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随着AI时代的到来，特别是生成式AI的浪潮， 数据中心为了提供AI产业应用平台正面临着高密 度电力基础设施的严峻挑战，压缩变配电室占地空 间的需求迫切。 相比使用锂电池替换铅酸电池，使用预制化电力模块节省占地空间是现阶段相对经济的解决路径。 还有少部分数据中心在实践，笔者调研后发现其主要原因在于对预制化电力模块的内部架构还存在一定疑问，部分问题尚未形成统一定论。 本文拟对预制化电力模块内部架构争议较多的问题进行分析和研究，旨在从空间、安全、运维等多个维度探索适配不同场景的预制化电力模块的架构，并为未来预制化电力模块的标准化、体系化提供一定的参考。预制化电力模块是指由工厂预制，可模块化组合并经过试验的成套组合电气设备。数据中心使用的预制化电力模块主要集成了10kV 隔离柜、变压器、低压配电柜、无功补偿柜、有 源滤波柜、UPS输入柜、UPS、UPS输出馈线柜等传统供配电系统中的各类设备。 本质上来讲其并不是一种新技术，而是对于现有设备的整合和集成。采用传统供配电系统方案时，总包与各设备供应商（UPS、变压器、低压配电柜等）接口多，交叉工序复杂，界面分割难等现象常见，且容易在施工过程中埋下隐患。 而采用预制化电力模块方案时，由于产品整体式交付，预制化电力模块供应商作为单一责任方，接口少，职责明确，现场签证变更的情况会减少很多。采用传统供配电系统方案时，受现场施工制约条件影响相对较大，例如施工人员水平对系统安全性的影响、北方严寒暂停期对施工进度的影响等。而采用预制化电力模块方案通过工厂预制并经过测试认证后再出厂使得质量可控，在严寒暂停期可以在南方工厂进行生产，各施工流程可以并行推 进，减少现场施工的时间，加快交付速度。几乎所有预制化电力模块的供应商都会将节省占地作为卖点，但是值得思考的是，如果在相同的容量、型号、品牌、架构等条件下和传统供配电系统方案进行对比，两者的占地并没有什么不同，优化架构才是实现节省占地的关键。目前主流的架构优化措施主要有：（1）主断路器和联络断路器采用３Ｐ；（2）主断路器和联络断路器共用一台配电柜；（3）主路输入和静态旁路输入共用断路器；（4）取消总输出断路器；（5）取消内部旁路和开关电器；（6）取消外置输入和输出断路器。 通过不同的架构优化措施或将其组合，可以显著减少变配电室的占地，将更多的空间留给主机房。 但是，对于每种架构优化措施对系统带来的影响也不能忽略，需要从安全和运维的角度进行评估，找到其适用的场景，解决使用者的顾虑。目前业内较为普遍的2N（N＝4）架构IT传统供配电系统如图1所示，共配置1台变压器，7台低压配电柜，4台UPS以及4台UPS并机配电柜（不计入UPS馈线柜）。低压配电柜的宽度主要由断路器宽度决定。 以2500kVA变压器配置5000A主框架断路器为例， 断路器尺寸见表1，采用4极框架断路器时单台低压柜宽度至少为1200ｍｍ，采用3极框架断路器时单台低压柜宽度至少为1000ｍｍ。由此可见，主断路器和联络断路器极数均选择3极相比4极可以节约20％造价且略微节省占地。 但是，需要注意《民用建筑电气设计标准》GB51348—2019 第12.4.11条第6款的条文说明（见表2），与其他变电所有低压联结时，只有采用在A/B变配电室的变压器中性点分别直接接地且主断路器、联络断路器均选用4极断路器一个选择。笔者认为A级数据中心、特级金融建筑数据中心等需要满足A/B变配电室物理隔离的场景，如果采用在A/B变配电室的低压配电柜处通过与保护接地线（PE）连接后仅一点接地的方式，当此接地系统故障时，可能会导致整个供配电系统中性点缺失和偏移，增加系统风险，此时采用在A/B变配电室的变压器中性点分别直接接地且主断路器、联络路器均选择4极更为合规及合理。 B级/C级数据中心等A/B路设备可以放在一个变配电室的场景,则可以采用在低压配电柜处通过与保护接地线（PE）连接后一点接地的方式，主断路器、联络断路器则可以均选用3极，既可以节省占地，又可以降低造价。单台低压配电柜柜体高度一般为2200ｍｍ，安装模数一般为72E（1E＝25ｍｍ）即1800ｍｍ，根据表1单台5000Ａ 断路器高度425ｍｍ，单台低压配电柜安装两台断路器高度上是可行的。预制化电力模块为了节省占地，所有设备贴临布置，主断路器安装在柜体上半部分，变压器至断路器采用铜排侧进线，联络断路器安装在柜体下半部分，主断路器下端和联络断路器上端联结后翻排接水平主母排，联络断路器下端翻排出柜顶接密集型母线，虽然单台低压配电柜内需要安装的设备和铜排较多，但只需要加宽或加深柜体，可以满足现行国家规范和产品标准。以5000A/4P规格的主断路器和联络断路器为例，采用传统两台低压配电柜安装的方案，整体尺寸为2400mm宽×1000深×22000高，优化架构后尺寸可缩小为1400ｍｍ宽×1000深×2200高，可以节省1台低压配电柜的宽度。虽然节省占地较可观，但本架构优化也会对运维带来一定的影响。 首先，上方的进线断路器安装高度较高，操作不便，其次，进线断路器配套的电流互感器后期更换不便，最后两台断路器位于同一低压配电柜内，若配电柜发生故障，则会同时影响两台断路器造成低压联络系统整体失效。 所以，对运维便利性和安全性要求较高的数据中心，建议仍然采用主断路器和联络断路器分柜的方案。取消静态旁路外置输入断路器是节省占地较为明显的架构优化措施，图1优化后的架构如图2所示，主路输入和静态旁路输入共用断路器，低压配电柜由7台减少至5台，节省2台低压配电柜的宽度。取消静态旁路外置输入面临的问题是《通信电源设备安装工程设计规范》（GB51194—2016）第6.1.2条“交流不间断电源（UPS）供电系统的主路输入（整流器输入）和静态旁路的输入，应分别引自不同的输入开关”。 虽然规范并没有对为何如此规 定做出说明，但有部分观点认为，当并机系统中所 有单机UPS主路运行，其中一台主路故障时，系统内所有单机均自动转至静态旁路，若主路和静态旁路共用断路器，静态旁路无法集中切换，风险较大。 但是，实际现场运维，特别是对于2Ｎ架构的并机系统，并不是这种操作流程。仍然以N＝4的并机系统为例，正常情况下单机负载率为25％，此时若其中一台主路故障，则该台机组直接退出，剩余机组主路工作不切静态旁路；单机负载率上升至33％，若此时第二台主路故障，则该台机组继续退出，剩余机组仍然保持主路工作不切静态旁路；单机负载率上升至50％，当第三台主路故障时，才会统一切换剩余两台至静态旁路模式，此时已经是三点故障， 不在规范考量的单点故障安全风险的范畴内，当然，即便这种情况下静态旁路由于和主路共用断路器而失效，也可以切换至集中旁路供电，保障2N工况。 所以，对于2Ｎ架构多台UPS并机系统，主路输入和静态旁路输入共用断路器虽然会增加一定运维难度，但对系统整体安全性影响较小，是一种可行的架构优化方案，对于单机运行的UPS并机系统，主路输入和静态旁路则必须分开设置断路器， 避免相互影响造成系统无法工作。《数据中心供配电设计规程》T/CECS486—2017中，该条文已从“应”修改为“宜”，可能也是出自以上的原因。不设置总输出断路器是目前第三方和运营商数据中心的主流做法。 预制化电力模块低压配电柜与UPS贴临布置，集中旁路2断路器和集中旁路1断路器无需重复设置，同时取消总输出断路器，优化后的架构如图3所示，UPS并机配电柜由4台减少至2台，节省2台低压配电柜的宽度。取消总输出断路器同样会给运维增加一定难度。 第一，市电集中旁路需要与UPS并机输出隔离，保障运维人员安全，采用1个4极总输出断路器即可，各UPS输出断路器均可采用3极，若取消总输出断路器，则各UPS输出断路器均需要采用4极。 第二，当整套系统由集中旁路恢复成UPS并机输出时，若存在总输出断路器，则各台UPS可以先进行并机调试（此时总输出断路器处于断开状态）至最佳状态，再合闸总输出断路器，若取消总输出断路器，则各台UPS无法做到同步合闸，存在先断电后通电的问题。所以，金融特别是银行数据中心目前仍然是保留总输出断路器的居多。通常UPS供货商仅提供设备本体，不清楚上级输入和下级输出的情况，即可能UPS和上下级设备并不在一个房间内，所以一般会内置内部维修旁路和开关电器。 预制化电力模块的输入输出与UPS贴临布置，可以就近进行操作，且多台并机系统配置集中旁路，每台UPS的内部维修旁路基本可以不使用，所以取消内部维修旁路和开关电器对系统的运维便利性和安全性影响不大，优化后的架构如图4所示。 根据调研，取消内部维修旁路和开关电器 对于高频UPS塔机效果较为明显，可以减少约25％左右。目前最为紧凑的极简预制化电力模组架构取消了外置输入和输出断路器，利用模块化UPS内部各功率模块和静态旁路的输入输出熔断器外加隔离开关作为保护和隔离器件，优化后的架构如图5所示。 整套系统由1台变压器、7台低压配电柜、4台UPS以及4台UPS并机配电柜节省为1台变压器、1台低压配电柜、4台UPS及1台UPS并机配电柜，柜数节省60％。极简预制化电力模组架构对系统安全性和运维便利性造成了较大的挑战。 从系统安全性来说， 极简架构采用熔断器和上、下级断路器实现选择性保护，相比国内普遍采用的全断路器做法，无论从理论和实践都鲜有系统性的分析和验证。 所以对于极简架构，建议制造厂商严格对标相关规范并针对系统和各组件的安全性和规格选型进行充分验证，必要时采用电力系统仿真软件进行辅助设计， 确保系统的本质安全。 从运维便利性来说，极简架构采用的熔断器保护动作后需要进行更换，相较于断路器来说会增加运维的难度。 同时，平均修复时间（MTTR）的增加也会导致系统可用性的降低。 对于一些对成本和空间有极致追求、受现状土建条件限制，但可以牺牲一定运维便利性和可用性的场景，极简架构仍然有其存在的必要，但是对于特级金融数据中心等安全和运维要求较高的场景，建议谨慎使用极简架构。预制化电力模块在传统供配电系统的基础上进行架构优化时，需要充分考虑其适配的场景，分析不同架构优化措施对于占地空间、系统安全以及运维便利带来的影响，尊重使用方的风险偏好及运维习惯，才能真正选择到对项目最合适的架构。 深知社创立于2017年，是数字能源行业工程技术人员学习、交流、合作、创新的虚拟社区平台。深知社秉承互联网精神，践行工程师文化，提倡全球视野、终身学习、乐于分享的博学深知理念，感兴趣的同学可以扫描下方二维码申请进群交流学习。
作者： 高晓明 上海建筑设计研究院 电气主任工程师 DKV（DeepKnowledge Volunteer）计划成员 公众号声明： 本文仅供读者学习参考，不得用于任何商业用途，本文不代表深知社观点。
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