一、引言

数据中心是一切信息化技术的基础设施，是对数据进行集中处理、存储、传输、交换和监控管理的场所。数据中心涉及众多专业和系统，其中供配电系统是为电子信息设备提供电源的重要系统，在数据中心基础设施投资占比中位列第一，为数据中心安全可靠运行提供能源保障。

二、供配电系统的基本形式

国家标准《数据中心设计规范》GB50174-2017第3.2.1条规定：“A级数据中心的基础设施宜按容错系统配置”。所谓“容错”，即需要为数据中心提供“双重”或“多重”安全保障。在供配电方面，2N系统可以为数据中心提供“双重”保障。数据中心供配电系统主要由五大部分组成，即10kV配电装置、变压器、0.4kV配电装置、不间断电源系统、不间断电源输出配电装置。图1是满足A级数据中心“容错”要求的2N供配电系统逻辑框图。

图1   2N供配电系统逻辑框图

A级数据中心由双路电源供电，并设置备用电源。正常运行时，数据中心由双路电源供电，每路电源承担50%的负荷；当一路电源出现故障，另一路电源承担全部负荷；当两路电源都出现故障，备用电源投入运行，承担全部负荷的需要。

10kV配电装置将电源分配到变压器，主要包括正常电源进线断路器柜、计量柜、备用电源进线断路器柜、自动转换开关电器柜、出线断路器柜、母联断路器柜、母线等。

变压器将10kV 电源转换为0.4kV电源，0.4kV配电装置将电源分配到不间断电源系统（包括交流UPS和直流UPS）等设备，主要包括0.4kV进线断路器柜、滤波补偿柜、出线断路器柜、母联断路器柜、母线等。

电子信息设备内部各电路是以直流电源进行工作的，为此在电子信息设备内部设计了一个电源模块，无论供电电源是交流还是直流，经过电源模块后都变成直流，故大多数服务器等电子信息设备可以接受交流电源，也可以接受直流电源供电，其原理见图二。图二是电子信息设备的电源模块接受交流或直流电源时的工作原理。当电源模块输入交流电时，在交流电的正半周，电流流向是A→2→C→D→4→B；在交流电的负半周，电流流向是B→3→C→D→1→A，在C和D之间形成直流电源。当电源模块输入直流电，且A为正极，B为负极时，电流流向是A→2→C→D→4→B，当B为正极，A为负极时，电流流向是B→3→C→D→1→A，在C和D之间形成直流电源。

​

图二  电源模块接受交流或直流电源的工作原理

为电源模块提供交流不间断电源的是交流UPS，市电电源通过交流UPS改善电源质量后输出至UPS配电装置。UPS配电装置主要包括进线断路器柜、出线断路器柜、列头柜或配电小母线。

为电源模块提供直流不间断电源的是直流UPS。为节约能源和提高电源的可靠性，直流UPS电源减少了逆变环节。目前，部分数据中心采用HVDC（高压直流）电源，电压有240V和336V两种，其原理是将交流电源整流为直流电源后为电子信息设备供电。电源通过HVDC改善质量并变为直流后输出至配电装置，HVDC输出配电装置主要包括直流出线断路器或熔断器、列头柜等。

为提高电源的可靠性，电子信息设备由双路电源供电。大中型数据中心供配电系统就是从10kV 电源进线，经过10kV配电装置、变压器、0.4kV配电装置、不间断电源系统及不间断电源输出配电装置，到电子信息设备电源进线这个过程。在这个过程中有两种应用方式影响了数据中心供配电系统：

第一种应用方式：交流UPS电源和直流UPS电源（或HVDC高压直流电源）。

第二种应用方式：“分立式”和“一体化”供配电系统。

三、不间断电源系统

不间断电源系统的基本功能是保障供电电源的连续性，电子信息系统运行时，允许断电持续时间是0～10ms，当断电时间超过10ms时，电子信息系统将中断运行，数据和信息丢失。如果是A级数据中心，电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失或者造成公共场所秩序严重混乱。因此，国家标准《数据中心设计规范》GB50174-2017第8.1.7条规定“电子信息设备宜由不间断电源系统供电”。规范第2.1.40条定义了不间断电源系统：“由变流器、开关和储能装置组合构成的系统，在输入电源正常或故障时，输出交流或直流电能，在一定时间内，维持对负载供电的连续性。”这里说到的“输出交流电能”通常称为交流UPS电源；“输出直流电能”通常称为直流UPS电源或HVDC（高压直流）电源。

3.1 交流UPS电源

交流UPS电源由整流器、蓄电池和逆变器三个基本单元组成，其作用是改善电源质量和连续供电，在市电电源发生故障或中断时，为电子信息设备提供一定时间的电源供应。当市电正常时，电流通过整流器和逆变器向电子信息设备供电，同时通过整流器给蓄电池充电。电流路径有两路：

第一路：市电——整流器——逆变器——电子信息设备；

第二路：市电——整流器——蓄电池。

当市电故障或整流器故障时，通过控制电路自动切换至蓄电池为电子信息设备供电，电流路径：蓄电池——逆变器——电子信息设备；如果仅仅是整流器故障，可通过UPS旁路给电子信息设备供电。

交流UPS的输入电源和输出电源可以是单相，也可以是三相，具体分为三种类型：

第一种：单相输入单相输出，即UPS的输入与输出都是单相交流220V；

第二种：三相输入单相输出，即UPS的输入是三相380V，输出是单相交流220V；

第三种：三相输入三相输出，即UPS的输入与输出都是三相交流380V。

由于电子信息技术的蓬勃发展，单个项目数据中心已从十几年前的几百平方米，发展到目前的几十万平方米，用电负荷也从几百千瓦增加到几十万千瓦，三相输入三相输出型UPS电源更适合大型数据中心的应用。

3.2 直流UPS电源

直流UPS电源由整流器和蓄电池两个基本单元组成。当市电正常时，电流通过整流器向电子信息设备供电，同时整流器给蓄电池充电。电流路径有两路：

第一路：市电——整流器——电子信息设备；

第二路：市电——整流器——蓄电池。

当市电故障或整流器故障时，通过控制电路自动切换至蓄电池为电子信息设备供电，电流路径：蓄电池——负载；如果仅仅是整流器故障，则蓄电池放电结束后，无论市电是否正常，将停止向电子信息设备供电。

为了防止这种故障导致电子信息设备宕机，A级数据中心可以采用国家标准《数据中心设计规范》GB50174-2017第3.2.1条推荐的“容错”供电系统，也可以采用第3.2.2条推荐的“不间断电源系统和市电电源系统相结合的供电方式”。

国家标准《信息通信用 240V/336V 直流供电系统技术要求和试验方法》GB/T 38833—2020第3.1条定义了通信用高压直流电源（HVDC）：标称电压为 240V 或 336V，可用于信息通信设备的直流供电系统。这里说的高压是相对于传统的-48V直流通信电源而言。

240V高压直流系统可与现有电子信息设备兼容，即直接代替220V交流电源为电子信息设备供电，使用方便，无需改造现有的电子信息设备。而336V高压直流系统不能与现有电子信息设备兼容，需对现有电子信息设备的电源模块进行改造，但336V高压直流系统整体应用效率比240V系统可提高8～10%。

3.3 不间断电源系统的物理结构

不间断电源系统可分为塔式、模块式和机架式三种结构形式。

3.3.1 塔式不间断电源系统

塔式不间断电源系统是数据中心应用最广泛的一种不间断电源，其特点是单机容量大（可超过1000KVA），直接并机的单元数量少，可靠性高，能够满足大型数据中心的应用需求。

3.3.2 模块式（模块化）不间断电源系统

通常把具有独立不间断电源的功能，可按模块整体安装、拆卸、移动、更换的不间断电源称为模块化不间断电源系统。模块化不间断电源系统具有以下特征：

1）可靠性：多个模块可在专门设计的机柜中并联运行，不会因某个模块的问题影响整体运行；

2）可管理性：模块是系统中一个具有独立功能并可独立运行的单元，单体重量相对较轻，结构上可整体安装、拆卸、更换、移动；

3）灵活性：在负载增长或减少时，可以自动构成冗余系统，实现灵活便利的扩容或降容。

4）可维护性：具有带电热插拔功能，保证供电连续性。当某个模块需要维修更换时，可从带电的系统中脱离出来，实现在线维护，维修完毕后插入模块即刻投入运行。

3.3.3 机架式不间断电源系统

机架式不间断电源系统包括整流器、逆变器、旁路、控制与显示单元、操作面板、电池等单元，其应用特点是可以安装在标准机柜中，即可以单独成柜，也可与电子信息设备安装在同一机柜中，既节约了物理空间，又节省了配电和电缆等设备和材料，对于微型数据中心是最佳的选择。

四、“分立式”和“一体化”供配电系统

数据中心供配电系统由10kV配电装置、变压器、0.4kV配电装置、不间断电源系统及不间断电源输出配电装置等五大部分组成。“分立式”即将供配电系统中的各种设备分别采购、分别安装，分别调试，用电缆或母线连接后进行联调联试。“一体化”即将供配电系统中的所有设备和材料重新优化后集成在一起，在工厂生产和调试后形成一台整体设备。

4.1 “分立式”供配电系统

 “分立式”供配电系统属于传统应用方式，也是目前数据中心采用最多的方式，其优点是设备采购选择范围大、发生故障容易判断、运行维护相对方便。但也存在一些问题：

1）由于设备是分立安装，设备之间需要安装、安全和操作距离，故设备占用建筑面积较大。

2）由于设备之间需要连接大量电缆或母线，导致施工量和施工难度增加，同时也增加了电缆等材料费用，经济性较差。

3）由于设备众多，导致招标采购时间长，影响建设工期。

4）由于设备分散安装，设备品牌较多，导致监控设备、监控难度和运行成本增加。

4.2 “一体化”供配电系统

4.2.1应用方式

 “一体化”供配电系统有多种组合方式，在设备输入电源方面，可以选择输入10kV电源，形成“中低压设备一体化”，也可以选择输入0.4kV电源，形成“低压设备一体化”；在设备输出电源方面，可以选择输出交流电源，形成“交流设备一体化”，也可以选择输出直流电源，形成“交直流设备一体化”。各种组合方式的区别在于是否包含10kV配电装置和变压器，是采用交流UPS，还是采用直流UPS。

1）“中低压设备一体化”是将数据中心供配电系统的五大组成部分（除列头柜或配电小母线外）整合在一起，形成 “大而全一体化”供配电设备。

2） “低压设备一体化”不包含10kV配电装置和变压器，主要是以0.4kV配电装置、不间断电源系统及不间断电源输出配电装置等组成“一体化”配电设备。其特点是将10kV中压与0.4kV低压设备分开布置，保证安全，方便维护。

3） “交流设备一体化”是以交流UPS为核心设备，采用柜内母排将UPS前后的配电装置与UPS进行整合，组成“一体化”配电设备。

4） “交直流设备一体化”是以直流UPS或高压直流HVDC为核心设备，组成“一体化”配电设备。

各种组合不是固定不变的，可以根据实际需要重新组合。例如“中低压设备一体化”与“交直流设备一体化”进行组合，以10kV中压电源输入，240V直流输出，形成“中低压交直流设备一体化”。

4.2.2 优势

1）减少设备占用建筑面积。数据中心由主机房、支持区、辅助区和行政管理区组成，主机房是电子信息设备的工作区域，支持区是供配电和空调等设备的工作区域，主机房和支持区占据了数据中心大部分面积。辅助区和行政管理区的面积基本是确定的，支持区占用面积的多少决定了主机房的面积，也就决定了机柜数量，支持区占用面积越小，主机房面积越大，可布置的机柜数量越多。“一体化”与“分立式”供配电系统相比，“一体化”供配电设备可节省30～40%的建筑面积。

2）“一体化”供配电系统中包含中低压配电装置、变压器和不间断电源等设备，设备之间的电气连接均在工厂完成，连接质量高于现场施工质量。“一体化”与“分立式”供配电系统相比，可减少部分电缆、母线及桥架的采购和安装，并可缩短设备及材料的采购和施工周期，实现快速安装使用。

3）“一体化”供配电系统便于集中监控与管理,可将配电链路进行统一整合，统一集中监控。

4.2.3 存在问题

1）由于“一体化”供配电系统内部各组成部分之间距离很近，导致短路电流增大，上下级断路器的选择性保护难以合理实现,需要选择分断能力更强的断路器。

2）由于供配电系统内部各类设备众多，“一体化”后导致设备体积庞大，对设备运输、安装和运行维护造成困难。

五、结语

数据中心工业化是未来数据中心建造方式的发展方向，以“设计标准化、制造模块化、建造装配化、运维智慧化、全生命周期数字化”为特征，实现数据中心可持续发展。“不间断”供配电系统是数据中心的安全保障，“一体化”供配电系统是实现数据中心工业化的方式之一。