浅析预制式电力模组的建构及其在数据中心的应用
人工智能技术的广泛应用，给数据中心的供配电基础设施建设带来显著变化。从我国大型金融数据中心的情况来看，其主要生产和灾备数据中心聚集地仍然以北京、上海两地为主。相比于西部和北部地区，北京、上海等城市土地资源稀缺，能耗指标紧张，年平均气温较高，新建数据中心的能源利用效率(PUE)受到严格限制，因此金融数据中心面临的节能降耗问题比较突出。同时，金融数据中心业务资金量大，一旦供配电系统出现问题将造成重大经济损失和社会影响。综上，金融数据中心供配电系统宜选用安全、稳健的绿色节能技术。
传统供配电系统在占地面积、交付周期、施工质量、集成监控等方面存在诸多痛点，因此，构建一个经济、高效、安全和智慧的供配电系统对于数据中心来说至关重要。在金融领域，一些大型金融机构特别关注电力模组落地后是否可以兑现其宣传的价值。同时，不少金融机构基于具体场景论证预制式电力模组方案应用在项目中的可行性，部分大型金融机构已经尝试采用预制式电力模组方案。在运营商和IDC领域，预制式电力模组已经得到较为广泛的应用。
本文将对预制式电力模组的特点和价值进行分析，从多个角度探讨如何构建一个经济、高效、安全和智慧的供配电系统，并对预制式电力模组在金融数据中心的实际应用提出相关建议。
一、传统供配电系统的痛点
1.变配电室与IT机房面积比发生逆转
追求IT机房面积占比的最大化，即尽可能减少辅助区的占地面积，一直是数据中心设计的主要诉求之一。在数据中心总面积不变的情况下，IT机柜的单机柜功率越高，则变配电室的面积越大，能建设的IT机柜数量就越少。
在传统金融数据中心单机柜功率为2.5～5kW的情况下，变配电室占地面积一般为IT设备占地面积的1/4左右;而当单机柜功率提升至目前大型金融数据中心主流的8kW时，变配电室占地面积将达到IT设备占地面积的1/2左右，随着智算中心机柜功率的快速提升，变配电室面积的占比也随之显著提高。以1个基于英伟达HGX平台的千卡集群智算中心为例，配置128台智算服务器，每台服务器配置8个H100 GPU(PSU采用4+4冗余)，每个服务器机架放置2台智算服务器(最大功耗20.4kW)，则智算中心IT总功耗1411.2kW(计入网络和管理设备功耗)，可提供约1000P(16FP)稠密算力。IT机房占地面积约334m²，变配电系统采用2N架构，配置2套2000kVA传统供配电系统，变配电室占地面积约470m²，变配电室占地面积达到IT设备占地面积的1.4倍左右。
变配电室占地面积从IT设备占地面积的1/2左右到其1.4倍，可见20kW机柜功率下的变配电室面积是8kW时的近3倍。随着AI驱动IT机柜的高密化，优化变配电室占地面积是数据中心供配电系统发展的一个必然方向。
2.交付周期长，施工质量隐患多
传统供配电系统的中压开关柜、变压器、不间断电源、低压配电柜等设备需要分散采购，安装就位时要相互等候匹配，不同设备安装人员之间均需要对接交底，从而延长了系统的整体交付周期。
传统供配电系统不间断电源与上下级的低压输入输出配电柜一般采用多拼电缆连接，多拼电缆必须保证每根电缆的长度一致，现场操作过程繁琐且耗时漫长，易出现连接不稳固、接触不良等问题，为后续系统运行埋下安全隐患。同时，供电系统的搭建需要总包商及各供应商互相协作，交叉工序多、界面分割难，施工阶段易埋下漏项隐患。
3.设备接口多且分散，集成监控工作繁琐
传统供配电系统的继保装置、变压器温控器、多功能表计、SVG、APF等设备分散且接口不一，需在现场分别接入上级电力或动环监控系统，智能化集成工作繁琐。
二、预制式电力模组相关行业规范及政策支持
为解决传统供配电系统的痛点，预制式电力模组等创新解决方案应运而生。行业规范及政策的支持，为预制式电力模组快速发展提供了理论依据和指导方向：
一是《上海市数据中心建设导则(2021版)》指出，供配电系统宜采用预制化电力模块(组)解决方案；二是《国家工业和信息化领域节能技术装备推荐目录(2022年版)》显示，信息化领域节能技术推荐采用电力模块(组)；三是2022年9月，中国电子节能技术协会发布的《数据中心电力模块预制化技术规范》团体标准正式施行。
此外，中国泰尔实验室依据其《电力模块产品认证实施规则》从系统外观及总体评估、系统性能指标测试、系统功能测试、系统可靠性测试、系统安规、系统监测、传输及控制、系统配电技术等多个方面对预制式电力模组产品进行全面检测，为其质量和性能提供保障，推动了行业规范化发展。
三、预制式电力模组的价值剖析
作为创新的供配电解决方案，预制式电力模组展现出较强的竞争力和创新力，正在引领行业的变革。以下结合一个较有代表性的预制式电力模组方案，探讨预制式电力模组的特点和价值。
该模组为一套IT-2.5MVA系统，整体长度为13.8m，高度2.5m，深度1.0m(变压器深度1.5m)，其高度由2m的设备柜本体和0.5m的母排仓组成。从左往右依次为变压器、进线柜、联络柜、补偿柜、UPS输入柜、4台600kVA交流UPS、UPS输出柜、维修旁路柜和馈线柜(如图1所示)。
图1 某IT-2.5MVA系统预制式电力模组方案
1.经济——空间资源利用更充分
以1个225机架、单机架功率8kW的金融数据中心包间为例，采用2套2.5MVA传统供配电系统方案时，通过将实际设备摆放到配电室中，按照国标要求预留出过道空间之后，得出配电室的长度为15.1m，宽度为7m，变配电室占地面积为2×15.1×7≈212m²；若替换为2套2.5MVA预制式电力模组方案，配电室的长度为18.4m，宽度为4.3m，变配电室占地面积为2×18.4×4.3≈159m²。相比传统供配电系统方案，采用预制式电力模组方案节省配电室面积接近30%，节省出的空间可以部署更多服务器等核心设备，从而可大大提升数据中心的空间资源利用率。
2.高效——交付速度更快
预制式电力模组方案交付周期为2周左右，相比传统方案1个月左右的交付周期，可至少节省50%的时间。同时，预制式电力模组设备可迅速完成安装和调试，让数据中心更早投入运营。此外，相较于传统供配电系统，预制式电力模组在招标环节也能够减少大量工作流程，在后续的运维过程中，还能够降低沟通成本和相互扯皮的可能性。
3.安全——交付质量更高
在工厂内，预制式电力模组已通过标准化的生产流程以及严格的质量检测手段，确保了设备具有稳定可靠的性能，从而降低了因现场施工人员水平参差不齐带来的风险。
4.智慧——集成程度更高
预制式电力模组先是在本地将模组内的各个组件进行集成，再通过通信交换机采用标准通信协议接入电力或动环监控系统。由于上级系统无需对接南向的各类设备，所以系统架构得到了明显的简化。
通过智能电力监控管理系统，预制式电力模组可实现对电力设备的远程监控、数据分析和故障诊断，并可迅速定位故障点、缩短故障排查时间。此外，智能电力监控管理系统具备全链路温度检测功能，可实时上传显示温度，并记录运行历史曲线，显著提高运维管理的效率和准确性。
5.灵活——可在线维护、可硬件解耦
针对预制式电力模组中各组件生命周期不一、更新其中某一组件的同时整套系统仍需正常工作的难点，通过硬件可解耦的架构，可实现UPS整机在线不断电更换，避免了因设备维护和更新而导致的业务中断，从而为用户提供持续稳定的电力保障，有效满足金融数据中心的运维需求。
6.绿色——整体效率提升
预制式电力模组采用铜排连接，整套系统长度更短，所以损耗较传统供配电系统可降低近1%。虽然看似下降比例不大，但对于长期运行的数据中心而言，1%的损耗降低仍然能够带来较为显著的节能和降本的效果。
四、预制式电力模组建构的注意事项
1.关注系统架构和元器件选择
预制式电力模组方案和传统供配电系统的低压配电方案相比，各组件设备基本相同，因此系统架构和元器件选择是预制式电力模组技术应关注的重点。首先，不建议为追求极致的空间而过度省略原有架构中的重要组件；其次，元器件应选用MTTR低、可用性高、便于检修的产品；最后，无论采用什么架构和元器件，建议对整个模组进行短路电流计算及选择性验证，有条件的可进行计算机电力仿真，以确保系统的准确性和安全性。
2.关注金融客户的运维习惯
预制式电力模组方案可能对金融机构的运维习惯产生一定影响，例如部分金融机构习惯主路和静旁路分开开关操作运维等。在选择预制式电力模组方案时，需要提前告知金融机构方案的整体架构、优缺点等信息，视其接受程度灵活调整模组架构和选型。
3.关注组件的升级迭代
由于不间断电源和输入输出低压柜并柜放置，所以预制式电力模组方案和传统供配电方案相比更需要关注组件的升级迭代能力。升级产品需要具有兼容的、标准化的接口，且与之前产品尺寸一致，以降低升级迭代带来的系统风险。
预制式电力模组是对现有供配电设备的集成及优化，顺应数据中心供配电系统绿色低碳的发展趋势。在不降低安全可靠性的前提下，预制式电力模组方案可充分利用土建空间和电力资源，显著缩短交付周期，适量降低能耗和施工碳排放。随着技术的不断进步和市场需求的持续增长，预制式电力模组有望进一步升级和完善，为各行业的发展提供更加强有力的电力保障。（本文刊于《中国金融电脑》2024年第9期 作者：上海建筑设计研究院有限公司 高晓明）