電壓等級也隨之上升，采用高壓等級的設(shè)備可以更多地減少線損、線纜母線投資、節(jié)省設(shè)備占地面積、減少轉(zhuǎn)換次數(shù)也意味著節(jié)能，同樣，改變傳統(tǒng)的380V進380V出220V配電的結(jié)構(gòu)，提高UPS進入電壓等級至10kV以上也具備以上優(yōu)點。使用如10kV的UPS的前提是將傳統(tǒng)低壓配點系統(tǒng)的計量功能、功率補償功能、低壓發(fā)電機組轉(zhuǎn)移到10kV系統(tǒng)。
　　
　　低壓配電中的計量可采用高壓端計量。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心往往是通過在低壓段低壓配電系統(tǒng)中配置計量柜的方式，但是隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模越來越大，大型數(shù)據(jù)中心已有10套以上的低壓配電系統(tǒng)，且分為生活用電、辦公用電等，統(tǒng)計量工作放在高壓將成為一種趨勢。采用高壓端計量的同時仍可以通過中壓型一體化UPS的變壓器的數(shù)據(jù)采集進行自動統(tǒng)計上報。
　　
　　低壓配電中的補償功能可改為高壓補償和負(fù)荷中心就近補償。對于數(shù)據(jù)中心來說，感性負(fù)載和容性負(fù)載同時存在，感性負(fù)載主要為空調(diào)主機、風(fēng)機等電機類設(shè)備；整流設(shè)備、IT設(shè)備為容性負(fù)載；也就說數(shù)據(jù)中心感性負(fù)載和容性負(fù)載是同時存在的，是相互補充的。統(tǒng)計顯示，目前大部分通信局樓的低壓電容器柜多設(shè)置為人工投入，因為由于感性負(fù)載和容性負(fù)載的同時存在，功率因數(shù)cosΦ通常都在0.92以上。采取在低壓配電系統(tǒng)進行補償屬于后補償，沒有起到有效作用，且在諧波環(huán)境下容易引發(fā)電容器共振并存在爆炸風(fēng)險。因此未來的數(shù)據(jù)中心應(yīng)針對具體機房環(huán)境測試其諧波和無功負(fù)荷情況進行就近補償。
　　
　　大型數(shù)據(jù)中心采用高壓油機是必然趨勢。目前大型、超大型數(shù)據(jù)中心已推廣采用高壓油機，帶來很多優(yōu)勢：電纜、上下游開關(guān)配置方面，簡化了配電結(jié)構(gòu)，高壓油機使用高壓電纜傳輸電力，高壓輸電電流相當(dāng)于低壓輸電電流的二十六分之一，上下游開關(guān)及電纜投資節(jié)省、敷設(shè)及施工方便、線損很小、安全性也較高；便于進行多機并機，形成大容量后備電源，消除了常壓油機系統(tǒng)面臨的輸出容量瓶頸；若采用高壓空調(diào)必須采用高壓油機，離心機組啟動電流較大，如國內(nèi)某運營商集團企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“除變頻供電的電動機外，單臺額定功率大于350kW的電動機，宜采用10kV電源供電”。采用高壓冷水機組供電后，可以相應(yīng)減少變壓器及低配和密集母線、電纜的投資，綜合對比高壓冷水機組的價格因素，初步統(tǒng)計可以節(jié)省0.075萬元/kW（制冷量）；高壓油機集中布置，可以根據(jù)園區(qū)功耗發(fā)展情況分期、逐臺投資，而低壓油機則只能是與低配模塊化相匹配而無論油機的實際負(fù)載率，造成油機投資浪費；推廣使用高壓油機之后低壓配電系統(tǒng)中的ATS柜可以減配。
　　
　　以上分析證明，低壓配電系統(tǒng)中的主要功能，計量、電容、ATS柜等都可以代替，實施高壓到負(fù)荷中心的二級轉(zhuǎn)換比再經(jīng)過低壓側(cè)顯然可以節(jié)省更多成本，減少中間配電環(huán)節(jié)后也使得可靠性提高很多。
　　
　　國外中壓UPS系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀
　　
　　從歐洲地區(qū)的中壓UPS系統(tǒng)發(fā)展來看，中壓UPS系統(tǒng)多應(yīng)用在工業(yè)級不間斷電源應(yīng)用場景中，擁有兆瓦級額定功率和高達99.5%的中壓UPS，儲能和逆變器依然處于低壓水平，它還能大幅簡化維護作業(yè)和降低系統(tǒng)成本。中壓UPS可進行改造，進行定制化設(shè)計，可兼容各種各樣的儲能裝置，具體取決于所需的保護時間。超級電容器和飛輪可在幾秒鐘內(nèi)提供高密度保護，而電池可以達到長達15分鐘的備用時間。
　　
　　北美地區(qū)早期工業(yè)用中壓型UPS系統(tǒng)多為集裝箱式結(jié)構(gòu)或露天箱體結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)中心使用的中壓型UPS系統(tǒng)多為戶內(nèi)型、模塊化結(jié)構(gòu)，容量為2.0MW~20MW。包括輸入輸出開關(guān)柜、變壓器箱、主控單元、PES柜（中壓）、雙向變流器、儲能箱等。戶外型儲能箱后備時間為1~3分鐘，戶內(nèi)型后備時間根據(jù)客戶需求配置，可以達到30分鐘以上。
　　
　　可以看到，國外已有類似產(chǎn)品，但是國外的中壓UPS較多定位于將UPS系統(tǒng)功能集中于中壓段解決，目前已在美國的部分大型數(shù)據(jù)中心開始應(yīng)用。
　　
　　尤為值得一提的是，相比傳統(tǒng)低壓UPS，中低壓一體化UPS在同樣的場景下將減少80%的投資成本，而之所以能夠帶來這一“不可思議”的改變，則主要得益于大幅減少了傳統(tǒng)低壓配電柜的占地面積，節(jié)省了大量的低壓配電母線、電纜，同時發(fā)電機組采用高壓油機也便于分期投資。可以預(yù)見，中壓UPS系統(tǒng)的建設(shè)將為運營商節(jié)省大量的供配電成本，進一步提升運營商的市場競爭力。