大型数据中心供电电源自控技术研究与应用

朱 宇

（中时讯通信建设有限公司，广东广州 510030）

0 引言

数据中心中涵盖了大量的数据信息，其中不乏巨大商业价值、研究价值的信息内容，鉴于此,应保证数据中心运用的安全性和可靠性。为确保数据中心电能供应的稳定性，应拟定、选用可靠性强、安全性高的供电方案，低压配电系统是数据中心最为常见的配电办法。

1 数据中心绿色节能机房电气设计的需求分析及设计思路

1.1 需求分析

绿色节能数据中心机房电气设计的主要要求包括3 个方面：（1）数据中心电气系统应急电源的选择应考虑柴油发电机，开关应根据实际情况灵活操作；（2）配置不间断电源时，应以2N 为标准。在选择应急备用电池时，请确保其使用时间大于15min。（3）在配置数据中心电气系统时，应以容错系统的相关标准为依据。在电气系统运行过程中，应避免各种外部因素，如外部电源的停止、设备的故障、电气系统的错误操作和拒绝运行。

1.2 设计原则与思路

在电气系统设计工作中，应严格遵循电气设计行业的要求，此外，还应充分考虑计算机软硬件的发展趋势，通过电气设计的优化和调整为企业数据信息的保存、传输和集成提供全面的保障。同时，按照环保节能的理念使机房达到绿色节能的要求[1]。因此，在设计绿色节能机房时，应严格遵循安全可靠、灵活运行、节能发展的原则，确保数据中心机房符合我国可持续发展、绿色建筑发展的理念。

2 智慧城市数据中心组成

2.1 硬件基础设施

智慧城市的数据处理系统由计算机网络、伺服系统存储、负载均衡等组成。在此基础上，以IRSAN 为核心的局域网系统具有快速、安全、方便的特点。首先，对用户基本数据、主题数据、协同数据进行监控和过滤，实现合理高效的局域网、服务器存储、负载均衡等功能。其次，对相关硬件进行测试验证，对服务器的存储进行检查，并对系统的负载进行测试，最后对系统进行加载，完成智慧城市信息系统的日常运维[2]。智能数据中心的合理设计，将实际需求、状态评估、设计实施、运维等多种因素结合在一起，设计指标和参数，实现对数据中心网络服务器的实时监控，为数据中心的工作提供了良好的保障。

2.2 中央数据库

智慧城市的本质是对大量信息的智能处理、收集、存储、分类、重组和重用。数据存储技术是数据存储、建模、分析等技术的关键技术，能够以永久的形式存储和分析大量数据。通过对数据模型的重构，建立雪花型和星星型数据的分析逻辑，实现多维数据的高效集成。通过使用数据模型技术，可以使不同维度的多维数据直接或间接地与实际相关联。可以对数据进行分析和建模，为实时分析、统计分析等工作提供强有力的支持。

2.3 大数据中心

在分析和应用数据时，需要充分考虑数据的时空演变特征，从多个角度分析数据之间的关系。在智慧城市建设中，需要的数据主要包括互联网应用、行业应用、政府信息等。智慧城市建设是政府发挥自身职能的重要体现。因此，基于政府内部网和外联网，充分利用数据交换平台对数据进行分析和挖掘，建立统一的支持各种智能系统的数据中心，实现数据之间的有效处理，为用户提供全面的数据服务和数据安全。

3 数据中心绿色节能

低压配电系统由UPS (Un-interruptible Power Supply)配电系统、防雷接地分系统和安全分系统组成。

3.1 UPS 配电系统设计

数据中心的不间断电源由UPS 配电系统提供。该系统采用双母线技术，由2 台UPS 组成。该系统的主要功能是为数据中心服务器、机柜设备和监控中心计算机提供足够的电力。2 台UPS 均采用独立的主电源。在供电正常的情况下，UPS 能够提供稳定的供电和负载。此外，它还可以利用机器中的电池来储存电能。当电源中断时，UPS 在第一时间通过逆变器将存储在蓄电池中的电转换成电能，不间断地向负载提供电能，保证负载正常稳定运行，避免电源中断造成硬件损坏。当系统运行过程中出现低压、瞬态高压、电涌等问题时，UPS 系统也能在第一时间发挥其保护价值。鉴于此，在设计节能绿色电气系统时应科学使用UPS 系统，保证其工作状态的稳定和安全[3]。数据中心机房有2 个PDU(Power Distribution Unit)。确保每个机箱有2 个独立的UPS 电路为机箱供电。机柜通过地板下的走线槽向机柜供电。安装插座时，请注意防止漏电，以保证安全运行和持续可靠的电源供应。

3.2 数据中心绿色节能机房照明系统设计

在设计照明系统时，应主动与施工方沟通，详细分析数据处理系统的规划布局。在沟通过程中，建设者应主动引进低消耗、高效率的服务器，并根据不同模式划分服务器类型，以保证电气系统设计的合理性，使其能够满足系统的实际要求，并确保UPS 的设计和配置在满足实际使用要求的同时还要有足够的剩余量。此外，在设计过程中，应严格按照相关规范中提到的照明要求，控制和优化机房不同区域的照明。以信息机房的室内照明设计为例，其亮度应控制在500lx 以上，机房辅助区域的照明度也应大于300lx，以满足规范标准的要求。此外，应急照明的亮度应大于50lx。

3.3 数据中心机房绿色节能防雷接地系统设计

防雷接地系统是数据中心机房最关心的对象。根据实际情况，两级防雷节点系统在数据中心低压配电系统的运行中发挥着重要作用。一级防雷接地系统(60kA)一般布置在数据中心主电源附近，二级防雷接地系统布置在配电柜电源电缆附近。避雷器、接地设备、引下线、接地电阻是整个防雷系统的组成部分。在日常生活中最常见的装置是避雷针，避雷针是由金属制成的，接地设备由接地体和相关线路组成；下引线的主要功能是导出连接器中的累积电流，接地电阻是判断接地设备性能好坏的关键。

3.4 空调配电系统设计

为了充分保证机房内部温度处于平衡状态，则应配置空调制冷系统。一般采用浸没式冷却或直接液冷来保证机房内温度的稳定。与其他环境不同，数据中心机房环境具有较强的特殊性，这也对空调系统的稳定性提出了更高的要求。数据中心不应中断，否则会影响机房的稳定性。因此，应提高系统的稳定性，以保证系统能够长时间运行，系统本身也能充分发挥其作用和价值，为机房温湿度平衡提供基本条件。

3.5 低压配电及线路敷设设计

低压配电线路敷设的安全性和可靠性不仅关系到供电的连续性，而且对保证线路的正常运行、提高输电效率具有不可忽视的价值。它凭借自身的作用，可以全面提高电能质量。在进行电力设备的线路配置时，应积极采用阻燃电缆，并采用辐射方式完成线路敷设。在推进普通电力设备的敷设时，应积极采用低烟特性的无卤电缆完成工作。在这个过程中，工作人员可以以辐射式或混合树干的形式完成工作。低压电线，应铺设ZR-BY 阻燃铜芯，如照明和空调系统。配电室(箱)的分支电缆，如果有电缆沟，应敷设在电缆沟内；如果没有电缆沟，应采用金属管保护线路，并应加装在长管箱上，通过管道沉降缝和桥架沉降处理工作。

3.6 电气保护及接地系统设计

科学全面的接地系统可以避免外界干扰的侵入，在为电子电气设备安全可靠运行提供坚实保障的同时，也避免了系统内部出现干扰问题，使数据中心机房的电源系统始终保持稳定的零电位。当潜在漂移问题发生时，会对数据读取的效果产生非常严重的负面影响，甚至降低其性能。鉴于此，工作人员应优化数据中心电气的保护策略，确保电源连接系统的安全、稳定、高效。机房一般采用TN-S接地系统[4]，因为TN-S 接地系统具有操作简单、故障敏感等多种优点。此外，数据中心机房内的电源插座要安装漏电保护开关，并仔细检查机房内小于2.4m 的灯具是否连接地线。同时，在数据中心机房与地面系统的连接过程中，应对各部分进行联合监控。为数据中心电力系统稳定、安全运行提供全面保障。

4 数据中心电力电子技术的发展方向

随着以碳化硅(SiC)、氮化镓(Gal-lium Nitride)为代表的第三代半导体器件的出现和成熟，数据中心供电系统将呈现以下特点。

4.1 设备层

第三代半导体材料具有更宽的带隙、更高的热导率、更强的抗辐射性、更大的电子饱和漂移率等特点，可以实现更好的电流和电压开关控制，更适用于产生高温、高频、抗辐射的大功率电子设备。目前，5G 基站、新能源汽车、光伏系统都是第三代半导体的重要应用领域。目前，数据中心采用硅基igbt 和mosfet 作为电力电子器件，但对电力器件的能效、体积和重量要求越来越高。传统的硅基电力电子器件存在开关频率低、开关损耗大等缺点，已达到技术瓶颈，难以进一步改进。以碳化硅和氮化镓为代表的宽带隙半导体功率器件的出现和发展，使电力电子变换器实现更高的效率和功率密度成为可能。与传统硅器件相比，SiC 器件和GaN 器件可满足更高温度、更高电压、更高频率的要求，其开关损耗较硅基电力电子器件可降低50%以上，使转换效率实现质的飞跃。由于耐高温特性，可大大降低空调系统的容量要求，进一步降低数据中心空调的能耗。

4.2 电路与设备层

数据中心电力电子设备的电路拓扑结构主要包括整流电路和逆变电路。主流电路改造类型有二极管整流加PFC、图腾柱电路、维也纳电路、同步整流、巴拿马电路等。这些电路类型的缺点是无法实现电力双向传输、电力电子转换和储能功能，只能应用于低压环节。制约着数据中心电源设备向更高的效率和更高的应用水平发展。随着电力网络的发展和电力电子技术的进步，在电力电子转换电路方面将越来越多地采用双向转换电路，并按照高压接入系统和高压储能系统的需求进行集成设计，例如，将基于模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性高压直流输电系统、高压储能系统与通信电源系统进行一体化设计，该方案避免使用工频变压器，而一套整流或逆变设备即可实现高压直流传输、高压储能、通信系统供电等功能，节约了大量电力电子设备[5]。结合碳化硅、氮化镓等第三代半导体器件，进一步降低系统的成本、体积和重量，将进一步提高数据中心供电设备的整体效率，扩大数据中心电源参与电网调频调压功能，为未来以新能源为主体的新型电力系统提供支持。

4.3 系统层面

直流供电技术在高压直流网络中逐步成熟，数据中心的供电系统可以直接接入高压直流电源甚至输电网，从而省去了交直流转换环节，与大容量高压储能系统的结合更加灵活多变。例如，未来数据中心供电系统可以与大型新能源站的高压直流供电网络和高压直流储能电站集成，参与新能源站的综合控制，成为虚拟电厂的一个单元。通过对新能源电站集群的协同控制进一步提高了新能源发电的时空互补性，提高了新能源发电、电网接入和消费的整体稳定性，降低了新能源发电随机性和波动性带来的供电风险，提高了数据中心的供电可靠性，数据中心的发展速度也有了很大的提高。

5 结论

数据中心包含大量的数据，这也对配电系统的安全性提出了更高的要求。数据中心供电双电源自动投切系统硬件设备和软件功能的优化，提高了数据中心供电电源自动控制的有效性和系统运行的稳定性[6]。