一、引言
數據中心是一切信息化技術的基礎設施，是對數據進行集中處理、存儲、傳輸、交換和監控管理的場所。數據中心涉及眾多專業和系統，其中供配電系統是為電子信息設備提供電源的重要系統，在數據中心基礎設施投資占比中位列第一，為數據中心安全可靠運行提供能源保障。
二、供配電系統的基本形式
國家標準《數據中心設計規范》GB50174-2017第3.2.1條規定：“A級數據中心的基礎設施宜按容錯系統配置”。所謂“容錯”，即需要為數據中心提供“雙重”或“多重”安全保障。在供配電方面，2N系統可以為數據中心提供“雙重”保障。數據中心供配電系統主要由五大部分組成，即10kV配電裝置、變壓器、0.4kV配電裝置、不間斷電源系統、不間斷電源輸出配電裝置。圖1是滿足A級數據中心“容錯”要求的2N供配電系統邏輯框圖。
圖1 2N供配電系統邏輯框圖
A級數據中心由雙路電源供電，并設置備用電源。正常運行時，數據中心由雙路電源供電，每路電源承擔50%的負荷；當一路電源出現故障，另一路電源承擔全部負荷；當兩路電源都出現故障，備用電源投入運行，承擔全部負荷的需要。
10kV配電裝置將電源分配到變壓器，主要包括正常電源進線斷路器柜、計量柜、備用電源進線斷路器柜、自動轉換開關電器柜、出線斷路器柜、母聯斷路器柜、母線等。
變壓器將10kV 電源轉換為0.4kV電源，0.4kV配電裝置將電源分配到不間斷電源系統（包括交流UPS和直流UPS）等設備，主要包括0.4kV進線斷路器柜、濾波補償柜、出線斷路器柜、母聯斷路器柜、母線等。
電子信息設備內部各電路是以直流電源進行工作的，為此在電子信息設備內部設計了一個電源模塊，無論供電電源是交流還是直流，經過電源模塊后都變成直流，故大多數服務器等電子信息設備可以接受交流電源，也可以接受直流電源供電，其原理見圖二。圖二是電子信息設備的電源模塊接受交流或直流電源時的工作原理。當電源模塊輸入交流電時，在交流電的正半周，電流流向是A→2→C→D→4→B；在交流電的負半周，電流流向是B→3→C→D→1→A，在C和D之間形成直流電源。當電源模塊輸入直流電，且A為正極，B為負極時，電流流向是A→2→C→D→4→B，當B為正極，A為負極時，電流流向是B→3→C→D→1→A，在C和D之間形成直流電源。
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圖二 電源模塊接受交流或直流電源的工作原理
為電源模塊提供交流不間斷電源的是交流UPS，市電電源通過交流UPS改善電源質量后輸出至UPS配電裝置。UPS配電裝置主要包括進線斷路器柜、出線斷路器柜、列頭柜或配電小母線。
為電源模塊提供直流不間斷電源的是直流UPS。為節約能源和提高電源的可靠性，直流UPS電源減少了逆變環節。目前，部分數據中心采用HVDC（高壓直流）電源，電壓有240V和336V兩種，其原理是將交流電源整流為直流電源后為電子信息設備供電。電源通過HVDC改善質量并變為直流后輸出至配電裝置，HVDC輸出配電裝置主要包括直流出線斷路器或熔斷器、列頭柜等。
為提高電源的可靠性，電子信息設備由雙路電源供電。大中型數據中心供配電系統就是從10kV 電源進線，經過10kV配電裝置、變壓器、0.4kV配電裝置、不間斷電源系統及不間斷電源輸出配電裝置，到電子信息設備電源進線這個過程。在這個過程中有兩種應用方式影響了數據中心供配電系統：
第一種應用方式：交流UPS電源和直流UPS電源（或HVDC高壓直流電源）。
第二種應用方式：“分立式”和“一體化”供配電系統。
三、不間斷電源系統
不間斷電源系統的基本功能是保障供電電源的連續性，電子信息系統運行時，允許斷電持續時間是0～10ms，當斷電時間超過10ms時，電子信息系統將中斷運行，數據和信息丟失。如果是A級數據中心，電子信息系統運行中斷將造成重大的經濟損失或者造成公共場所秩序嚴重混亂。因此，國家標準《數據中心設計規范》GB50174-2017第8.1.7條規定“電子信息設備宜由不間斷電源系統供電”。規范第2.1.40條定義了不間斷電源系統：“由變流器、開關和儲能裝置組合構成的系統，在輸入電源正常或故障時，輸出交流或直流電能，在一定時間內，維持對負載供電的連續性。”這里說到的“輸出交流電能”通常稱為交流UPS電源；“輸出直流電能”通常稱為直流UPS電源或HVDC（高壓直流）電源。
3.1 交流UPS電源
交流UPS電源由整流器、蓄電池和逆變器三個基本單元組成，其作用是改善電源質量和連續供電，在市電電源發生故障或中斷時，為電子信息設備提供一定時間的電源供應。當市電正常時，電流通過整流器和逆變器向電子信息設備供電，同時通過整流器給蓄電池充電。電流路徑有兩路：
第一路：市電——整流器——逆變器——電子信息設備；
第二路：市電——整流器——蓄電池。
當市電故障或整流器故障時，通過控制電路自動切換至蓄電池為電子信息設備供電，電流路徑：蓄電池——逆變器——電子信息設備；如果僅僅是整流器故障，可通過UPS旁路給電子信息設備供電。
交流UPS的輸入電源和輸出電源可以是單相，也可以是三相，具體分為三種類型：
第一種：單相輸入單相輸出，即UPS的輸入與輸出都是單相交流220V；
第二種：三相輸入單相輸出，即UPS的輸入是三相380V，輸出是單相交流220V；
第三種：三相輸入三相輸出，即UPS的輸入與輸出都是三相交流380V。
由于電子信息技術的蓬勃發展，單個項目數據中心已從十幾年前的幾百平方米，發展到目前的幾十萬平方米，用電負荷也從幾百千瓦增加到幾十萬千瓦，三相輸入三相輸出型UPS電源更適合大型數據中心的應用。
3.2 直流UPS電源
直流UPS電源由整流器和蓄電池兩個基本單元組成。當市電正常時，電流通過整流器向電子信息設備供電，同時整流器給蓄電池充電。電流路徑有兩路：
第一路：市電——整流器——電子信息設備；
第二路：市電——整流器——蓄電池。
當市電故障或整流器故障時，通過控制電路自動切換至蓄電池為電子信息設備供電，電流路徑：蓄電池——負載；如果僅僅是整流器故障，則蓄電池放電結束后，無論市電是否正常，將停止向電子信息設備供電。
為了防止這種故障導致電子信息設備宕機，A級數據中心可以采用國家標準《數據中心設計規范》GB50174-2017第3.2.1條推薦的“容錯”供電系統，也可以采用第3.2.2條推薦的“不間斷電源系統和市電電源系統相結合的供電方式”。
國家標準《信息通信用 240V/336V 直流供電系統技術要求和試驗方法》GB/T 38833—2020第3.1條定義了通信用高壓直流電源（HVDC）：標稱電壓為 240V 或 336V，可用于信息通信設備的直流供電系統。這里說的高壓是相對于傳統的-48V直流通信電源而言。
240V高壓直流系統可與現有電子信息設備兼容，即直接代替220V交流電源為電子信息設備供電，使用方便，無需改造現有的電子信息設備。而336V高壓直流系統不能與現有電子信息設備兼容，需對現有電子信息設備的電源模塊進行改造，但336V高壓直流系統整體應用效率比240V系統可提高8～10%。
3.3 不間斷電源系統的物理結構
不間斷電源系統可分為塔式、模塊式和機架式三種結構形式。
3.3.1 塔式不間斷電源系統
塔式不間斷電源系統是數據中心應用最廣泛的一種不間斷電源，其特點是單機容量大（可超過1000KVA），直接并機的單元數量少，可靠性高，能夠滿足大型數據中心的應用需求。
3.3.2 模塊式（模塊化）不間斷電源系統
通常把具有獨立不間斷電源的功能，可按模塊整體安裝、拆卸、移動、更換的不間斷電源稱為模塊化不間斷電源系統。模塊化不間斷電源系統具有以下特征：
1）可靠性：多個模塊可在專門設計的機柜中并聯運行，不會因某個模塊的問題影響整體運行；
2）可管理性：模塊是系統中一個具有獨立功能并可獨立運行的單元，單體重量相對較輕，結構上可整體安裝、拆卸、更換、移動；
3）靈活性：在負載增長或減少時，可以自動構成冗余系統，實現靈活便利的擴容或降容。
4）可維護性：具有帶電熱插拔功能，保證供電連續性。當某個模塊需要維修更換時，可從帶電的系統中脫離出來，實現在線維護，維修完畢后插入模塊即刻投入運行。
3.3.3 機架式不間斷電源系統
機架式不間斷電源系統包括整流器、逆變器、旁路、控制與顯示單元、操作面板、電池等單元，其應用特點是可以安裝在標準機柜中，即可以單獨成柜，也可與電子信息設備安裝在同一機柜中，既節約了物理空間，又節省了配電和電纜等設備和材料，對于微型數據中心是最佳的選擇。
四、“分立式”和“一體化”供配電系統
數據中心供配電系統由10kV配電裝置、變壓器、0.4kV配電裝置、不間斷電源系統及不間斷電源輸出配電裝置等五大部分組成。“分立式”即將供配電系統中的各種設備分別采購、分別安裝，分別調試，用電纜或母線連接后進行聯調聯試。“一體化”即將供配電系統中的所有設備和材料重新優化后集成在一起，在工廠生產和調試后形成一臺整體設備。
4.1 “分立式”供配電系統
“分立式”供配電系統屬于傳統應用方式，也是目前數據中心采用最多的方式，其優點是設備采購選擇范圍大、發生故障容易判斷、運行維護相對方便。但也存在一些問題：
1）由于設備是分立安裝，設備之間需要安裝、安全和操作距離，故設備占用建筑面積較大。
2）由于設備之間需要連接大量電纜或母線，導致施工量和施工難度增加，同時也增加了電纜等材料費用，經濟性較差。
3）由于設備眾多，導致招標采購時間長，影響建設工期。
4）由于設備分散安裝，設備品牌較多，導致監控設備、監控難度和運行成本增加。
4.2 “一體化”供配電系統
4.2.1應用方式
“一體化”供配電系統有多種組合方式，在設備輸入電源方面，可以選擇輸入10kV電源，形成“中低壓設備一體化”，也可以選擇輸入0.4kV電源，形成“低壓設備一體化”；在設備輸出電源方面，可以選擇輸出交流電源，形成“交流設備一體化”，也可以選擇輸出直流電源，形成“交直流設備一體化”。各種組合方式的區別在于是否包含10kV配電裝置和變壓器，是采用交流UPS，還是采用直流UPS。
1）“中低壓設備一體化”是將數據中心供配電系統的五大組成部分（除列頭柜或配電小母線外）整合在一起，形成 “大而全一體化”供配電設備。
2） “低壓設備一體化”不包含10kV配電裝置和變壓器，主要是以0.4kV配電裝置、不間斷電源系統及不間斷電源輸出配電裝置等組成“一體化”配電設備。其特點是將10kV中壓與0.4kV低壓設備分開布置，保證安全，方便維護。
3） “交流設備一體化”是以交流UPS為核心設備，采用柜內母排將UPS前后的配電裝置與UPS進行整合，組成“一體化”配電設備。
4） “交直流設備一體化”是以直流UPS或高壓直流HVDC為核心設備，組成“一體化”配電設備。
各種組合不是固定不變的，可以根據實際需要重新組合。例如“中低壓設備一體化”與“交直流設備一體化”進行組合，以10kV中壓電源輸入，240V直流輸出，形成“中低壓交直流設備一體化”。
4.2.2 優勢
1）減少設備占用建筑面積。數據中心由主機房、支持區、輔助區和行政管理區組成，主機房是電子信息設備的工作區域，支持區是供配電和空調等設備的工作區域，主機房和支持區占據了數據中心大部分面積。輔助區和行政管理區的面積基本是確定的，支持區占用面積的多少決定了主機房的面積，也就決定了機柜數量，支持區占用面積越小，主機房面積越大，可布置的機柜數量越多。“一體化”與“分立式”供配電系統相比，“一體化”供配電設備可節省30～40%的建筑面積。
2）“一體化”供配電系統中包含中低壓配電裝置、變壓器和不間斷電源等設備，設備之間的電氣連接均在工廠完成，連接質量高于現場施工質量。“一體化”與“分立式”供配電系統相比，可減少部分電纜、母線及橋架的采購和安裝，并可縮短設備及材料的采購和施工周期，實現快速安裝使用。
3）“一體化”供配電系統便于集中監控與管理,可將配電鏈路進行統一整合，統一集中監控。
4.2.3 存在問題
1）由于“一體化”供配電系統內部各組成部分之間距離很近，導致短路電流增大，上下級斷路器的選擇性保護難以合理實現,需要選擇分斷能力更強的斷路器。
2）由于供配電系統內部各類設備眾多，“一體化”后導致設備體積龐大，對設備運輸、安裝和運行維護造成困難。
五、結語
數據中心工業化是未來數據中心建造方式的發展方向，以“設計標準化、制造模塊化、建造裝配化、運維智慧化、全生命周期數字化”為特征，實現數據中心可持續發展。“不間斷”供配電系統是數據中心的安全保障，“一體化”供配電系統是實現數據中心工業化的方式之一。
