数字能源时代低压直流开关设备在新型能源结构下的应用与展望

序言 引言 深入实施能源安全新战略，加快构建清洁低碳安全高效的新型能源体系，建设能源强国。 施海阔Heiko Schielzeth执行副总裁西门子电气产品中国及东亚总部总经理 “十五五”规划纲要第二篇 当前，国内能源转型正处于加速发展的关键阶段。为实现“碳达峰、碳中和”目标，国家大力推动能源生产和消费方式变革，积极发展风能、太阳能等可再生能源，大范围整合清洁电力进网，逐步替代高碳排放的传统化石能源。 同时，以数字化、智能化和信息化为基础的能源基础设施建设也在提速，智慧电网、分布式储能和绿色交通等新模式不断涌现。所有这些变革，不仅带来了更为清洁的环境效益，也为中国经济发展注入了强大动力。 推动绿色电力与算力协同布局。加强全国一体化算力监测调度，提升算力接入和精准匹配能力。加快培育自主可控、协同运行的软硬件生态。 能源转型推动了新型基础设施的建设，升级了产业体系，促进了创新和就业，为制造业、交通运输、信息通信等领域提供了广阔的成长空间。更加高效、灵活和绿色的能源供应方式，让城市与工业园区实现智能化升级，助力经济高质量、可持续增长。这场变革不仅改变了我们的生活，更为我国在全球绿色经济大潮中占据引领地位打下了坚实基础。 “十五五”规划纲要第四篇 作为西门子，我们始终密切关注能源转型中的新趋势与新需求。我们看到，随着可再生能源大规模并网和用电场景的多样化，传统交流配电已难以满足高速发展的需求。低压直流配电系统以其高效、灵活、安全等独特优势，正成为未来能源系统的重要选择。 对此，西门子不断加大研发投入，推出创新的低压直流配电开关和整体解决方案，帮助客户应对复杂多变的能源环境，实现最优的成本与资源配置。我们也积极参与标准制定，与行业伙伴共同推动技术进步和生态协同，助力中国低碳转型之路。 直流供电系统正逐渐被国际大型数据中心纳入主流设计，尤其是在欧美和新加坡，主要原因是高能效和简化运维。 展望未来，西门子希望能与更多合作伙伴携手前行，在能源转型的征程中，共同开拓智能、低碳、可持续的美好新世界。 Uptime Institute（全球数据中心权威机构）2025 年全球数据中心趋势报告 我们坚信，凭借创新的技术、丰富的经验与坚定的责任心，西门子将继续为中国乃至全球能源变革提供强有力的支撑，助力实现经济发展与生态保护的双重目标。 目录 第一章未来已来：新型能源结构下的低压配电发展趋势6 第四章低压直流开关设备技术演进204.1 技术沿革与产品类型204.2 直流断路器产品特点22 第二章探索与挑战：直流配电技术标准8 2.1 直流标准及发展现状综述92.2 低压直流在下一代基础设施的设计规划122.3 直流应用面临的核心挑战132.4 本章小结14 5.1 数据中心场景245.2 工业行业场景265.3 全集成能源管理介绍275.4 本章小结28 第三章新型能源结构下的场景实践15 3.2 储荷互动，挖掘基础设施回馈电网潜力16 第六章西门子的愿景29 3.3 网荷协同，全面提升供配用电安全可靠17 附录：直流相关标准概述30 3.5 西门子的实践：数智赋能，面向未来18 3.6 本章小结19 第一章 算力产业的高速扩张引发了对能源消耗的巨大关注 未来已来：新型能源结构下的低压配电发展趋势 算力产业的爆发，带来了能源的巨大消耗。根据中国信息通信研究院的数据，2023 年我国算力总规模已增长至 230EFLOPS，同比增长约 35%，其中智能算力的增长率高达 45%，展现出强劲的发展趋势。 以数据中心为例，2023 年全国数据中心用电量突破 1500 亿千瓦时，占全社会用电量的 1.6%，相当于三峡电站全年发电量的 1.5 倍。更值得关注的是，随着大模型技术的快速发展，单次训练能耗屡创新高——OpenAI 的 GPT-3 模型训练耗电达 128.7 万千瓦时，相当于 430 个家庭一年的用电量；而 GPT-4 的能耗预计是前者的 3-5 倍2。 “算力的尽头是电力”，在此背景下，“算电协同”模式，势必成为推动未来能源体系高质量发展的重要路径。而配电系统的高质量转型，将成为未来“数据中心”等行业发展的重要研究课题。 全球能源结构的深度调整和数字化进程正在加速，电力系统正迎来前所未有的变革。 传统电力行业以发电、输电、配电、用电为核心的运营模式，正受到数字化、智能化和低碳化等新技术和理念的不断冲击与重塑。 低压直流配电是大势所趋 新型电力系统的技术创新包括了新能源并网技术、大电网技术、配电技术、用电技术，新型储能技术，数字化及通信技术等。 近年来，随着新能源发电、储能系统以及服务器、LED 照明、变频驱动等直流负载在低压端“源 - 荷”两侧的广泛应用，低压直流配电系统正受到越来越多的关注。 与此同时，在 2026 年政府“十五五”两会期间，诸如“算电协同”、“新型能源”等主题概念，被首次纳入政府工作报告，成为未来技术转型的重要发展方向。 直流配电产品在多场景下的直流用电的可靠性，安全性，泛用性等的需求愈发迫切。 此外，低压直流配电系统作为支撑新型用电需求和柔性互联的重要载体，其在数据（算力）中心、新能源、智能制造、交通以及分布式输配电等领域的应用不断拓展，对配套开关设备提出了新的、更高的要求。这也符合了目前国内大力发展新基建，提升数智化发展水平的大趋势。 “源网荷储”是实现这一路径的主要手段 在今年的政府工作报告中，就多次提到了构建新型能源体系下的储能，绿电消纳等相关课题1。 事实上，“源网荷储”正是现代智慧能源系统的重要构成，旨在实现能源系统的高效协同与智能调控。 具体而言，“源”指的是多元化能源生产端，包括传统化石能源以及风能、太阳能等可再生能源；“网”则为能源传输与分配网络，特别是智能电网，通过数字化与信息化技术提升能源传输的透明度与灵活性；“荷”是指负载侧，即用户的能源需求，包括工业、商业和居民用电；“储”为储能系统，如电化学储能或抽水蓄能，能够有效缓解能源供需的不匹配与高峰负荷压力。 本白皮书的编写，旨在分享在新型能源体系的大背景下，低压直流配电如何更好支持能源转型智能化、绿色化。 同时，作为低压直流开关设备与技术的引领者，西门子始终关注行业应用场景中的发展现状，当前面临的机遇与挑战，跟踪直流配电的发展趋势，研究低压直流配电新技术。借鉴西门子在技术研发，产品创新，标准制定及商业模式搭建的实践经验，提出参考思路与前瞻性建议。 通过“源网荷储”一体化协调，能源系统能够实现多能互补、动态调节、优化控制以及能源的低碳转型。尤其在新能源占比逐步提升的背景下，源端发电具有波动性和不确定性，储能在调节电网峰谷、提升系统稳定性方面发挥关键作用。进一步地，面向未来能源互联网，源网荷储的深度融合将有效支撑分布式能源发展、构建弹性电网，并推动碳减排与能源结构优化，对实现碳中和目标具有重大意义。 第二章 国内针对低压直流的标准应用近年来不断扩充，形成了较为完善的配电规范系统：部分标准逐步补充智能化、在线监测、寿命预测、远程监控等新指标，同时针对新能源、数据中心等新型应用场景进行拓展修订。 探索与挑战：直流配电技术标准 2.1 直流标准及发展现状综述 直流相关的技术标准（表 1）涵盖高压直流输电，中低压配电应用领域，涉及电力 , 机械，通信 , 新能源，建筑楼宇 ,交通等细分行业。从标准类型上来看，有团体标准，行业标准，国家标准，以及国际标准。 相较于交流系统，人们通常认为直流供配电设备的需求量较小，行业应用前景不好，加之产品开发、研制、试验费用相对较高，投入产出不高，因此直流配电产品在过去一段时间发展较为缓慢，市场需求也不大，其相关产品标准更新也比较慢，未形成完善的标准体系。 为了统一技术规范，保障用电与设备安全，消除国际贸易技术壁垒，我国等同采用或修改采用绝大部分 IEC 标准。比如低压元件的产品标准 GB/T 14048.2-2020 修改采用 IEC 60947-2：2019，低压成套标准 GB/T 7251.2 等同采用IEC 61439-2:2020。 近年来，随着大功率半导体器件和电网控制技术不断进步，直流电力系统在世界范围内得到快速发展，尤其是以中国为代表的高压直流输电的成功实践以及能源转型过程中新能源发电设备（风电、光伏等）日趋成熟的整流逆变技术，使得直流配电产品得到了大范围的市场应用，电压等级覆盖低中高压，供电容量也不断获得提升。 低压直流配电系列标准一般包括总则及各类产品标准，在现有交流标准体系框架下整合直流相关的性能要求及试验方法，包括介电性能、临界直流负载、时间常数、电磁兼容等等，也有部分标准专为直流系统量身定制，比如 GB/T10963.3-2025（电气附件 家用及类似场所用过电流保护断路器 第 3 部分：用于直流的断路器）。 因此，直流配电技术相关产品标准、行业规范应运而生，并得到了进一步发展，各个技术委员会也在逐步完善直流配电相关领域的标准体系，包括绝缘配合、上下级选择性保护、电磁兼容性、半导体断路器等。 同时在直流开断技术全球竞争的格局下，固态断路器（半导体断路器）产品及相关的标准也在三大主要经济体中美欧之间如雨后春笋般陆续开发出来。北美 UL 489I 于 2022 年率先进行固态断路器标准的预研，2025 年正式发布，我国于 2024 年发布了团体标准 T/CEEIA 782-2024，由西门子牵头制定并经全球协调的 IEC 60947-10：2026 已于2026 年 05 月正式发布。半导体（固态）断路器正以前所未有的开发力度及上市速度逐渐进入公众视野。 低压直流系统委员会 IEC SyC LVDC 发布了基于 IEC 路线平台的标准路线图草案。旨在探索低压直流的标准化需求，并为 IEC 内外的技术委员会 (TC) 和其他标准开发小组提供总体系统级的支持和指导。见图 1。 标准在发展，技术在进步，即便如此，我们也必须清醒地认识到，截至目前，低压直流系统有关系统标称电压的全球协调仍然面临着挑战。 对于任一用电设备来说，额定电压对于产品的设计和使用来说都至关重要。 在 GB/T 156-2017《标准电压》的表 2 中给出了直流低于 1500V 的设备额定电压优选值。 GB/T 156-2017 修改采用国际标准 IEC 60038:2009《IEC standard voltages》，目前 IEC 60038 正在进行修订，其中关于低压直流设备电压范围由 DC 750V 扩展到 DC 1500V，新增了相应的电压推荐值。 GB/T 35727-2017《低压直流配电电压导则》中的表 2 规定了低压直流配电系统的标称电压推荐值。 在中电联直流配电系统标委会发布的 CES 团体标准《低压直流配电电压等级》征求意见稿中，表 2 给出了直流配电系统的标称电压，基本上涵盖了国内现在常见的电压情况。上述推荐值汇总如下表所示。 结合上述各标准中的不同要求以及市场应用来看，短期内很难统一不同市场要求的标称电压水平。 设计人员在设计产品时，还需要综合考虑欧洲、美国以及中国市场的不同需求，考虑定制化或者协同覆盖直流产品的额定电压，平衡技术要求以及产品成本。 2.3 直流应用面临的核心挑战 2.2 低压直流在下一代基础设施的设计规划 传统电力系统长期以来一直以交流电（AC）为主，这是由于其高效的电压变换能力以及适合远距离输电的特性收益所致。 直流系统的转变，既带来了机遇，也面临着挑战。 在短期内，从交流系统改换为直流系统需要大量的前期投资，包括对现有交流基础设施的改造或替换，以及新标准和保护技术的开发。 如开篇所述，随着现代能源系统的发展，直流电（DC）尤其在低压侧正在逐渐兴起。 这一变化主要受到可再生能源、储能系统、以及以直流为基础的负载（如数据中心、电动汽车和电力电子设备）日益增多的推动影响。 标准体系碎片化 受制于直流市场应用的发展限制，直流相关的系统标准、产品标准、应用