超级计算数据中心供配电系统设计探讨

图4 S2级超算中心10kV市电供配电系统架构

图5 S2级超算中心0.4kV供配电系统架构

如果超算中心的设备总容量仅几百千瓦，计算节点、高速网络、存储等节点设备可以共用变压器或低压进线时，因其用电容量很小，从配电系统统一性和可实施性角度考虑，可考虑均由双重电源供电，且配置不间断电源和柴油发电机作为后备电源，相对应的空调系统也采用双重电源供电。此情况下的超算中心配电系统更接近于GB 50174中的A级标准。

随着我国“双碳”政策的发布与实施，如何降低数据中心能耗指标成为业内讨论的热点问题。供配电系统作为超算中心的核心系统，各种节能策略可以运用到其大部分环节当中。因所涉及的内容过于广泛，笔者结合以往的超算中心设计经验，对市电复用、绿电储能等较为常见的超算中心节能策略做简要分析。

3.1 超算中心市电资源复用分析

超算中心的特点是电力需求巨大，尤其是在算力评定时，需要将超算设备运行在极限工况下。而在平时运行时，电力消耗仅仅是极限工况的50%～60%，平时运行的工况又占整个超算中心运行时间的九成以上，为保证极限工况运行，申请的电力资源在大多数情况下不能得到充分利用，电力资源浪费较大。特别是S1级超算中心，平时运行工况下富余的市电资源特别明显。如何让超算中心把富余的市电资源充分利用起来，需要设计人员统筹规划。

超算中心如果引入的市电间隔在两组或以上时，根据超算设备的运行特点，与供电部门及早沟通，可以将部分计算节点专用变压器尽可能配置在同一组市电的母线上。由极限运行工况转为平时运行工况后，可以对此组市电母线下的变压器进行报停措施，相关间隔环处用作它用，利用其他市电间隔满足平时运行工况的需求。

超算中心如果引入的市电间隔仅为一组，总体思路是根据极限测试工况及日常运行工况的负荷情况，对用电负荷进行分工况分期统筹规划。待计算节点设备平时运行时，将富余的市电资源用到其他的用电设备中，达到充分利用市政电力资源的目的。此时每一市电间隔下的变压器装机容量较常规容量会偏大一些，建议建设方将建设思路与供电部门及早沟通，便于供电方案的批复。

以国内某科研单位已投产的超算中心园区项目为例，园区内主要功能为超算中心，另附配套的办公区、运维区、生活区。园区从市电引入两路10kV市电电源，超算中心功能区与其他功能区分变压器配置，共用10kV配电母线段。项目竣工验收完成后，在配套区使用前进行超算中心的算力认证，此时电力资源全部应用在超算中心。待算力认证完毕后，配套区投入使用。待后期算力需要调整时，再停用配套功能。通常情况下，算力认证时间以天计算，周期较短，园区使用方完全可以接受，此方案电力资源可以得到充分的利用。

3.2 绿电储能技术的应用分析

可再生能源发电具有能量来源巨大、绿色环保无污染等特点，是我国实现“双碳”目标的重要手段，也是我国电力行业发展的主要方向。2020年我国可再生能源发电量为2.2万亿kWh，占全社会用电量的29.5%。以光伏发电为代表的可再生能源发电技术，存在对环境条件要求较高、电力转换效率较低、供电存在间歇等特性，而常规数据中心的业务又要求其电力连续可靠，从而导致现阶段两者的匹配度不高。

超算中心因其分为明显的极限算力工况和平时算力工况，此运行特点可以保证超算中心充分利用绿电储能技术。当超算中心需要处在极限算力工况时，市电系统与绿电系统可以并行为其提供电力资源。当超算中心处在平时算力工况时，可以优选绿电储能系统为计算节点设备提供电力资源。

以南方某行业超算中心为例，其建筑单体为超算中心及配套设施，在屋顶设置太阳能光伏板，在室外设置集装箱式储能仓，储能输出功率为2MW。其供电系统架构详见图6。本系统基本的运行依据为利用夜间电网的低谷电价进行储电，完成整个电池组的充电; 在电网峰值电价时，再放出储存的电能，输送至超算中心使用以降低运行成本，合理地提高了能源的整体利用率。项目运行全年光伏发电量在2700MWh左右，储能系统的整体效率接近90%。

图6 某超算中心供电系统架构图

3.3 其他节能策略的应用分析

总体来说，节能策略的重点应该是节省那些无谓消耗的能量。超算中心供配电系统的节能首先应该明确哪些方面的能量消耗巨大，再考虑采取具体的节能措施。超算中心计算节点设备容量占比在超算中心所有设备的90%左右，配电系统中与超算中心计算节点设备有着紧密联系的是与其相关的配电变压器，如果选用较为节能的配电变压器，那么在这个环节的节能量是非常可观的。

例如非晶合金变压器，具有制备节能、铁芯磁导率高、“三相五柱式”结构、空载损耗低等特点，节能效果是显而易见的。以1台2500kVA干式变压器为例，两种类型变压器损耗容量对比详见表3。某算力为300P的超算中心，为计算单元设备供电的变压器约35000kVA 左右，如选用2级能效的变压器，考虑到超算中心的全年运行特点，全年运行后1台变压器仅空载损耗的节能量就达12527kWh以上（如果28台变压器按40%报停，可节省210454kWh），如选用1级能效的变压器，节电量会更加可观。