本期专题阮勇，成军，田洁，间健，杨瑛洁Monh的Topic双碳背景下的智算中心供电系统架构优化分析Optimization Analysis of Power Supply System双碳背景下的Architecture for Intelligent Computing CentersUnder the Background of Dual Carbon智算中心供电系统架构优化分析阮勇'，成军2，田洁'，闫健'，杨瑛洁'(1.中讯邮电咨询设计院有限公司，北京100048：2.环球电信资本合伙控股有限公司，香港999077)Ruan Yong',Cheng Jun?,Tian Jie',Yan Jian',Yang Yingjie'(1.China Information Technology Designing Consulting Institute Co..Ltd.,Beijing 100048,China:2.Global Telecom Capital Partners Holdings Limited,Hongkong 999077,China)摘要：关键词：生成式人工智能(AGC)技术的迅猛发展正在推动数据中心向智算中心演进。智算中心：供电系统：上下级保护：高效设备：需求智算中心具有高功耗、高散热要求以及云计算的业务不间断性和协同性等特点，对供电系统配置提出了更高的要求。针对智算中心供电系统，如何在空间doi:10.12045j.issn.1007-3043.2023.12.004占用、系统架构配置、上下级保护等方面考虑经济性、安全性，将是人们关注的文章编号：1007-3043(2023)12-0016-04重点内容。新型供电架构将会很好适配电网的需求响应，产生经济效益及社会中图分类号：TN86效益，这也是智算中心绿色化低碳化发展的必由之路。文献标识码：AAbstract:The rapid development of AlGC (Artificial Intelligence Generated Content)technology leads data centers to evolve towards in-telligent computing centers.Intelligent computing centers have the characteristics of high power consumption and high heatdissipation requirements,as well as the uninterrupted and collaborative nature of cloud computing services.Therefore,intelli-gent computing centers have higher requirements for power supply system configuration.How to consider the economy andsafety of the power supply system of intelligent computing centers in terms of space occupation,system architecture config-uration,and hierarchical protection will be a key focus of attention.The new power supply architecture will adapt to the de-mand side response of the power grid,and generate good economic and social benefits,which is also the only way for thegreen and low-carbon development of intelligent computing centers.Keywords:Intelligent computing center:Power supply system:Protection of superiors and subordinates:Efficient equipments:Demandresponse引用格式：阮勇，成军，田洁，等.双碳背景下的智算中心供电系统架构优化分析J].邮电设计技术，2023(12)：16-190引言中心行业从业者需要重点关注如何在保障数据中心安全可靠运行的前提下，降低能耗并提升电能使用效我国明确提出2030年实现碳达峰，在国家碳达率。峰、碳中和目标下，推进数据中心行业的低碳转型对1智算中心特点我国实现“双碳”目标具有重要作用。国家政策促使数据中心节能降耗工作成为重要议题。实现“双碳”为科研机构和政府、高校服务的超算中心主要执目标必然以能源为主战场，电力是其中的重要环节。行大规模科学计算和模型训练任务，因此更加注重算因此，在“双碳”目标快速推进的背景下，供配电系统力和精度。而面向公众业务的数据中心则更加商业变革的顶层设计势必会加速推进。在此背景下，数据化，通常承载云计算和云业务，强调互联和云服务以及服务的连续性。不同于超算中心和数据中心，智算收稿日期：2023-10-09中心通过领先的体系架构设计，以算力基建化为主162023/12/DTPT阮勇，成军，田洁，间健，杨瑛洁本期专题双碳背景下的智算中心供电系统架构优化分析Monthly Topic体、以算法基建化为引领、以服务智件化为依托、以设配电柜进出线也需要上下翻折，线缆线路长、损耗大，施绿色化为支撑，从基建、硬件、软件、算法、服务等全后续的线缆检修和系统扩容难度高。近年来，为提升链条开展关键技术落地应用。智算中心至少有2个方供配电系统效率，减少供电级数，缩短供电链路，预制而的需求：一方面，由于算力业务相关设备功耗高，散化电源概念得到了越来越广泛的应用热要求高，所以智算中心对动力和制冷效率要求很体化电源或者电力模块设备将中压柜、变压高。另一方面，智算中心中的云计算业务仍然提供云器、UPS、HVDC、馈电等预制集成交付，城少电力室面服务，相关设备虽然功耗不高，但是对于业务连续性积高达50%。的要求很高。智算中心中的云服务与算力服务同时以某数据中心为例：该数据中心5~6层T负载功运行，不间断与可间断业务协同，同时为客户提供服率达8400kW,年用电量为9169万kWh。采用一体务。智算中心与超算、数据中心的区别如表1所示。化电源设备后，按照系统能效提升1%计算，每年可节表1智算中心与超算、数据中心的区别约92万kWh,减少二氧化碳排放561t。一体式电源系统采用全铜排连接，节省大量柜间连接电缆，配电柜类型超算中心数据中心智算中心建设面向科学计算场景承担用户云服务提供云服务与计算服数量减少30%，施工周期大幅缩短，相比传统方案共目标提供支撑服务与存储，计算服务务，提供AI产业平台节约投资15%（节约310万元）。按照一体式电源方具体大规核科学计算和提供算力与云服务案，该数据中心单层可新增机柜80架，单柜市场出租各用户多样化业功能工程计算任务务应用需求提供AI产业平台价格约为8万元，则5-6层年新增创收1280万元（不技术多用并行架构，不同含带宽收人)。若全楼采用一体式电源系统，每年可互联互通，开放建标准技术路线，较少互联互通设开放建设增收3840万元。基础学科研究，生命多应用场景、多应面向AI典型场景，如2.1.2使用DR或者RR供电架构节约电力室空间应用医疗模拟仿真、气用领域多定性应语言处理、智能制造传统数据中心目前主流的供电架构是2N架构。复杂计算仿真等，对等，对算力要求高算力与网络要求高这种架构建设简单、维护便捷，供电设备购置费用不应用MPI并行应用(CAEOA系统、业务系高，使用标准化方式推广非常方便，得到了业内的广生命科学、物理、化软件学、气象地理等)统，业务软件理泛认可。近年来，单机柜功率密度持续提升，从4kW6kW8kW提升至10kW以上，如果单机柜功率算力设备的高功耗对智算中心的基础设施提出密度继续快速提高，那么电力室面积必然随之大幅度了更高的要求。首先，制冷设备从以前风冷、水冷演增加。这时建设方案需要更多考虑供电系统的占地进至现在的液冷，这使得供电系统的要求也随之变面积，同时也应更重视提高供电效率。化。其次，供电系统小型化是必不可少的，降低供电与2N架构相比，DR架构（见图1）和RR架构（见设备的占地空间势在必行。另外，智算中心的平面布图2)在提升系统利用率和降低占地面积上有优势。局要求与数据中心相比产生了较大变化，结构上承重实际上只要在规划设计阶段做好负荷分配，DR架构要求更高，建筑空间需要具备弹性可调、灵活适配的和RR架构的可维护性和可用性也是比较高的。特点。RR架构属于N+1配置，电源设备相对投资小。三大通信运营商的通信机房较多使用R架构，数据中2智算中心供电解决方案心使用较少。RR架构可以使智算中心的供电系统的2.1智算中心供电系统架构的变化利用率从50%提升到N/八N+1),同时将占地面积减少2.1.1使用一体化电源/电力模块设备节约电力室占地(N-1)/2N。RR架构的备用系统长期空载，主用系统传统数据中心的供配电系统普遍采用分散式的长期满载，当任何一套主用系统断电或维修时，它所结构。电力室分为高压室、变配电室、低压室UPS/承担的负荷由备用系统带载。HVDC室、电池室等，类型多且布局分散，占用面积大。DR架构属于“手拉手”结构，在海外数据中心使电源设备由不同的厂家生产，高压柜、低压柜、交直流用较多，国内较少使用。DR架构中配电设备使用减不间断电源系统分散部署在不同的机房。供配电系少接近25%，电源设备成本低。每套系统需要分别物统的一次和二次线缆都需要现场连接，即使是相邻的理隔离，土建成本高。由于不同源的电缆路由难以实邮电设计技术/2023/1217本期专题阮勇，成军，田洁，间健，杨瑛洁Monh的Topic双碳背景下的智算中心供电系统架构优化分析材料价格以及负荷容量、安全等多方面因素综合考市电电源虑。2.3智算中心供电可靠性提升随着智算中心功率密度的增大，数据中心供电架构的复杂度日益提升，以及电力模式部署方式的出现，都对系统供电可靠性提出了挑战。变压器变压器变压器未来智算中心基础设施建设将更加注重供电系统的容错性、可用性，确保在运营状态、检修状态以及UPSUPSUPS意外事件发生时，系统仍能正常运行。这就要求统筹考虑供电系统的检修计划、故障隔离等因素，并完善T负载T负载拓扑结构设计，配置完善的自动控制系统，以提高系统可用性。图1DR供电系统架构示意另一方面，由于数据中心供电系统的集中化部署，后端负荷距离电源点越来越近，因此需要更加重市电电源市电电源视供电系统的上下级开关保护配合，包括发电机保护、高低压开关配合保护等。配电系统的保护选择性至关重要，但却经常被忽视。不少数据中心在检修系统投切或遭受供电冲击时发生故障，导致系统稳定性较差。上下级开关的保护配合需要考虑供电系统变压器变压器变压器的各个层级、各种运行工况以及所有设备运行特性。由于供电结构日趋复杂，要完全实现上下级保护装置UPSUPSUPS的全选择性并避免发生越级跳闸极具挑战。在规划设计阶段，设计人员可尝试使用ETAP,SKM仿真分析软件辅助电力系统设计，以实现精细化设计。2.4需求侧响应对备用电源的影响图2RR供电系统架构示意电力需求响应是电力用户根据电力市场价格信现隔离，发生故障时负载分别带往其他电源，故障定号或激励措施，在电网运行高峰或低谷时期自愿改变其用电行为，减少或增加用电负荷，从而获得一定经2.2智算中心备用电源变化导向更灵活济补贴，以促进电力供需平衡、保障电网系统稳定运数据中心负荷快速增长后，业界普遍的做法是在行的行为。目前需求侧享有相关政策支持，即国家电高压侧使用高压油机并机形成资源池，这样做可以使网出台的电价优惠政策。当新能源接人量大、电网调油机的容量得到更高效的利用。面向智算中心新的控力度及灵活性不够时，电网希望更多用户参与到需负荷需求，为了与DR架构和RR架构相匹配，油机的求侧响应中来。只要用户有电池和柴油发电机组，就供电架构也将发生新的变化。智算中心的供电连续有条件参加电网需求侧响应。当用电负荷高、电网的性要求发生了变化，不是所有负荷都需要不间断供发电能力紧张时，且部分用户无用电需求，这部分用电。部分负荷需要配置后备电源，而部分负荷则不需户可把自己多余的电能输配到电网，同时由于参加需要。柴油发电机组的供电架构也将发生变化，市电和求侧响应而得到电费补偿。油机不一定全部在高压侧切换，可以在低压侧切换或需求侧响应分为约定响应、实时响应、季节性响在高压侧分散切换。另外，随着智算中心的到来，需应，并根据响应时长的不可有不回的补贴标准。数据要使用的油机容量越来越大，是否需要进一步提升单中心用户参与需求侧响应有极大的便利性。例如，某台油机的功率，从而降低油机占地面积，仍然是业内数据中心有10O0kW负荷参与需求侧响应1h,可得讨论的热点话题，需要结合油机、配电柜、电缆等设备到1.2万元的收人。182023/12/DTPT