交流10 kV 直转直流电源技术在数据中心的应用研究*

［谢拥华］

1 引言

近年来，以5G、云计算、大数据、物联网和人工智能为代表的新一代信息技术推动着数字经济高速发展。数字经济的发展产生了海量的数据,而数据中心作为海量数据的主要存储和运算处理实体，其数量和规模也在迅速扩大。

随着数据中心在经济社会发展中的地位越来越重要，数据中心的持续稳定运行和高效运营成为了人们关注的焦点，因此，作为数据中心基础设施的关键组成部分的供配电系统，其可靠性和供电效率非常重要。供配电系统的技术和架构一直在演进中。

当前，数据中心的供配电系统有多种体系架构，具体来说可以进行如下分类。

（1）按照供电电源类型进行划分：有交流不间断电源（UPS）系统和高压直流电源系统，其中，高压直流电源系统又可以分为240 V 直流和336 V 直流。

（2）按照供电系统颗粒度进行划分：有集中式供电系统和分布式供电系统，其中，分布式供电系统又可以分为机柜级分布式供电和服务器级分布式供电。

（3）按照供电体系的冗余架构进行划分：有2N 双母线供电、分布式冗余（DR）供电、后备式冗余（RR）供电、一路市电加一路保障电源等。

根据GB 50174-2017《数据中心设计规范》的规定，数据中心依据重要程度可划分为A、B、C 三级，其中，A 级数据中心重要程度最高，其基础设施宜按容错系统配置。在实际应用中，A 级数据中心在数量上占绝大多数，一般采用2N 双母线方式进行集中式供电。

从数据中心的不间断供电电源类型来看，大多数采用了交流不间断电源技术，高压直流电源技术（240 V/336 V直流）经过十多年的发展，也应用越来越多。

近年来，在部分数据中心试用了交流10 kV 直转直流电源技术，该技术受到人们越来越多的关注，本文将重点对其在数据中心的应用进行研究。

2 交流10 kV 直转直流电源技术

交流10 kV 直转直流电源技术将10 kV 高压交流电直接转换成240 V 或336 V 直流电，供给后端的用电设备使用。在这种供电方式中，供电系统没有了传统交流变压器和低压配电部分，它类似于巴拿马运河在沟通大西洋和太平洋航运上的作用，因此也被形象地称为巴拿马电源。

该技术的原理是对供配电链路和整流模块拓扑进行优化设计。一是简化供配电链路，将原有供配电架构中的中压隔离柜、变压器柜、低压配电柜、HVDC 柜整合为一套电源。二是简化整流模块拓扑，将原有整流模块中的三相整流、升压、逆变、隔离、整流等5 个环节简化为三相不控整流和调压两个环节，减少了功率变换环节和器件。

交流10 kV 直转直流电源系统的组成如图1 所示，主要包括中压柜、移相变压器柜、整流输出柜和蓄电池组。

图1 交流10 kV 直转直流电源系统组成图

中压柜是为了维护变压器时，设置一个明显的断点，内部安装有负荷开关、高压防雷以及高压带电显示等器件。开关柜具有各种防误操作功能，满足供电部门有关“五防”的要求。

移相变压器柜主要由移相变压器、10 kV 输入接线排、低压输出接线排、侦测单元及冗余风机等组成。移相变压器一次侧输入电压为10.5 kV，输出各绕组分别接入互相隔离的AC/DC 整流单元，实现直流侧对地悬浮，并与其他绕组电气隔离。

整流输出柜主要由交流输入断路器、整流模块、电池分路熔断器、直流负载分路熔断器、直流电涌保护器、综合侦测模块等部件组成。其中，整流模块将输入的交流电转换成直流电输出，由于采用了移相变压器，整流模块不需要功率因数校正环节，可以解决输入功率因数和输入电流谐波问题。

采用交流10 kV 直转直流电源技术的数据中心供电系统图如图2 所示。

图2 采用交流10 kV 直转直流电源技术的数据中心供电系统图

与交流不间断电源技术和高压直流电源技术对比，交流10 kV 直转直流电源技术应用于数据中心的供电可靠性和供电效率如何呢？下面进行量化分析。

3 供电可靠性分析

3.1 可靠性定义及指标

可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，其常用指标主要有平均故障间隔时间（MTBF）和可靠度。

（1）平均故障间隔时间（MTBF）

平均故障间隔时间是指可修复产品的两次故障间工作时间的平均值。在YD/T 1051-2018《通信局（站）电源系统总技术要求》和各种通信电源设备标准中，对常见通信 电源设备的MTBF 值提出了明确的要求，如表1 所示。

表1 常见通信电源设备的可靠性要求

（2）可靠度R（t）

可靠度是指产品在规定条件下和规定时间（或操作次数）内完成规定功能的概率。可靠度是时间的函数，一般用R（t）表示。简单来说，可靠度是多次试验中该事件发生的频率估计，是可靠性理论最基本的一个指标。

电气产品的失效分布类型一般为单参数指数分布。

典型指数分布类型的可靠度函数R（t）为：

为便于对比分析，本文统一取1 年时的可靠度进行计算，即t=8 760 h。例如，通信行业标准YD/T 585-2010《通信用配电设备》中规定，交流配电设备的MTBF ≥ 105h，则交流配电屏在1 年时的可靠度为：R（8 760 h）=91.61%。

3.2 交流不间断电源（UPS）供电方案

当前，大多数的数据中心供配电系统采用的是2N 双母线架构的交流不间断电源（UPS）集中供电方案，供电系统图如图3 所示。

图3 数据中心2N 双母线UPS 集中供电系统图

图3 中，市电为一类市电，有两路10 kV 高压引入，任何一路高压市电均可以满足机房所有负荷的容量要求，根据YD/T 1051-2018《通信局（站）电源系统总技术要求》的规定，一类市电的可靠度取值为99.96%。

柴油发电机组为高压10 kV 柴油发电机组，其每年运行时间为市电停电的时间。根据YD/T 1051-2018《通信局（站）电源系统总技术要求》的规定，其每年运行时间为0.74次×3.37 h=2.49 h，而柴油发电机组的MTBF为800 h。即在可靠度计算时，t 取2.49 h，MTBF 取800 h。

大型数据中心的2N 双母线UPS 系统，一般每套由3台500 kVA 的高频UPS 并联组成，提供1 500 kVA 的总容量，此时要达到该总容量，必须3台UPS都正常运行，所以，在可靠度计算时，3 台UPS 应按串联系统计算。每台UPS一般配置1 组480 V 蓄电池，该组蓄电池与UPS 的整流器部分属于并联关系，而480 V 蓄电池组的可靠性可以按10 组48 V 蓄电池组串联计算得出。通信行业标准YD/T 1095-2018《通信用交流不间断电源（UPS）》规定，UPS的可靠性MTBF ≥105h，假设其整流器和逆变器的可靠性相同，则整流器和逆变器的可靠性分别为MTBF≥2×105h。

根据可靠性分析的原理，可以将上述供电系统方框图转换为如下可靠性分析模型，如图4 所示。

图4 数据中心2N 双母线UPS 集中供电系统可靠性分析模型

根据表1 中各设备的可靠性要求，可以计算出交流不间断电源（UPS）供电方案的总可靠度，如表2 所示。

表2 UPS 供电方案的可靠度

3.3 高压直流电源供电方案

高压直流供电技术自2007 年首次应用于信息通信机房以来，受到了许多用户的青睐，原因是该技术与-48 V高频开关电源类似，采用了模块化并联冗余技术，且蓄电池组直接挂在直流系统输出端，使系统可靠性和可用性均有了大幅提升。高压直流电源技术主要包括240 V 和336 V两种输出电压类型。

在实际应用中，有许多用户采用了1 路240 V 高压直流和1 路市电供电相结合的应用方案。为了对比公平，本文采用2N 双母线的240 V 高压直流供电方案进行分析，其供电系统图如图5 所示。

图5 数据中心2N 双母线高压直流集中供电系统图

数据中心2N 双母线高压直流集中供电系统的可靠性分析模型如图6 所示。

图6 数据中心2N 双母线高压直流集中供电系统可靠性分析模型

根据表1 中各设备的可靠性要求，可以计算出高压直流电源供电方案的总可靠度，如表3 所示。

表3 高压直流供电方案的可靠度

3.4 交流10 kV 直转直流电源供电方案

数据中心采用交流10 kV 直转直流电源系统的供电系统图见图2，其可靠性分析模型如图7 所示。

图7 交流10 kV 直转直流电源集中供电系统可靠性分析模型

系统输出直流电压仍以240 V 为例，单母线按配置1组240 V 蓄电池考虑。

根据通信行业标准《信息通信用10 kV 交流输入的直流不间断电源系统》报批稿的规定，10 kV 直转直流电源系统的MTBF 为不小于50 000 h。可计算出交流10 kV 直转直流电源供电方案的总可靠度，如表4 所示。

表4 交流10 kV 直转直流电源供电方案的可靠度

3.5 可靠性对比分析

综合上述分析，采用交流不间断电源（UPS）供电方案、高压直流电源供电方案和交流10 kV 直转直流电源供电方案，其供电可靠性对比情况如表5 所示。

表5 三种供电方案的可靠度对比表

从表5 可以看出，交流10 kV 直转直流电源供电方案的可靠性相对于交流不间断电源供电方案有很大的提升，也优于高压直流电源供电方案。

供电可靠性提升的原因是交流10 kV 直转直流电源供电方案的供电环节大幅减少，且蓄电池组在供电系统环节上更加靠近用电设备。

4 供电效率分析

数据中心供配电系统的能耗是数据中心总能耗的重要组成部分，提升供配电系统的供电效率可以降低其能耗。

数据中心供配电系统的每个环节均需要消耗电能，也就是说，从市电电网进入到数据中心的电力，在到达用电设备之前，每一次的传递和变换均会产生损耗，根据国家标准、行业标准的规定，并结合各系统设备的平均技术水平，各环节的大致供电效率如表6 所示。为了简化分析，本文不考虑备用电源设备（主要为柴油发电机组、蓄电池）的能耗。

表6 数据中心供配电系统各环节的供电效率

注1：2N 工作方式，正常工作情况下的电源最大负载率不超过40%，考虑数据中心建设的达产周期，按30%负载率考虑。

注2：不同制造商的设备，供电效率有所不同，甚至差异很大，如：有的制造商，UPS 在30%负载率下的效率可达95%，高压直流电源在30%负载率下的效率可达96%，交流10 kV 直转直流电源在30%负载率下的效率可达97%。本文暂以国家标准或行业标准的规定值进行对比。

根据表6 中的大致供电效率，可以计算出采用前述3种不同供电方案的供电总效率，如表7 所示。

表7 三种供电方案的供电效率对比表

从表7 可看出，采用交流10 kV 直转直流电源供电方案，供电总效率得到了大幅提升，其原因主要为两个方面：一是供电的环节减少了，该方案将原有供配电架构中的中压隔离柜、变压器柜、低压配电柜、HVDC 柜整合为一套电源；二是交流10 kV 直转直流电源本身的供电效率较高，这和其内部电路拓扑结构简化有关。

5 建设及运维分析

在数据中心的建设阶段，由于交流10 kV 直转直流电源将原有供配电系统中的多个环节整合为一套电源，设备数量减少，设备体积缩小，因此，可以降低建设成本，节约机房空间，缩短建设周期，而且建设难度也下降了。

在数据中心的运营阶段，由于交流10 kV 直转直流电源的输入为10 kV 交流，机房运维人员的运维界面从传统的低压侧向前端推进到了高压10 kV 侧，运维人员应掌握高压侧的安全操作及注意事项，且必须具备特种作业高压操作资质才能上岗。

6 总结

综上，与交流不间断电源技术和高压直流电源技术相比，交流10 kV 直转直流电源技术应用于数据中心有如下特点：

（1）供电可靠性得到了较大的提升。原因是供电环节大幅减少，且蓄电池组在供电系统环节上更加靠近用电设备。

（2）供电效率有很大的提高。原因是供电环节减少，且该设备的内部电路拓扑结构大大简化。

（3）有利于数据中心的高效建设，并降低成本。

（4）对机房运维人员提出了更高的要求。

总的来说，交流10 kV 直转直流电源技术是数据中心机房中很有前途的一种供电技术。