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隨著AI時代的到來，特別是生成式AI的浪潮， 數據中心為了提供AI產業(yè)應用平臺正面臨著高密 度電力基礎設施的嚴峻挑戰(zhàn)，壓縮變配電室占地空 間的需求迫切。 相比使用鋰電池替換鉛酸電池，使用預制化電力模塊節(jié)省占地空間是現階段相對經濟的解決路徑。 還有少部分數據中心在實踐，筆者調研后發(fā)現其主要原因在于對預制化電力模塊的內部架構還存在一定疑問，部分問題尚未形成統一定論。 本文擬對預制化電力模塊內部架構爭議較多的問題進行分析和研究，旨在從空間、安全、運維等多個維度探索適配不同場景的預制化電力模塊的架構，并為未來預制化電力模塊的標準化、體系化提供一定的參考。預制化電力模塊是指由工廠預制，可模塊化組合并經過試驗的成套組合電氣設備。數據中心使用的預制化電力模塊主要集成了10kV 隔離柜、變壓器、低壓配電柜、無功補償柜、有 源濾波柜、UPS輸入柜、UPS、UPS輸出饋線柜等傳統供配電系統中的各類設備。 本質上來講其并不是一種新技術，而是對于現有設備的整合和集成。采用傳統供配電系統方案時，總包與各設備供應商（UPS、變壓器、低壓配電柜等）接口多，交叉工序復雜，界面分割難等現象常見，且容易在施工過程中埋下隱患。 而采用預制化電力模塊方案時，由于產品整體式交付，預制化電力模塊供應商作為單一責任方，接口少，職責明確，現場簽證變更的情況會減少很多。采用傳統供配電系統方案時，受現場施工制約條件影響相對較大，例如施工人員水平對系統安全性的影響、北方嚴寒暫停期對施工進度的影響等。而采用預制化電力模塊方案通過工廠預制并經過測試認證后再出廠使得質量可控，在嚴寒暫停期可以在南方工廠進行生產，各施工流程可以并行推 進，減少現場施工的時間，加快交付速度。1.2.3 優(yōu)化架構，節(jié)省占地 幾乎所有預制化電力模塊的供應商都會將節(jié)省占地作為賣點，但是值得思考的是，如果在相同的容量、型號、品牌、架構等條件下和傳統供配電系統方案進行對比，兩者的占地并沒有什么不同，優(yōu)化架構才是實現節(jié)省占地的關鍵。目前主流的架構優(yōu)化措施主要有：（1）主斷路器和聯絡斷路器采用３Ｐ；（2）主斷路器和聯絡斷路器共用一臺配電柜；（3）主路輸入和靜態(tài)旁路輸入共用斷路器；（4）取消總輸出斷路器；（5）取消內部旁路和開關電器；（6）取消外置輸入和輸出斷路器。 通過不同的架構優(yōu)化措施或將其組合，可以顯著減少變配電室的占地，將更多的空間留給主機房。 但是，對于每種架構優(yōu)化措施對系統帶來的影響也不能忽略，需要從安全和運維的角度進行評估，找到其適用的場景，解決使用者的顧慮。目前業(yè)內較為普遍的2N（N＝4）架構IT傳統供配電系統如圖1所示，共配置1臺變壓器，7臺低壓配電柜，4臺UPS以及4臺UPS并機配電柜（不計入UPS饋線柜）。低壓配電柜的寬度主要由斷路器寬度決定。 以2500kVA變壓器配置5000A主框架斷路器為例， 斷路器尺寸見表1，采用4極框架斷路器時單臺低壓柜寬度至少為1200ｍｍ，采用3極框架斷路器時單臺低壓柜寬度至少為1000ｍｍ。由此可見，主斷路器和聯絡斷路器極數均選擇3極相比4極可以節(jié)約20％造價且略微節(jié)省占地。 但是，需要注意《民用建筑電氣設計標準》GB51348—2019 第12.4.11條第6款的條文說明（見表2），與其他變電所有低壓聯結時，只有采用在A/B變配電室的變壓器中性點分別直接接地且主斷路器、聯絡斷路器均選用4極斷路器一個選擇。筆者認為A級數據中心、特級金融建筑數據中心等需要滿足A/B變配電室物理隔離的場景，如果采用在A/B變配電室的低壓配電柜處通過與保護接地線（PE）連接后僅一點接地的方式，當此接地系統故障時，可能會導致整個供配電系統中性點缺失和偏移，增加系統風險，此時采用在A/B變配電室的變壓器中性點分別直接接地且主斷路器、聯絡路器均選擇4極更為合規(guī)及合理。 B級/C級數據中心等A/B路設備可以放在一個變配電室的場景,則可以采用在低壓配電柜處通過與保護接地線（PE）連接后一點接地的方式，主斷路器、聯絡斷路器則可以均選用3極，既可以節(jié)省占地，又可以降低造價。單臺低壓配電柜柜體高度一般為2200ｍｍ，安裝模數一般為72E（1E＝25ｍｍ）即1800ｍｍ，根據表1單臺5000Ａ 斷路器高度425ｍｍ，單臺低壓配電柜安裝兩臺斷路器高度上是可行的。預制化電力模塊為了節(jié)省占地，所有設備貼臨布置，主斷路器安裝在柜體上半部分，變壓器至斷路器采用銅排側進線，聯絡斷路器安裝在柜體下半部分，主斷路器下端和聯絡斷路器上端聯結后翻排接水平主母排，聯絡斷路器下端翻排出柜頂接密集型母線，雖然單臺低壓配電柜內需要安裝的設備和銅排較多，但只需要加寬或加深柜體，可以滿足現行國家規(guī)范和產品標準。以5000A/4P規(guī)格的主斷路器和聯絡斷路器為例，采用傳統兩臺低壓配電柜安裝的方案，整體尺寸為2400mm寬×1000深×22000高，優(yōu)化架構后尺寸可縮小為1400ｍｍ寬×1000深×2200高，可以節(jié)省1臺低壓配電柜的寬度。雖然節(jié)省占地較可觀，但本架構優(yōu)化也會對運維帶來一定的影響。 首先，上方的進線斷路器安裝高度較高，操作不便，其次，進線斷路器配套的電流互感器后期更換不便，最后兩臺斷路器位于同一低壓配電柜內，若配電柜發(fā)生故障，則會同時影響兩臺斷路器造成低壓聯絡系統整體失效。 所以，對運維便利性和安全性要求較高的數據中心，建議仍然采用主斷路器和聯絡斷路器分柜的方案。3.3 主路輸入和靜態(tài)旁路輸入共用斷路器 取消靜態(tài)旁路外置輸入斷路器是節(jié)省占地較為明顯的架構優(yōu)化措施，圖1優(yōu)化后的架構如圖2所示，主路輸入和靜態(tài)旁路輸入共用斷路器，低壓配電柜由7臺減少至5臺，節(jié)省2臺低壓配電柜的寬度。取消靜態(tài)旁路外置輸入面臨的問題是《通信電源設備安裝工程設計規(guī)范》（GB51194—2016）第6.1.2條“交流不間斷電源（UPS）供電系統的主路輸入（整流器輸入）和靜態(tài)旁路的輸入，應分別引自不同的輸入開關”。 雖然規(guī)范并沒有對為何如此規(guī) 定做出說明，但有部分觀點認為，當并機系統中所 有單機UPS主路運行，其中一臺主路故障時，系統內所有單機均自動轉至靜態(tài)旁路，若主路和靜態(tài)旁路共用斷路器，靜態(tài)旁路無法集中切換，風險較大。 但是，實際現場運維，特別是對于2Ｎ架構的并機系統，并不是這種操作流程。仍然以N＝4的并機系統為例，正常情況下單機負載率為25％，此時若其中一臺主路故障，則該臺機組直接退出，剩余機組主路工作不切靜態(tài)旁路；單機負載率上升至33％，若此時第二臺主路故障，則該臺機組繼續(xù)退出，剩余機組仍然保持主路工作不切靜態(tài)旁路；單機負載率上升至50％，當第三臺主路故障時，才會統一切換剩余兩臺至靜態(tài)旁路模式，此時已經是三點故障， 不在規(guī)范考量的單點故障安全風險的范疇內，當然，即便這種情況下靜態(tài)旁路由于和主路共用斷路器而失效，也可以切換至集中旁路供電，保障2N工況。 所以，對于2Ｎ架構多臺UPS并機系統，主路輸入和靜態(tài)旁路輸入共用斷路器雖然會增加一定運維難度，但對系統整體安全性影響較小，是一種可行的架構優(yōu)化方案，對于單機運行的UPS并機系統，主路輸入和靜態(tài)旁路則必須分開設置斷路器， 避免相互影響造成系統無法工作?！稊祿行墓┡潆娫O計規(guī)程》T/CECS486—2017中，該條文已從“應”修改為“宜”，可能也是出自以上的原因。不設置總輸出斷路器是目前第三方和運營商數據中心的主流做法。 預制化電力模塊低壓配電柜與UPS貼臨布置，集中旁路2斷路器和集中旁路1斷路器無需重復設置，同時取消總輸出斷路器，優(yōu)化后的架構如圖3所示，UPS并機配電柜由4臺減少至2臺，節(jié)省2臺低壓配電柜的寬度。取消總輸出斷路器同樣會給運維增加一定難度。 第一，市電集中旁路需要與UPS并機輸出隔離，保障運維人員安全，采用1個4極總輸出斷路器即可，各UPS輸出斷路器均可采用3極，若取消總輸出斷路器，則各UPS輸出斷路器均需要采用4極。 第二，當整套系統由集中旁路恢復成UPS并機輸出時，若存在總輸出斷路器，則各臺UPS可以先進行并機調試（此時總輸出斷路器處于斷開狀態(tài)）至最佳狀態(tài)，再合閘總輸出斷路器，若取消總輸出斷路器，則各臺UPS無法做到同步合閘，存在先斷電后通電的問題。所以，金融特別是銀行數據中心目前仍然是保留總輸出斷路器的居多。通常UPS供貨商僅提供設備本體，不清楚上級輸入和下級輸出的情況，即可能UPS和上下級設備并不在一個房間內，所以一般會內置內部維修旁路和開關電器。 預制化電力模塊的輸入輸出與UPS貼臨布置，可以就近進行操作，且多臺并機系統配置集中旁路，每臺UPS的內部維修旁路基本可以不使用，所以取消內部維修旁路和開關電器對系統的運維便利性和安全性影響不大，優(yōu)化后的架構如圖4所示。 根據調研，取消內部維修旁路和開關電器 對于高頻UPS塔機效果較為明顯，可以減少約25％左右。目前最為緊湊的極簡預制化電力模組架構取消了外置輸入和輸出斷路器，利用模塊化UPS內部各功率模塊和靜態(tài)旁路的輸入輸出熔斷器外加隔離開關作為保護和隔離器件，優(yōu)化后的架構如圖5所示。 整套系統由1臺變壓器、7臺低壓配電柜、4臺UPS以及4臺UPS并機配電柜節(jié)省為1臺變壓器、1臺低壓配電柜、4臺UPS及1臺UPS并機配電柜，柜數節(jié)省60％。極簡預制化電力模組架構對系統安全性和運維便利性造成了較大的挑戰(zhàn)。 從系統安全性來說， 極簡架構采用熔斷器和上、下級斷路器實現選擇性保護，相比國內普遍采用的全斷路器做法，無論從理論和實踐都鮮有系統性的分析和驗證。 所以對于極簡架構，建議制造廠商嚴格對標相關規(guī)范并針對系統和各組件的安全性和規(guī)格選型進行充分驗證，必要時采用電力系統仿真軟件進行輔助設計， 確保系統的本質安全。 從運維便利性來說，極簡架構采用的熔斷器保護動作后需要進行更換，相較于斷路器來說會增加運維的難度。 同時，平均修復時間（MTTR）的增加也會導致系統可用性的降低。 對于一些對成本和空間有極致追求、受現狀土建條件限制，但可以犧牲一定運維便利性和可用性的場景，極簡架構仍然有其存在的必要，但是對于特級金融數據中心等安全和運維要求較高的場景，建議謹慎使用極簡架構。預制化電力模塊在傳統供配電系統的基礎上進行架構優(yōu)化時，需要充分考慮其適配的場景，分析不同架構優(yōu)化措施對于占地空間、系統安全以及運維便利帶來的影響，尊重使用方的風險偏好及運維習慣，才能真正選擇到對項目最合適的架構。 深知社創(chuàng)立于2017年，是數字能源行業(yè)工程技術人員學習、交流、合作、創(chuàng)新的虛擬社區(qū)平臺。深知社秉承互聯網精神，踐行工程師文化，提倡全球視野、終身學習、樂于分享的博學深知理念，感興趣的同學可以掃描下方二維碼申請進群交流學習。
作者： 高曉明 上海建筑設計研究院 電氣主任工程師 DKV（DeepKnowledge Volunteer）計劃成員 公眾號聲明： 本文僅供讀者學習參考，不得用于任何商業(yè)用途，本文不代表深知社觀點。
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