重塑心臟 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)深度融合探索

如今，人類社會已經(jīng)全面步入數(shù)字時代，數(shù)據(jù)產(chǎn)生的速度和規(guī)模都在飛速增長。根據(jù)IDC測算，截止2022年全球累計產(chǎn)生數(shù)據(jù)估計為97ZB，而到了2025年，全球?qū)⒗塾嫯a(chǎn)生180ZB的數(shù)據(jù)——也就是說，未來三年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將超過過去30年的總和。
　　
　　與過去不同，隨著人類對數(shù)據(jù)資產(chǎn)的重視，每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中很大一部分將被存儲、處理，海量的數(shù)據(jù)處理需求推動承載數(shù)據(jù)與算力的基礎(chǔ)設(shè)施——數(shù)據(jù)中心向大型化、高密化發(fā)展。
　　
一、新型數(shù)據(jù)中心的“四高”發(fā)展趨勢
　　
　　數(shù)據(jù)中心是算力的物理載體，數(shù)據(jù)的最終歸屬地，是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的基石。隨著數(shù)字產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)中心的需求也水漲船高。
　　
　　2021年，工信部發(fā)布了《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃(2021-2023年)》，提出足以支撐經(jīng)濟(jì)社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新型數(shù)據(jù)中心，將具備高技術(shù)、高算力、高能效、高安全等四個特征。
　　
　　與“四高”相對應(yīng)的，則是數(shù)據(jù)中心單體規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大和單機(jī)柜功率密度不斷增加。在過去一年新增的數(shù)據(jù)中心建設(shè)項目中，超過3000機(jī)柜的大型數(shù)據(jù)中心比比皆是，且單機(jī)柜功率多數(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的2.5KW-4KW，提升到8KW-16KW以上，部分采用液冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜則可以達(dá)到40KW甚至上百千瓦的超高標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　隨著單體數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴(kuò)大，數(shù)據(jù)中心機(jī)柜算力密度的提升，大型數(shù)據(jù)中心對電力的需求也將隨之節(jié)節(jié)攀升。如何保障高算力時代數(shù)據(jù)中心可以獲取穩(wěn)定、安全的電力供應(yīng)，是作為數(shù)據(jù)中心供能“心臟”的供配電系統(tǒng)正在面臨的前所未有的挑戰(zhàn)。
　　
二、亟需進(jìn)化的“心臟”
　　
　　成本與效率，是數(shù)字時代的生命線，對于大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)來說也是如此。而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)在全新的時代需求下，已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)出結(jié)構(gòu)過于龐雜，安裝以及運(yùn)維難度大，交付周期長，能源損耗占比高，占地空間大等系列瓶頸。
　　
　　電力從市電進(jìn)入數(shù)據(jù)中心后，需要經(jīng)過中壓變壓器、低壓配電柜、輸入輸出配電柜、UPS等，最后進(jìn)入電子信息設(shè)備中轉(zhuǎn)化為算力。在傳統(tǒng)的供配電模式下，以上各個環(huán)節(jié)都由獨(dú)立的設(shè)備完成，相互之間缺乏足夠的契合，特別是當(dāng)采用了不同品牌的產(chǎn)品時，設(shè)計選型和安裝難度會大幅提升，設(shè)備間轉(zhuǎn)換的損耗也難以控制。
　　
　　獨(dú)立設(shè)備還帶來了供配電整體占地空間的龐大，并且隨著單機(jī)柜用電密度的提升不斷增加。在單機(jī)柜功率在2.5KW-5KW的情況下，供配電系統(tǒng)占地面積一般為IT設(shè)備占地面積的1/4左右；而當(dāng)單機(jī)柜功率提升到8KW左右時，供配電系統(tǒng)占地面積將達(dá)到IT設(shè)備占地面積的1/2左右；當(dāng)單機(jī)柜密度提升到16KW，供配電系統(tǒng)占地面積將與IT設(shè)備占地面積一樣大。這對于可以用“寸土寸金”來形容的數(shù)據(jù)中心來說，顯然是極大的損失。
　　
　　簡化建設(shè)流程，提升得柜率，成為大規(guī)模數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)建設(shè)必須解決的問題，數(shù)據(jù)中心“心臟”的進(jìn)化勢在必行。
　　
三、超越極致，深度融合
　　
　　在不斷的創(chuàng)新嘗試中，供配電系統(tǒng)“深度融合”理念逐漸成型，并已成為當(dāng)前數(shù)據(jù)中心供配電行業(yè)的共識。
　　
　　所謂深度融合，是通過一體化、模塊化的設(shè)計方式，將原本獨(dú)立的供配電設(shè)備整合成為一個整體。根據(jù)不同類型的方案，深度融合組件可以包含配電柜、UPS、饋線柜、監(jiān)控設(shè)備等眾多設(shè)備。
　　
　　通過深度融合方案整合的供配電系統(tǒng)組件之間契合度高，電力轉(zhuǎn)化損耗??；用銅排替代線纜，減少連接點(diǎn)，提升能效的同時也提升了系統(tǒng)整體的可靠性；模塊化結(jié)構(gòu)，大幅降低了運(yùn)維難度；預(yù)制化的生產(chǎn)方式簡化現(xiàn)場裝配流程，提升交付速度。
　　
　　可以說，深度融合的供配電解決方案解決了目前數(shù)據(jù)中心供配電面臨的大部分問題。這其中，深度融合帶來最顯著的優(yōu)勢就是體積上的大幅縮小，業(yè)內(nèi)較為優(yōu)秀的深度融合解決方案，占地面積較傳統(tǒng)分散式方案可以減少近半——這意味著機(jī)房得柜率的大幅提升，數(shù)據(jù)中心用地成本也將得到很大的優(yōu)化。
　　
　　當(dāng)然，要實現(xiàn)深度融合，并不是簡單的將供配電設(shè)備裝配在一起。這需要創(chuàng)新的設(shè)計，復(fù)雜的測試和精密的裝配，數(shù)據(jù)中心行業(yè)在供配電系統(tǒng)的深度融合上也進(jìn)行了多方向的探索，目前較為主流的技術(shù)手段如下：
　　
　　提升UPS設(shè)備的功率密度，即高密UPS方案，也是目前被廣泛采用的方案。以模塊化UPS為例，在體積不變的情況下，3U高的單模塊功率，在近年來已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)倍的增加，從10年前的25KW，上升到40KW、50KW、100KW，甚至有廠商宣傳做到了125kW功率密度。不過，當(dāng)前功率密度的提升已經(jīng)達(dá)到瓶頸，進(jìn)一步提升非常困難。
　　
　　取消UPS輸入、輸出配電柜和開關(guān)，這是一種較為激進(jìn)的方案。輸入、輸出柜的主要功能是對單臺UPS進(jìn)行配電和維護(hù)，取消輸入、輸出配電柜和開關(guān)后，一旦需要維護(hù)就需要整列下電維護(hù)。因此完全取消UPS輸入、輸出配電柜的方案可以在市電十分穩(wěn)定有保障的情況下，供配電設(shè)備可靠性極高，且采用2N架構(gòu)的系統(tǒng)中嘗試。
　　
　　“隔離開關(guān)+熔斷器”替代框架斷路器（ACB）的方案。配電柜中最主要的部分就是部件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的ACB，通過對這一設(shè)備的功能拆解和架構(gòu)融合創(chuàng)新，借鑒在工廠、數(shù)據(jù)中心電池配電間、光伏電站的成熟應(yīng)用經(jīng)驗，用“隔離開關(guān)+熔斷器”替代ACB功能。因為隔離開關(guān)與熔斷器結(jié)構(gòu)簡單，體積可控，在成本與占地方面的優(yōu)勢突出。并且在數(shù)據(jù)中心供電場景實際應(yīng)用中，“隔離開關(guān)+熔斷器”這一替代方案在安全性、壽命、可維護(hù)性方面完全可以替代傳統(tǒng)的ACB。
　　
　　一體化集中監(jiān)控替代傳統(tǒng)電力儀表方案，采用電子監(jiān)控卡采集低壓柜的電壓、電流、溫度等信息，傳遞到集中控制器做統(tǒng)一監(jiān)控，可以減少分散的傳統(tǒng)儀表占據(jù)低壓柜空間。