數(shù)據(jù)中心是我國(guó)實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+”的重要基礎(chǔ)設(shè)施載體。相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，截至2014年年底全國(guó)共規(guī)劃建設(shè)數(shù)據(jù)中心310個(gè)，已投入使用230個(gè)，其中約有三分之一為大型數(shù)據(jù)中心。另?yè)?jù)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》顯示，2011~2016年我國(guó)數(shù)據(jù)中心總投資將超過(guò)1萬(wàn)億元。其中高低壓供配電、不間斷電源、制冷系統(tǒng)等配套設(shè)施造價(jià)在基礎(chǔ)設(shè)施造價(jià)中所占比例約75%~80%。
大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)熱潮來(lái)襲。然而，在大型數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)中，巨大的配電成本支出正在對(duì)運(yùn)營(yíng)商形成挑戰(zhàn)，同時(shí)配電單元往往占用大量面積，不利于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能環(huán)保。因此，如何能夠在保證數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的革新，顯著降低配電成本成為業(yè)界關(guān)注的問(wèn)題。正是在這一趨勢(shì)下，中壓型UPS開(kāi)始興起。中壓型UPS能夠提高接近負(fù)荷中心的電壓等級(jí)，減少低壓配電環(huán)節(jié)，降低能耗。可以預(yù)見(jiàn)，隨著電信行業(yè)去電信化、減配增效的深入推進(jìn)，中壓UPS系統(tǒng)將迎來(lái)廣闊的市場(chǎng)前景。
大型數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)亟待革新
我國(guó)早期通信系統(tǒng)負(fù)有政治安全責(zé)任，通信網(wǎng)絡(luò)一旦中斷將追究相關(guān)方政治責(zé)任，所以我國(guó)通信系統(tǒng)中冗余配置較高，這從早期UPS和開(kāi)關(guān)電源蓄電池組后備時(shí)間的不一致可見(jiàn)一斑。所以，在建設(shè)數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)時(shí)，為了保證系統(tǒng)安全可靠性，充分考慮設(shè)備配置和冗余。
目前大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)或大型數(shù)據(jù)中心的供配電結(jié)構(gòu)一般是引市電高壓（110kV）或中壓（35kV、10kV）到高壓配電室然后再分配給干式變壓器（轉(zhuǎn)成380V）并配置成套低壓配電系統(tǒng)，成套低壓配電系統(tǒng)中的饋電柜再通過(guò)密集母線或電纜分配電能到每個(gè)樓層的低壓配電柜，再分配到大型的UPS（如500kVA、600kVA），目前每套低壓配電系統(tǒng)一般最大配置到2000kVA，每套低壓系統(tǒng)最多帶兩套大容量的1+1型UPS系統(tǒng)或2N型UPS系統(tǒng)，這種從高壓配電系統(tǒng)-低壓配電系統(tǒng)-UPS的結(jié)構(gòu)在早期中小型數(shù)據(jù)中心應(yīng)用廣泛，但隨著數(shù)據(jù)中心單UPS系統(tǒng)配電容量的加大，這種配電結(jié)構(gòu)存在諸多缺陷。
第一，投資浪費(fèi)嚴(yán)重。單套低壓配電系統(tǒng)存在浪費(fèi)投資、浪費(fèi)機(jī)房空間、浪費(fèi)密集母線等浪費(fèi)現(xiàn)象。雖然也可以將變壓器配置在每個(gè)樓層，但是供配電結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化，隨著大型UPS的使用，每套2000kVA的低壓配電系統(tǒng)下掛2套600kVA（1+1）考慮充電電流及負(fù)載冗余后即滿(mǎn)。
第二，增加供配電等級(jí)，增加了安全隱患。在相同的電源器件環(huán)境中，對(duì)于配電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)上下游開(kāi)關(guān)越少越安全，配電等級(jí)越少可靠性越高，接近負(fù)荷中心的電壓等級(jí)越高越節(jié)能。大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)35kV開(kāi)關(guān)站-10kV高壓配電柜-10kV配電柜-變壓器-低壓配電柜-密集母線-樓層配電柜-UPS系統(tǒng)，8層級(jí)的配電結(jié)構(gòu)，每多1個(gè)層級(jí)則意味著增加一個(gè)故障隱患點(diǎn)。
第三，影響機(jī)房可使用面積，增加建筑成本。對(duì)于大型數(shù)據(jù)中心，如果每層樓均配置變壓器低壓配電室、UPS系統(tǒng)電源室，相應(yīng)電源區(qū)域要預(yù)留40%以上的空間，對(duì)于通信機(jī)房來(lái)說(shuō)，一般預(yù)留25%~30%空間，且低壓配電結(jié)構(gòu)冗余度越大占機(jī)房面積越大。
中壓型一體化UPS正在興起
回顧通信領(lǐng)域的高低壓配電發(fā)展趨勢(shì)，交流系統(tǒng)從早期的380V到10kV，不間斷電源從220V到240V、336V高壓直流，設(shè)備功耗密集程度越大配電系統(tǒng)的電壓等級(jí)也隨之上升，采用高壓等級(jí)的設(shè)備可以更多地減少線損、線纜母線投資、節(jié)省設(shè)備占地面積、減少轉(zhuǎn)換次數(shù)也意味著節(jié)能，同樣，改變傳統(tǒng)的380V進(jìn)380V出220V配電的結(jié)構(gòu)，提高UPS進(jìn)入電壓等級(jí)至10kV以上也具備以上優(yōu)點(diǎn)。使用如10kV的UPS的前提是將傳統(tǒng)低壓配點(diǎn)系統(tǒng)的計(jì)量功能、功率補(bǔ)償功能、低壓發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)移到10kV系統(tǒng)。
低壓配電中的計(jì)量可采用高壓端計(jì)量。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心往往是通過(guò)在低壓段低壓配電系統(tǒng)中配置計(jì)量柜的方式，但是隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模越來(lái)越大，大型數(shù)據(jù)中心已有10套以上的低壓配電系統(tǒng)，且分為生活用電、辦公用電等，統(tǒng)計(jì)量工作放在高壓將成為一種趨勢(shì)。采用高壓端計(jì)量的同時(shí)仍可以通過(guò)中壓型一體化UPS的變壓器的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)上報(bào)。
低壓配電中的補(bǔ)償功能可改為高壓補(bǔ)償和負(fù)荷中心就近補(bǔ)償。對(duì)于數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，感性負(fù)載和容性負(fù)載同時(shí)存在，感性負(fù)載主要為空調(diào)主機(jī)、風(fēng)機(jī)等電機(jī)類(lèi)設(shè)備；整流設(shè)備、IT設(shè)備為容性負(fù)載；也就說(shuō)數(shù)據(jù)中心感性負(fù)載和容性負(fù)載是同時(shí)存在的，是相互補(bǔ)充的。統(tǒng)計(jì)顯示，目前大部分通信局樓的低壓電容器柜多設(shè)置為人工投入，因?yàn)橛捎诟行载?fù)載和容性負(fù)載的同時(shí)存在，功率因數(shù)cosΦ通常都在0.92以上。采取在低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償屬于后補(bǔ)償，沒(méi)有起到有效作用，且在諧波環(huán)境下容易引發(fā)電容器共振并存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。因此未來(lái)的數(shù)據(jù)中心應(yīng)針對(duì)具體機(jī)房環(huán)境測(cè)試其諧波和無(wú)功負(fù)荷情況進(jìn)行就近補(bǔ)償。
大型數(shù)據(jù)中心采用高壓油機(jī)是必然趨勢(shì)。目前大型、超大型數(shù)據(jù)中心已推廣采用高壓油機(jī)，帶來(lái)很多優(yōu)勢(shì)：電纜、上下游開(kāi)關(guān)配置方面，簡(jiǎn)化了配電結(jié)構(gòu)，高壓油機(jī)使用高壓電纜傳輸電力，高壓輸電電流相當(dāng)于低壓輸電電流的二十六分之一，上下游開(kāi)關(guān)及電纜投資節(jié)省、敷設(shè)及施工方便、線損很小、安全性也較高；便于進(jìn)行多機(jī)并機(jī)，形成大容量后備電源，消除了常壓油機(jī)系統(tǒng)面臨的輸出容量瓶頸；若采用高壓空調(diào)必須采用高壓油機(jī)，離心機(jī)組啟動(dòng)電流較大，如國(guó)內(nèi)某運(yùn)營(yíng)商集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“除變頻供電的電動(dòng)機(jī)外，單臺(tái)額定功率大于350kW 的電動(dòng)機(jī)，宜采用10kV 電源供電”。采用高壓冷水機(jī)組供電后，可以相應(yīng)減少變壓器及低配和密集母線、電纜的投資，綜合對(duì)比高壓冷水機(jī)組的價(jià)格因素，初步統(tǒng)計(jì)可以節(jié)省0.075萬(wàn)元/kW（制冷量）；高壓油機(jī)集中布置，可以根據(jù)園區(qū)功耗發(fā)展情況分期、逐臺(tái)投資，而低壓油機(jī)則只能是與低配模塊化相匹配而無(wú)論油機(jī)的實(shí)際負(fù)載率，造成油機(jī)投資浪費(fèi)；推廣使用高壓油機(jī)之后低壓配電系統(tǒng)中的ATS柜可以減配。
以上分析證明，低壓配電系統(tǒng)中的主要功能，計(jì)量、電容、ATS柜等都可以代替，實(shí)施高壓到負(fù)荷中心的二級(jí)轉(zhuǎn)換比再經(jīng)過(guò)低壓側(cè)顯然可以節(jié)省更多成本，減少中間配電環(huán)節(jié)后也使得可靠性提高很多。
國(guó)外中壓UPS系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀
從歐洲地區(qū)的中壓UPS系統(tǒng)發(fā)展來(lái)看，中壓UPS系統(tǒng)多應(yīng)用在工業(yè)級(jí)不間斷電源應(yīng)用場(chǎng)景中，擁有兆瓦級(jí)額定功率和高達(dá)99.5%的中壓UPS，儲(chǔ)能和逆變器依然處于低壓水平，它還能大幅簡(jiǎn)化維護(hù)作業(yè)和降低系統(tǒng)成本。中壓UPS可進(jìn)行改造，進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，可兼容各種各樣的儲(chǔ)能裝置，具體取決于所需的保護(hù)時(shí)間。超級(jí)電容器和飛輪可在幾秒鐘內(nèi)提供高密度保護(hù)，而電池可以達(dá)到長(zhǎng)達(dá)15分鐘的備用時(shí)間。
北美地區(qū)早期工業(yè)用中壓型UPS系統(tǒng)多為集裝箱式結(jié)構(gòu)或露天箱體結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)中心使用的中壓型UPS系統(tǒng)多為戶(hù)內(nèi)型、模塊化結(jié)構(gòu)，容量為2.0MW~20MW。包括輸入輸出開(kāi)關(guān)柜、變壓器箱、主控單元、PES柜（中壓）、雙向變流器、儲(chǔ)能箱等。戶(hù)外型儲(chǔ)能箱后備時(shí)間為1~3分鐘，戶(hù)內(nèi)型后備時(shí)間根據(jù)客戶(hù)需求配置，可以達(dá)到30分鐘以上。
可以看到，國(guó)外已有類(lèi)似產(chǎn)品，但是國(guó)外的中壓UPS較多定位于將UPS系統(tǒng)功能集中于中壓段解決，目前已在美國(guó)的部分大型數(shù)據(jù)中心開(kāi)始應(yīng)用。
尤為值得一提的是，相比傳統(tǒng)低壓UPS，中低壓一體化UPS在同樣的場(chǎng)景下將減少80%的投資成本，而之所以能夠帶來(lái)這一“不可思議”的改變，則主要得益于大幅減少了傳統(tǒng)低壓配電柜的占地面積，節(jié)省了大量的低壓配電母線、電纜，同時(shí)發(fā)電機(jī)組采用高壓油機(jī)也便于分期投資�？梢灶A(yù)見(jiàn)，中壓UPS系統(tǒng)的建設(shè)將為運(yùn)營(yíng)商節(jié)省大量的供配電成本，進(jìn)一步提升運(yùn)營(yíng)商的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
