2026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

2深入实施能源安全新战略深入实施能源安全新战略，加快构建清洁低碳安全推动绿色电力与算力协同布局。加强全国一体化算推动绿色电力与算力协同布局。加强全国一体化算直流供电系统正逐渐被国际大型数据中心纳入主流直流供电系统正逐渐被国际大型数据中心纳入主流4.1技术沿革与产品类型4.2直流断路器产品特点第五章低压直流配电产品的应用场景第一章未来已来：新型能源结构下的低压配电发展趋势第二章探索与挑战：直流配电技术标准2.1直流标准及发展现状综述2.2低压直流在下一代基础设施的设计规划2.3直流应用面临的核心挑战附录：直流相关标准概述3.1源荷互动，促进电力平衡消纳低碳转型3.2储荷互动，挖掘基础设施回馈电网潜力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、），6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%“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本白皮书的编写本白皮书的编写，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。），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8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标准在发展，技术在进步，即便如此，我们也必须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220(±110)220(±110)350(±175)400440700700(±350)750750(±375)750(±375)1200(±600)1400(±700)1500(±750)1500(±750)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）日另外在交流配电系统中，有许多设备却经常是以直流方式运作的，这就会产生多级电能的转换过程。从而导致能量EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up9(再),光)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up9(生),伏)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up9(能),项)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up9(源),目)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up9(的),可)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up9(高),供)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up9(效),应)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up9(整),直)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up9(合),流)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up8(再),更)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up8(生),轻)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up8(能),松)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up8(源),地)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up8(储),整)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up8(存),合)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up8(的),储)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up8(必),能)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up8(要),系)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up8(性),统)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up12(高),应)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up12(可),对)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up12(用),电)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up12(性),网)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up8(低),更)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up8(的),少)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up8(资),的)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up8(源),铜)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up8(消),供)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up8(耗),应)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up14(高),减)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up14(能),少)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up14(源),交)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up14(效),流)EQ\*jc3\*hps22\o\al(\s\up14(率),电)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，以及新标准现有的产品标准大部分是基于交流电压系统去制定的，由于直流产品的结构及性能要求、试验方法是慢慢迭代开发故障电流上升快，现有标准对设备分断能力、弧后恢复性能的规范不足；中压直流变压器的绝缘协调、损耗评估等现有标准对保护配合、接地方式、故障定位的规范不足；直流微电网与主网并网的切换控制、功率平衡等指标尚未直流系统的绝缘监测、触电防护、电能计量等标准不完善。低压直流（如48V）在户用场景的安全防护规范不足，直流漏电、电弧危害的检测标准缺失；直流电能计量的精度校准、溯源体系尚未统一，导致交易结算与能效评估的尽管存在上述挑战，长期来看，低压直流系统仍然具有强大的发展潜力。相关多个行业已成功实施直流供电系统，包括数据中心，船舶电力系统、电动汽车充电系统、铁路系统以及工业驱动系伴随着可再生能源的扩大和新型能源结构转型的要求提升，以直流为基础的基础设施演进，预计将在建设可持续和），从几个大型电厂转向众多分布式可再生能源，对系统设计是极大挑战，而低压直流系统通过简化控制和提升分布），%%%%新型能源结构转型已成为行业共同认可的发展方向，涵盖发电侧、电网侧、储能侧及用电侧四个核心主体。并在此基础上，分享西门子的探索与实践。源荷互动指的是发电侧与负荷侧之间实现双向协同，旨在促进可再生能源的平衡消纳，主要包括“负荷随源调整”以数据中心为例：•“负荷随源调整”，是指推动有条件的数据中心与清洁能源基地协同规划与建设，从而缓解算力与电力资源在区域分布上的供需矛盾。比如：对于“东数西算”工程而言，东部地区经济发达、人口密集，算力需求强劲，却面临能源短缺和高电价等难题。而西部地区能源丰富、气候适宜，具有发展算力的天然优势，且可再生能源储量丰厚，可为算力提供更加绿色且低成本的资源。但由于西部地区网络带宽相对有限，数据跨省传输费用较高，限制了承接东部算力需求的能力。同时，东部在数据中心产业链上下游具备较强优势，西部的算力基础设施建设规模与产业生态尚待完善，东西部在算电资源上的供需差异显著，因此亟需推动算力与电力行业进行科学、协同的规划。•“电源因荷建设”，算力企业通过自建新能源发电项目，满足自身绿色用能需求。而自建分布式光伏、绿色电力直供等模式，是未来各数据中心企业提升自身竞争力的有效收益手段之一。在传统电网结构下，由于电力同质性，电力来源在传输环节难以在电网侧与用户侧清楚区分。而分布式光伏、绿电直供等模式打破了这一局限，通过直接供应新能源电力，使碳排放核算更加简明清晰，显著展现了新能源对环境的积极影响。作为全国首个数据中心绿电直连源网荷储一体化项目，已于2025年7月正式投产。构建了一个新型电力系统。将能源生产、输送、消费和存储作为一个整体进行智慧调度，构建了“绿色能源供给-智能电网调度-高效算力负载-新型储能系统”的全链条协同体系。开创了“绿电随算力而动”，即“源荷互动”的创新运营方式。“储荷互动”指的是储能侧与负荷侧之间的协同作用，以提升基础设施用电的可靠性与经济性，主要包括：•储能系统可参与电网调峰，借助峰谷电价等市场机制，为诸如数据中心等企业带来经济收益•储能系统作为应急电源，增强基础设施的供电可靠性对于密集型用电企业，完全可探索使用新型储能系统或氢燃料电池替代柴油发电机作为备用电源。国内外，类似的案例正日益丰富，微软瑞典数据中心采用先进电池储能替代柴油发电机7，在该项目中，用大规模电化学储能作为备用电源，不仅保障了数据中心的应急电力需求，还借助储能系统参与电网调峰和频率调节，实现绿色、经济的电力供应。该储能系统还可通过市场机制获得调频收益，提升整体经济效益。此外，谷歌把设在靠近法国边境St.Ghislain的一座数据中心的柴油发电机换成了锂离子电池。中国移动湖南株洲数据中心配套建设90MWh储能站，通过储能系统每日两充两放有效降低用电成本8。可见，这不仅能提供更加绿色高效的应急电力，还可通过参与调峰等辅助服务创造额外收益，实现经济与环境效益的双重提升。中金数据：《人民日报头版：全国首个数据中心绿电直连源网荷储一体化项目投产，生动演绎“新质生产力本身就是绿色生产力”》，“网荷协同”强调电网侧与负荷侧的紧密协作，从而有效提升供配电系统的安全性与可靠性。在技术层面，需不断推进面向用户的高可靠性供配电网设计与相关技术的落地应用，切实保障电力供应的稳定与从系统架构角度来看，用户与电网企业可结合实际需求开展协商，科学制定电力报装模式，通过提前沟通建设计划，引导企业合理确定装机容量。随着能源互联网和虚拟电厂等新型业态的推广，电网技术和产业正加速向数字化、智能化方向发展。在新型电力系统的建设进程中，新能源的大规模接入使电力系统主体更加多元，运行环境愈加复杂，对电网的数字化水平提出了更高要求。因此，需要依托数字化平台赋能电网生产和运营，持续推动数字化应用模式向生成式智能演进升级。源网荷储一体化是指通过整合电源侧、电网侧、负荷侧以及储能侧的各类资源，实现能源之间的合理利用与优化通过整合电力、互联网和储能技术，形成一种新型的能源供应链模式。该模式的核心是通过互联网技术实现能源的智能化管理和优化调度，同时利用物流和储能技术实现能源的高效利用和储存，实现能源的可持续发展9。在应用层面，源网荷储一体化能够结合分布式发电、并网型微电网及充电基础设施等，探索分布式电源与用电负荷灵活充放电协同的运行模式。常规来说，用户以负荷需求为核心，配置新能源发电站，并采用绿电直供方式满足企业能源需求，实现可再生能源的本地消纳。一般由同一主体负责投资、建设与运营，具有投资成本高、建设门槛高的属性。目前，国内正在积极推进“源网荷储”一体化的试点，比如：国家电网张家口可再生能源综风电、光伏等清洁能源为主，通过源网荷储一体化调控平台，实现可再生能源、储能、负荷与区域电网的深度协同，提升了新能源的本地消纳率和电网运行的灵活性。上海临港产业区源网荷储示范工程11利用分布式光伏、集中式储能、电动汽车充换电站等设施，构建了涵盖源（发电）、网（智能配电）的多元一体化能源系统，有效保障区域供电安全，提高新能源消纳能力。“新型能源结构转型”的场景多样化需求日益增长，数字化、智能化正成为重要手段。作为数字化转型的引领者，整合智能配电设备及系统，帮助客户迈向更高效和更低碳的新型电力系统未来。图3：西门子智慧能碳管理平台（SmartECX）系统架构（西门子公司资料）以西门子数控（南京）工厂为例，作为西门子生产数控系统、伺服系统和变频器的复合工厂，一方面，工厂内原有各种生产及用电设备众多，另一方面工厂为了满足国家对能耗、碳排的政策要求新增了大量光伏、储能、充电桩等各种直流设备。面向工业园区这种典型的交直流混合场景，西门子数控（南京）工厂通过部署西门子智慧能碳管理平台（SmartECX）和西门子智能配电设备和系统，运用人工智能等前沿技术帮助工厂实现了用电成本的显著降低以及100%绿电消纳和碳排放降低，达成整体经济效益最优。 54821图4：西门子数控（南京）有限公司源网荷储一体化方案（西门子公司资料）相较于传统的配电管理和能源管理平台，西门子智慧能碳管理平台方案充分考虑配网内引入各种新能源直流设备后带来的用电波动、并网点功率波动、夏冬季节电价变化等因素，借助精准的预测数据与对实时用能的紧密跟踪，构此外，西门子公司所参与建设的北京环球影城供电服务中心营业厅项目，借助储能装置实现绿电就地消纳，以直流等核心技术，介绍了如何助力企业客户实现智能化、绿色化、高可靠、低能耗的运营目标。从设计到运维，从单点如前文所述，直流低压配电系统的保护策略与交流系统存在较大差异。主要难点在于直流电流没有自然过零点，导致开断电弧难以自然熄灭。在部分直流应用场景，系统可供短路能量有限，传统热磁脱扣装置可能无法有效响应，随着能源结构转型加速推进，低压直流配电系统的技术优势和应用特点日益突出，为系统运行的安全性、效率和可常见于光伏、储能等直流应用场景，直流熔断器（快速熔断）和直流隔离开关分别承担了对应的功能，实现了一套），），其中又分为热磁脱扣型和电子脱扣型。在直流塑壳断路器和直流微型断路器中，多见为热磁脱扣型产品，直流框架热磁脱扣型产品依靠物理现象（热效应和磁效应）来驱动机械机构动作，无需外部供电，结构简单且坚固。但区别于交流环节，由于直流电流没有过零点，电弧难以熄灭，因此，直流热磁断路器的磁吹灭弧装置的设计比同规格交而电子脱扣型产品可以通过电流检测以评定是否存在过载、短路、接地或弧闪等故障风险，从而实现精准保护（解决“小电流”难题），在一些特殊的应用中，电子脱扣器的精确设定可实现主动安全。熔断器/微型断路器隔离开关微型断路器接触器塑壳断路器微型断路器接触器塑壳断路器•混合式直流断路器（高容量开断）结合了机械开关（低通态损耗）和固态开关（快速开断）的优点。正常运行时电流走机械旁路，故障时电流瞬间换流至固态支路并切断，最后由机械开关隔离。这种方案解决了单一负载或线路故障可能导致整个直流主网崩溃直流低压电网对于保护设备切换速度有着严格的要求，往往需要在非常短的时间内切断故障电流。在直流系统中，），），当前直流应用电压呈现持续攀升趋势，在保障应用可行性与运行安全性的双重前提下，西门子全直流解决方案具•应对安全保护挑战，构建全维度防护体系高压直流应用伴随的安全风险显著提升，应用场景越严苛、电压等级越高，对保护系统的全面性与灵活性要