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一、大型数据中心遇到的挑战 1、供配电系统各设备间匹配性差，易出现错漏。举几个笔者曾经遇到的实例。1、变压器与主进线柜需要进行铜排软连接，主进线柜铜排接线图及剖面图已同步变压器厂，最后出场变压器与主进线柜铜排有高差10cm，后续联系变压器厂进行铜排更换；2、维旁母线与低压柜并柜母线五线不对应，母线箱内需进行转向，空间有限，难度较大，后续解决方案为增高母线箱高度，但增加了成本和施工难度；3、主进线柜与母联柜进行电气互锁及逻辑控制，此部分内容需现场安装，厂家与安装单位产生分歧，后续解决方案厂家提供材料，安装单位安装；此类事件不胜枚举。 2、交付周期长。供配电链路设备及电缆需要现场安装及端接，正常的安装周期至少2个月，周期较长，且经常出现附件不足影响安装周期的问题。电力模块采用铜排并柜，节省桥架安装时间。 3、交付质量不稳定。交付质量与工人水平及责任心息息相关，工人质量参差不齐，电缆现场端接易出现接错，接反，固定不牢、力矩不足等问题，且工人流动性大不易追责。 4、效率相对较低。传统供配电链路采用电缆端接方式，与铜排端接方式相比，传输损耗较大，且电缆端接点较多，端接质量也影响系统效率。 5、供配电系统密度低，IT“得房率低”。通算数据中心，单机柜功耗在2.5kW~5kW的情况下，供配电系统占地面积通常为IT设备占地面积的1/4左右；当单机柜功耗提升到8kW左右时，供配电系统占地面积将达到IT设备占地面积的1/2左右；当单机柜功耗提升到16kW时，则供配电系统占地面积与IT设备占地面积几乎相同。 6、运维效率低，故障排查难。传统供配电链路依赖人工抄表，手持热成像仪巡检人工测温等，依赖于人工经验，且故障种类多，排查难，被动防护，风险不可控。 二、预制化电力模块介绍 预制化电力模块主要由中压柜、变压器、进线柜、联络柜、无功功率补偿柜，UPS输入柜，UPS主机，UPS输出柜，UPS总输出及维修旁路柜，馈线柜等组成。电力模块具备省地，省电，省时，省心等特点。 1、省地，与传统供配电链路相比较，电力模块相对节省面积。如下图统计的传统配电链路及电力模块的尺寸对比，对长度影响比较大的主要是UPS的尺寸、UPS主旁同源节省的低压柜以及UPS输出柜，单链路可以节省6.6m以上的长度。如果按照双排面对面布置，屏前间距2.1m，屏后间距1.2m测算，则最大节省占地面积约32%。
表1：不同品牌电力模块配置及长度 2、省电经济。预制化电力模块采用高效模块化UPS，相比于传统配电模式，配电链路效率提升约0.2%~0.3%，整体系统效率更优。如下图所示，双变换模式下电力模组整体系统配电效率约为95.65%，相比于传统配电模式提升约1.73%。 以1台2500kVA模组为例，标准配置4*600kVA的UPS，UPS负载率50%，每提升1%的效率，双变换模式下每年节省电量为2400*50%*1%*24*365=105120kWh，按照度电成本0.5元计算，则每年节省电费为52560元。20MW的数据中心配备模组数量一般在20组以上，则每年电费至少可节省100余万。
表2：传统低压配电及电力模组系统效率 3、省时。电力模块采用全铜排并柜预制安装，设备耦合匹配性较高。现场具备条件时可直接现场吊装就位，即便现场条件有限需要分拆就位时，铜排链接相对电缆端接更加高效，且无需现场安装桥架，省时美观。数据中心为短、平、快项目，一般互联网厂商的工期要求在4~5个月左右，工期因素是评标重点，且对于建设方来讲早建成早收益。 4、省心。电力模块自带全链路的电力监控系统，匹配性更高，具有温度监测，故障预警，故障定位，快速排查等功能，监测点更加全面，运维更加省心。 三、预制化电力模块应用中面临的问题及思考 1、设计维度： 1）生产测试标准不统一问题。目前预制化电力模块并没有统一的国家标准，仅有团体标准T/DZJN 101-2022《数据中心电力模块预制化技术规范》作为参考，各厂商基本是按照自家标准及经验进行设计生产，诸如是否配置UPS输出柜、2.5MA容量配置4000A/5000A断路器，总进线柜和母联柜是否可合二为一等均无统一生产标准要求，而测试标准目前也仅有泰尔实验室的《电力模块产品认证实施规则》作为参考，无其他强制性或者统一性合格标注。 2）集成厂商选择问题。预制化电力模块主要包含中压隔离柜、变压器、低压柜及UPS等，UPS和低压柜是其中的主要设备，所以现在市场上有整柜厂及UPS厂商两种类型的集成商，选择何种集成商需要需求方仔细斟酌。两种类型的集成商优缺点如下：
3）UPS负载率不同导致需定制化设计问题。目前厂家电力模块标准设计为2500kVA变压器+4台600kVA容量UPS主机及配套的中低压柜，在实际设计时由于UPS负载率要求不同，因此经常出现2500kVA变压器+5台/6台UPS主机配置，规范要求UPS最多4台并机，此时UPS应当分2组并机，相应的维旁柜等有所增加，与标准产品不同，需定制化设计。 4）疏散距离问题。预制化电力模块的长度通常大于15m，根据《建筑电气与智能化通用规范》4.2.4条文要求“成排布置的配电屏，其长度超过6m时，屏后的通道应设2个出口，并宜布置在通道的两端，当两出口之间的距离超过 15m 时，其间尚应增加出口”。目前主流的说法是预制化电力模块设备是单一设备，单一设备长度过长，可不参照此条文执行。但在实际执行过程中建议和消防验收部门提前沟通。 5）不同品牌架构及尺寸不同，在方案设计阶段无法兼顾，需要在设备定标后进行图纸优化。 6）控制电源直流与交流问题。低压配电系统的控制电源有交流及直流两种选择，当选择预制化电力模块时，由于预制化设备中未集成直流屏且预制化设备需要在工厂进行通电测试，因此只能选择交流控制电源，此电源一般取自本低压柜的A相电源。 7）预制化电力模块A/B路联络问题。 在数据中心电气设计架构中，A/B路的总进线柜及母联柜需要3合2电气连锁，并且需要PLC模块控制动作逻辑（自投自复、自投手复）的实现。此部分工作需要在现场进行，需要注意在前期界面划分时不要遗漏。
表3:400V低压母联开关控制逻辑图 8）预制化电力模块的电力火灾报警系统兼容问题。低压柜的电力火灾报警末端设备应与消防单位采购的火灾报警主机品牌相同，否则存在主机与末端不兼容的问题。 2、实施维度： 1）安装就位问题。由于电力模块尺寸及重量均较大，如需整装就位则需提前预留较大的吊装口及运输通道。如现场条件受限，需解耦至现场安装的，节省工期仅为UPS输入输出电缆端接所需工期与铜排安装并柜所需的工期差额，因此在工期节省方面可能不及预期。另电力模块并柜铜排均为定制化生产，在现场安装时需注意铜排标记定点安装，如果未定点安装或者铜排损毁丢失时会影响交付工期。 3、运维维度： 1）维保厂商的选择问题：在传统低压配电系统中，UPS厂商维保一般由原厂负责，变压器及中低压柜维保可由第三方负责，但预制化电力模块是整装设备，由于包含的UPS是高度精密化设备，因此在运维阶段如需选择维保厂商，考虑到设备质保及维护的专业性，只能采用单一来源方式选择UPS原厂，加强了对原厂的依赖性，增加了维保成本，且预制化电力模块厂商为集成商，如需快速响应，则需UPS厂商默契配合协调其他设备厂，延长了沟通流程。 2）UPS寿命问题。UPS寿命一般在10年左右，电气设备的寿命在20年左右，因此预制化电力模块UPS与输入输出柜之间应能快速解耦，以便在UPS寿命到期后可以快速、安全更换。预制化电力模块是空间极致压缩设备，因此在更换时新UPS尺寸应不大于原设备尺寸，且应与电池参数匹配。 四、相关规范及政策支持 《上海市数据中心建设导则2021版》明确指出供配电系统宜采用预制化电力模块。国家工业和信息化领域节能技术装备推荐目录(2022年版)中也将预制化电力模块列入数据中心节能提效技术。其他地区诸如河北（《河北省人民政府办公厅关于印发张家口数据中心集群建设方案的通知》）、宁夏（《宁夏回族自治区数据中心建设指南》宁发改文件2022年634号）等也推荐数据中心采用电力模块技术。  图1:：《上海市数据中心建设导则2021版》  图2：国家工业和信息化领域节能技术装备推荐目录(2022年版)  图  图4：《河北省人民政府办公厅关于印发张家口数据中心集群建设方案的通知》 |
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