趙燕河

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)方案簡(jiǎn)述

趙燕河

（漳州科華技術(shù)有限責(zé)任公司，福建 漳州 363000）

介紹了數(shù)據(jù)中心分級(jí)、數(shù)據(jù)中心供電電源的技術(shù)要求，并根據(jù)供電系統(tǒng)建設(shè)時(shí)的不同形式，簡(jiǎn)要闡述了數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)方案。

UPS；冗余配電；電源；數(shù)據(jù)中心

在數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)中，配置不間斷電源的目的是防止因市電停電或市電異常造成計(jì)算機(jī)設(shè)備、通信設(shè)備等負(fù)載設(shè)備的停機(jī)或發(fā)生誤動(dòng)作，避免數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)因掉電或供電異常而造成無(wú)法預(yù)估的損失。不間斷電源UPS是數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)不間斷供電的重要保障，將直接影響數(shù)據(jù)中心的可靠性；另外，數(shù)據(jù)中心中UPS的損耗較大，所以，降低能耗并提高可靠性已成為數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向。不同客戶對(duì)微模塊數(shù)據(jù)中心供配電方案的需求不同，數(shù)據(jù)中心供應(yīng)商需要對(duì)供配電方式有正確的認(rèn)識(shí)和靈活運(yùn)用。

1　數(shù)據(jù)中心機(jī)房分級(jí)

據(jù)國(guó)標(biāo)GB 50174標(biāo)準(zhǔn)要求，電子信息系統(tǒng)機(jī)房應(yīng)劃分為 A、B、C三個(gè)等級(jí)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮機(jī)房使用性質(zhì)、管理需求及其在社會(huì)與經(jīng)濟(jì)中的重要性來(lái)定義所屬級(jí)別。

A級(jí)機(jī)房定義：電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失或公共場(chǎng)所秩序嚴(yán)重混亂。

B級(jí)機(jī)房定義：電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷將造成較大的經(jīng)濟(jì)損失或公共場(chǎng)所秩序混亂。

C級(jí)機(jī)房定義：保證電子信息系統(tǒng)不間斷運(yùn)行。

GB 50174—2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)TIA—942《數(shù)據(jù)中心的電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》中，數(shù)據(jù)中心機(jī)房分級(jí)如表1所示。

2　供配電方案

2.1 N系統(tǒng)

N系統(tǒng)滿足基本需求，沒(méi)有冗余UPS設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)為系統(tǒng)簡(jiǎn)單，硬件配置成本低廉；UPS工作為滿負(fù)荷，因此效率較高；其缺點(diǎn)是可用性低，當(dāng)UPS發(fā)生故障，負(fù)載將轉(zhuǎn)換到旁路供電，無(wú)保護(hù)電源；在UPS、電池等設(shè)備維護(hù)期間，負(fù)載處于無(wú)保護(hù)電源狀態(tài)；存在多個(gè)單故障點(diǎn)。N系統(tǒng)基本原理如圖1所示。

表1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求

GB 50174—2008分級(jí)A級(jí)B級(jí)C級(jí) TIA—942分級(jí)Tier 4Tier 3Tier 2Tier 1 系統(tǒng)性能雙系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行雙系統(tǒng)一用一備單系統(tǒng)冗余配置單系統(tǒng)基本配置 供電電源2個(gè)電源供電2個(gè)電源供電2個(gè)電源供電2回電源供電 變壓器冗余M（1+1）M（1+1）M（1+1）N UPS冗余及時(shí)間2N，30 minN+1，30 minN+1，30 minN，15 min 柴油發(fā)電機(jī)冗余及儲(chǔ)油量N+1，96 hN+1，72 hN，24 hN，8 h 機(jī)房專用空調(diào)冗余2NN+XN+1N

圖1 N系統(tǒng)基本原理圖

2.2 N+X系統(tǒng)

相對(duì)于“N”系統(tǒng)，“N+X”系統(tǒng)在UPS配置上有了一定冗余，系統(tǒng)可靠性有所提高，同時(shí)帶來(lái)了系統(tǒng)配置成本增加、系統(tǒng)負(fù)荷率的降低以及效率降低。N+X系統(tǒng)穩(wěn)定且成本提升不大，因此在數(shù)據(jù)中心得到了廣泛應(yīng)用，但是該系統(tǒng)在UPS輸出端仍然存在單故障點(diǎn)，實(shí)際項(xiàng)目中由此造成的系統(tǒng)宕機(jī)屢見(jiàn)不鮮。所以，相應(yīng)出現(xiàn)了一種“市電+U電”的供電架構(gòu)，即在N+X系統(tǒng)基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，UPS設(shè)備配置不變，將服務(wù)器等雙電源設(shè)備中1路改由市電直接供電，消除了單點(diǎn)故障，可靠性較N+1系統(tǒng)大大提高，同時(shí)，UPS系統(tǒng)損耗降低為原先的50%。UPS系統(tǒng)整體效率提升至95%以上。

N+X系統(tǒng)基本原理如圖2所示。

圖2 N+X系統(tǒng)基本原理圖

2.3 2N系統(tǒng)

為了消除單點(diǎn)故障，高等級(jí)（A級(jí)）數(shù)據(jù)中心通常采用2N冗余系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般是由至少2套UPS組成雙路雙電源系統(tǒng)，從前端雙電源輸入到UPS輸出再到IT負(fù)載，整個(gè)電氣回路完全是獨(dú)立隔離的。簡(jiǎn)單而言，任意回路出現(xiàn)單點(diǎn)故障都不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成供電故障，正常運(yùn)行時(shí)，每個(gè)回路承擔(dān)約50%的總負(fù)荷，因?yàn)殡p路雙電源是整個(gè)系統(tǒng)，UPS端其空調(diào)等設(shè)備需要配置雙路電源輸入，整個(gè)系統(tǒng)涉及系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與規(guī)劃。采用2N冗余系統(tǒng)可用性得到明顯提高。2N冗余系統(tǒng)的缺點(diǎn)也非常明顯，即設(shè)備配置多、成本高，通常情況下效率比N+X系統(tǒng)更低。

2N系統(tǒng)的基本原理如圖3所示。

圖3 2N系統(tǒng)的基本原理

2.4 UPS ECO模式

雙轉(zhuǎn)換在線式UPS配置有靜態(tài)旁路，正常情況下負(fù)載由旁路供電，交流輸入中斷后再切換至逆變由電池供電的運(yùn)行模式，被稱為ECO模式，即經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。ECO模式雖然帶來(lái)了效率的提升，但其代價(jià)是IT負(fù)載由市電供電，UPS必須不斷監(jiān)視市電狀態(tài)，并在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題且當(dāng)該問(wèn)題尚未影響負(fù)載時(shí)，迅速切換到逆變器供電，其實(shí)際操作起來(lái)需要承擔(dān)一定的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 HVDC電源系統(tǒng)

目前常用的是240 V高壓直流供電系統(tǒng)，它與傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)換在線式UPS系統(tǒng)的主要區(qū)別是取消了逆變環(huán)節(jié)，其蓄電池掛接在直流母線，與整流器并聯(lián)，同時(shí)為IT設(shè)備供電。由于直流電源拓?fù)浜?jiǎn)單，因此故障率較傳統(tǒng)UPS有所降低；一般都采用模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)。

IT設(shè)備電源模塊的前端一般是橋式整流電路，從原理上分析，輸入由AC220 V替換為DC240 V時(shí)，IT設(shè)備仍然可以正常工作。DC240 V系統(tǒng)浮充電壓為270 V，對(duì)現(xiàn)有IT設(shè)備的兼容性最好，其缺點(diǎn)是配電線路的損耗較大，電源轉(zhuǎn)換效率較低。目前已有數(shù)以十萬(wàn)計(jì)的IT設(shè)備運(yùn)行在DC240 V系統(tǒng)下，其可行性得到較好的實(shí)踐檢驗(yàn)。其效率可以通過(guò)元件的選擇以及采用離線架構(gòu)彌補(bǔ)，將電源與負(fù)荷就近布置也可抵消配電線路的損耗。綜合考慮，240 V HVDC目前是數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的高壓直流電源系統(tǒng)。與雙變換在線式UPS應(yīng)用類似，高壓直流目前也以在線應(yīng)用為主。所謂在線，是指交流電能始終經(jīng)HVDC整流后為IT設(shè)備供電，通常有6%以上的損耗；所謂離線，是指正常情況下市電直供IT設(shè)備，HVDC僅為蓄電池提供浮充，市電中斷后，轉(zhuǎn)由蓄電池供電，在這種架構(gòu)下，正常情況為IT設(shè)備供電的電能不經(jīng)過(guò)HVDC轉(zhuǎn)換，此部分損耗幾乎可以忽略。因此，節(jié)能效果顯著。

3　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可知，選擇的最佳方案為選擇與數(shù)據(jù)中心機(jī)房分級(jí)及各系統(tǒng)業(yè)務(wù)相匹配的供電系統(tǒng)方案。由于UPS設(shè)備本身工作原理復(fù)雜，UPS運(yùn)作中也會(huì)發(fā)生故障，一旦UPS故障，將會(huì)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行造成不良后果。然而，通過(guò)UPS設(shè)備冗余可以提高整個(gè)供配電系統(tǒng)的可靠性，這便有了N、N+X、2N等多種在線式，供配電方案以及 ECO離線式供配電方案。雖電源設(shè)備冗余可以提高數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的可靠性，但它也帶來(lái)了成本和能耗的增加。另外，為了避免傳統(tǒng)UPS設(shè)備故障率高和UPS設(shè)備冗余帶來(lái)的成本、能耗高等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)很多數(shù)據(jù)中心規(guī)模部署了240 V直流電源系統(tǒng)。所以，如何正確應(yīng)用不同的供配電方案，為客戶提供安全、可靠、節(jié)能的綠色電源為首要任務(wù)。

［1］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.50462—2008電子信息系統(tǒng)機(jī)房施工及驗(yàn)收規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

［2］何云暉.數(shù)據(jù)中心微模塊的構(gòu)成和應(yīng)用場(chǎng)景［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2015，6（9）：39-41.

［3］張祥，唐士洲.數(shù)據(jù)中心的微模塊應(yīng)用［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2015，6（9）：35-38.

［4］沈巍，孫海峰.微模塊數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)研究［J］.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2016，29（2）：54-56.

［5］金國(guó)剛，黨倩，祝唯微.可信綠色智能數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)的研究與思考［J］.電力信息與通信技術(shù)，2011，9（3）：85-88.

TP308

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.055

2095－6835（2020）08－0126－02

〔編輯：張思楠〕