［摘 要］文章以某煤礦數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電設(shè)計(jì)為例，探討了模塊化供電方式在實(shí)際應(yīng)用中的背景、設(shè)計(jì)內(nèi)容及優(yōu)勢(shì)。研究表明，模塊化供電方式不僅確保了煤礦數(shù)據(jù)中心機(jī)房的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還有效解決了位置偏僻、供電質(zhì)量低等問(wèn)題。

［關(guān)鍵詞］模塊化；數(shù)據(jù)機(jī)房；供電設(shè)計(jì)

［中圖分類(lèi)號(hào)］TP308 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）04–0076–03

1 模塊化數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電優(yōu)勢(shì)

模塊化數(shù)據(jù)中心具有靈活、易擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)。采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，電力供應(yīng)系統(tǒng)能夠快速布署，高效運(yùn)行，便于維護(hù)，為企業(yè)帶來(lái)更大的商業(yè)發(fā)展機(jī)遇。

（1）模塊化供電網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)預(yù)整合、預(yù)測(cè)試來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的復(fù)雜度，降低建設(shè)周期，提高新建數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行速度。此外，當(dāng)電力消耗不斷上升時(shí)，只需加入更多的電源模組，就能擴(kuò)大供應(yīng)容量，而不必重新構(gòu)建整體的電源架構(gòu)。

（2）模塊化電源一般采用先進(jìn)、有效的電源變換技術(shù)，以提高能量利用效率，降低能量浪費(fèi)。這樣既可以減少能耗，又可以減少環(huán)境污染。

（3）模塊化的設(shè)計(jì)使得供電系統(tǒng)可以方便地對(duì)某一種功率模塊進(jìn)行維修或更換，與常規(guī)供電方式相比，降低了維修風(fēng)險(xiǎn)，縮短了數(shù)據(jù)中心的停工期。且模塊化供電方式按實(shí)際需要進(jìn)行供電，既可以避免過(guò)多的投入，又可以最大限度地優(yōu)化維修費(fèi)用，具有明顯的性價(jià)比。

（4）在軟件模塊化設(shè)計(jì)中，要考慮冗余因素，提高系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)某個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，其他模塊仍能正常運(yùn)行，從而保證了數(shù)據(jù)中心的持續(xù)供電。

總體來(lái)說(shuō)，模塊化數(shù)據(jù)中心機(jī)房具有更大的靈活性，電源供應(yīng)系統(tǒng)可以根據(jù)不同的環(huán)境情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，以更好地滿足不斷變化的布署需求。

2 案例分析

2.1 背景簡(jiǎn)介

煤礦數(shù)據(jù)中心機(jī)房是煤礦安全的指揮中樞，與普通的信息室不同，其有完整的調(diào)度指揮系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因?yàn)槊旱V所處的位置通常比較偏僻，所以供電質(zhì)量比較低，再加上煤礦的生產(chǎn)設(shè)備比較多，部分功率比較大的設(shè)備的啟動(dòng)和關(guān)閉，都會(huì)造成供電系統(tǒng)較大的電壓波動(dòng)。因此，調(diào)度供電系統(tǒng)主要由干線供電（包括雙回路供電）、恒壓供電系統(tǒng)、 UPS 系統(tǒng)和后端的配電系統(tǒng)組成，以確保數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備的安全性。干線供電系統(tǒng)采用雙回路設(shè)計(jì)，確保一條線路故障時(shí)，另一條能立即接管，保障供電連續(xù)性，降低潛在風(fēng)險(xiǎn)。恒壓供電系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整電壓輸出，確保設(shè)備在穩(wěn)定電壓環(huán)境下運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。UPS 系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心提供緊急電力支持，在市電中斷或不穩(wěn)定時(shí)，迅速切換至電池供電，確保設(shè)備正常運(yùn)行，為管理員提供故障排查時(shí)間。后端配電系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備需求合理分配電力，確保供電均衡高效，同時(shí)提供過(guò)載和短路保護(hù)，防止設(shè)備損壞和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)機(jī)房規(guī)模龐大、用電負(fù)荷大的特點(diǎn)，采用模塊化UPS雙總線供電方式，以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性與容錯(cuò)性。

2.2 模塊化數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電設(shè)計(jì)

模塊化數(shù)據(jù)中心通過(guò)對(duì)核心部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，使其能夠根據(jù)需要進(jìn)行快速擴(kuò)充和配置。對(duì)于模組化的資料中心而言，電源設(shè)計(jì)是保證模組化資料中心連續(xù)可靠運(yùn)作的重要因素。某煤礦模塊化數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電設(shè)計(jì)如圖1 所示。

2.2.1 電源容量

在該礦模塊化數(shù)據(jù)中心機(jī)房中，每個(gè)模塊化UPS系統(tǒng)都擁有精心設(shè)計(jì)的電池組和逆變器，這些核心部件的布置和功能，為整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（1）從電池組布局上看，各UPS 組件均配備有獨(dú)立的電池組，以儲(chǔ)存電能或當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或不穩(wěn)定時(shí)作為應(yīng)急備用。這就意味著，當(dāng)發(fā)生停電時(shí)，模塊化數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)的重要設(shè)備仍可依賴于此，以保證數(shù)據(jù)資產(chǎn)的安全性與可靠性。這些電池組都是經(jīng)過(guò)仔細(xì)挑選和配置的，具有充足的能量和較快的充電速率，既能滿足對(duì)后備電源的需求，又能在電網(wǎng)恢復(fù)正常供電之后，為下次應(yīng)急救援做好準(zhǔn)備。

（2）在逆變器配置方面，各模塊UPS 均配置1 臺(tái)獨(dú)立的逆變電源。逆變器是將蓄電池中儲(chǔ)存的直流電能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的交流電能的核心部件。這一重要特性保證了該裝置在斷電時(shí)仍可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，可防止因功率不足而造成的服務(wù)中斷及資料遺失。本項(xiàng)目擬通過(guò)對(duì)逆變器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其輸出的交流電能既能滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)電能品質(zhì)及穩(wěn)定運(yùn)行的要求，又能保障其在任意時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定供電。通過(guò)合理的配置，使UPS系統(tǒng)具有較強(qiáng)的獨(dú)立供電能力，可以在電網(wǎng)發(fā)生故障或其他電源波動(dòng)時(shí)，快速可靠地向UPS提供后備電源。通過(guò)本項(xiàng)目的研究，可以有效保障模塊化數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)營(yíng)，減少電源失效對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響，保證模塊化數(shù)據(jù)中心的安全性和完整性。

2.2.2 電源質(zhì)量

UPS 作為一種重要的供電方式，可以在電網(wǎng)停電或者電壓波動(dòng)的情況下，為設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供快速供電。UPS 是由蓄電池、靜態(tài)開(kāi)關(guān)、逆變裝置等構(gòu)成的系統(tǒng)，在監(jiān)測(cè)到電網(wǎng)斷電后，將自動(dòng)切換到后備電源，從而使整個(gè)模塊化數(shù)據(jù)中心的設(shè)備能夠正常工作。不間斷電源的設(shè)計(jì)與備份性能直接影響著整個(gè)模塊化數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定與設(shè)備安全，必須根據(jù)具體的應(yīng)用需求，對(duì)其進(jìn)行合理規(guī)劃與配置。UPS 的配電回路（每個(gè)配電開(kāi)關(guān)有一個(gè)回路）要按照不同的分布設(shè)置，如微型計(jì)算機(jī)、伺服器要有1 個(gè)獨(dú)立的雙回路供電，其他計(jì)算機(jī)則是一條帶3～4 個(gè)插座的回路，并且固定在地上。將UPS的電源單獨(dú)輸送至主機(jī)房的配電箱（終端），具有可靠性高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

該機(jī)房將電力需求劃分為兩個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，即A區(qū)和B 區(qū)，每個(gè)區(qū)域配備1 個(gè)模塊化UPS 供電系統(tǒng)。每個(gè)模塊化不間斷電源系統(tǒng)都是由多個(gè)組件構(gòu)成，每個(gè)組件都具有獨(dú)立的電池、逆變器，保證了電源的穩(wěn)定，避免了故障的發(fā)生。并在此基礎(chǔ)上，利用功率開(kāi)關(guān)設(shè)備對(duì)兩個(gè)分區(qū)進(jìn)行冗余切換，達(dá)到雙路供電的保護(hù)機(jī)理。在機(jī)房?jī)?nèi)，每個(gè)模組化的不間斷電源系統(tǒng)都經(jīng)過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)，以應(yīng)付電源變動(dòng)及意外事故。每個(gè)模組中都含有1 個(gè)單獨(dú)的電池組，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，可以為系統(tǒng)提供持續(xù)、穩(wěn)定的后備電源。另外，每個(gè)模組均裝有1 個(gè)反相器，用以將儲(chǔ)存于蓄電池之直流電轉(zhuǎn)為交流電，以供伺服器與網(wǎng)路裝置用電。在正常情況下，兩套UPS 并聯(lián)工作，以保證模塊化數(shù)據(jù)中心機(jī)房的供電可靠性。但是，當(dāng)其中一個(gè)組件出現(xiàn)故障時(shí)，另外一個(gè)組件會(huì)自動(dòng)承擔(dān)全部的負(fù)荷，從而保證系統(tǒng)的連續(xù)性，從而防止系統(tǒng)出現(xiàn)停電。同時(shí)，采用雙總線供電方式和功率開(kāi)關(guān)設(shè)備，提高了供電系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)某一地區(qū)的不間斷電源出現(xiàn)故障時(shí)，其他地區(qū)的不間斷電源可以進(jìn)行無(wú)縫供電，從而保證了數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2.3 分布式電源供應(yīng)

分布式供能是將供能部件與用電設(shè)備保持一定距離的供電模式。在傳統(tǒng)的集中式供電模式下，電力必須由1 個(gè)中心點(diǎn)向各用電設(shè)備傳輸，易損耗電能，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。

針對(duì)現(xiàn)有供電模式存在的不足，本項(xiàng)目提出分布式供能方案，通過(guò)將供能單元設(shè)置在用戶附近，從而縮短電能傳輸路徑，降低電能損耗，降低電能損耗，提升能量傳輸?shù)目煽啃浴Ｆ渲?，配電網(wǎng)單元（PDU）起著至關(guān)重要的作用。PDU 是集電源管理、功率測(cè)試、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制于一體的配電裝置。采用PDU 技術(shù)，可將電能直接送至用電設(shè)備，縮短了傳輸距離，減少了能量消耗，減少了線路阻抗損失。利用分布式供電方式，可以有效地提高輸電效率，減少輸電線路的損耗。另外，由于采用了短距離供電方式，可以減小供電電壓的畸變，提高供電品質(zhì)和穩(wěn)定度，減少電氣設(shè)備的損傷。

另外，每個(gè)PDU 均具有遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制的功能，因此能夠?qū)Ω鳈C(jī)柜的功率消耗、電壓、頻率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而能夠及時(shí)地對(duì)各機(jī)柜進(jìn)行故障診斷與維修，有助于實(shí)時(shí)把握各機(jī)柜的功率消耗狀況，適時(shí)進(jìn)行功率調(diào)配，提升能效，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。另外，在故障維修中，分布式供電策略能為用戶提供精確的電力消耗及故障診斷信息，有助于迅速定位故障點(diǎn)，縮短停電周期。

2.2.4 并行運(yùn)行與容錯(cuò)能力

正常情況下，2 套不間斷電源并聯(lián)運(yùn)行，可保證模塊化數(shù)據(jù)中心機(jī)房的供電。并聯(lián)運(yùn)行的設(shè)計(jì)確保了電源系統(tǒng)既能適應(yīng)大功率裝置的需要，又能使負(fù)荷分布均勻，不會(huì)出現(xiàn)單機(jī)負(fù)荷過(guò)大的問(wèn)題。同時(shí)，模塊化的設(shè)計(jì)使得計(jì)算機(jī)室可以根據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展增加附加的UPS 模塊，從而提高系統(tǒng)的處理能力，提高系統(tǒng)的冗余性。但是，即便是平行運(yùn)作，當(dāng)某個(gè)模組失效時(shí)，另外一個(gè)模組仍可自動(dòng)承擔(dān)全部負(fù)荷。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)電源品質(zhì)及模塊的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)對(duì)故障模塊進(jìn)行隔離，同時(shí)備份開(kāi)關(guān)設(shè)備能及時(shí)將負(fù)荷轉(zhuǎn)移至運(yùn)行中的模塊。該方案可保證電力供應(yīng)的持續(xù)穩(wěn)定，并可降低單一模組失效所造成的業(yè)務(wù)中斷及資料遺失之危險(xiǎn)。同時(shí)，模塊化雙總線供電方式也使整個(gè)系統(tǒng)具備了很好的彈性和可擴(kuò)充性，可以滿足各種數(shù)據(jù)中心的需要，并能滿足各種負(fù)荷的需要。在此基礎(chǔ)上，可依據(jù)特定的機(jī)房負(fù)荷狀況，增減模組數(shù)目，以達(dá)到所需的電源容量。這一柔性設(shè)計(jì)有助于數(shù)據(jù)中心更好地適應(yīng)日益增加的能量需求，同時(shí)也保證了電力供應(yīng)系統(tǒng)的容量和備用容量能夠滿足實(shí)際需要。

3 結(jié)束語(yǔ)

模塊化數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)憑借其靈活易擴(kuò)展、降低建設(shè)復(fù)雜度、提高能量利用效率及系統(tǒng)可靠性高等顯著優(yōu)勢(shì)，在煤礦數(shù)據(jù)中心機(jī)房等關(guān)鍵設(shè)施中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過(guò)模塊化UPS 系統(tǒng)、雙總線供電、分布式電源供應(yīng)等創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不僅確保了數(shù)據(jù)中心機(jī)房的穩(wěn)定運(yùn)行，也為企業(yè)的數(shù)據(jù)安全提供了堅(jiān)實(shí)保障。模塊化供電方式的成功應(yīng)用，不僅展現(xiàn)了現(xiàn)代供電技術(shù)的先進(jìn)性，也為未來(lái)數(shù)據(jù)中心的發(fā)展提供了重要借鑒。

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