數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)可靠度計(jì)算與分析

[謝擁華]

1 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)概述

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)信息化水平的不斷提高，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了高速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年，中國(guó)IDC業(yè)務(wù)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了1562.5億元，居世界第二位，同比增長(zhǎng)27.2%。而隨著5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等信息技術(shù)逐漸應(yīng)用于社會(huì)各行業(yè)領(lǐng)域，全社會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)中心的需求將進(jìn)一步增大。2020年突如其來(lái)的新冠疫情，也迫使全社會(huì)采用科技防疫、遠(yuǎn)程辦公、遠(yuǎn)程教育、網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物等，培育了大量的新興客戶需求，必將帶動(dòng)IDC市場(chǎng)業(yè)務(wù)持續(xù)增長(zhǎng)。

數(shù)據(jù)中心在社會(huì)中的地位越來(lái)越重要，而數(shù)據(jù)中心要想穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，作為其基礎(chǔ)設(shè)施的供電系統(tǒng)，其可靠性非常關(guān)鍵。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，A級(jí)數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施宜按容錯(cuò)系統(tǒng)配置。所謂容錯(cuò)，是指具有兩套或兩套以上系統(tǒng)，在同一時(shí)刻，至少有一套系統(tǒng)在正常工作。按容錯(cuò)系統(tǒng)配置的基礎(chǔ)設(shè)施，在經(jīng)受住一次嚴(yán)重的突發(fā)設(shè)備故障或人為操作失誤后，仍能滿足電子信息設(shè)備正常運(yùn)行的基本需求。

毫無(wú)疑問(wèn)，采用容錯(cuò)配置，可以提高系統(tǒng)可靠性。那如何評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的整體可靠性呢？我們知道，數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)一般包括高壓配電、變壓器、低壓配電、柴油發(fā)電機(jī)組、交流不間斷電源（UPS）、蓄電池組、列頭柜配電設(shè)備等。系統(tǒng)的總體可靠性與上述各設(shè)備的可靠性息息相關(guān)，也與各設(shè)備之間的連接關(guān)系有關(guān)。

2 可靠度指標(biāo)與模型

2.1 可靠性定義及指標(biāo)

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，可以用一些定量的特征量指標(biāo)來(lái)表征系統(tǒng)的可靠性，實(shí)際中常用的指標(biāo)主要有平均故障間隔時(shí)間（MTBF）和可靠度。

（1）平均故障間隔時(shí)間（MTBF）

平均故障間隔時(shí)間是指可修復(fù)產(chǎn)品的兩次故障間工作時(shí)間的平均值。在YD/T 1051-2018 《通信局（站）電源系統(tǒng)總技術(shù)要求》和各種通信電源設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)大部分常用通信電源設(shè)備的MTBF值提出了明確的要求，如表1所示。

表1 常見通信電源設(shè)備的可靠性要求

（2）可靠度R（t）

可靠度是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間（或操作次數(shù)）內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。可靠度是時(shí)間的函數(shù)，一般用R（t）表示。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，可靠度是多次試驗(yàn)中該事件發(fā)生的頻率估計(jì)，是可靠性理論最基本的一個(gè)指標(biāo)。

電氣產(chǎn)品的失效分布類型一般為單參數(shù)指數(shù)分布。

典型指數(shù)分布類型的可靠度函數(shù)R（t）為：

從公式（1），可以看出：

（a）、設(shè)備的可靠度隨著MTBF的提高而增大。

（b）、在MTBF不變的前提下，可靠度會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而呈指數(shù)下降，因此，在設(shè)備運(yùn)行的后期應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)力度。

為便于對(duì)比分析，本文統(tǒng)一取1年時(shí)的可靠度進(jìn)行計(jì)算，即t=8760 h。例如，通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 585-2010《通信用配電設(shè)備》中規(guī)定，交流配電設(shè)備的MTBF≥105 h，則交流配電屏在1年時(shí)的可靠度為：R（8760 h）=91.61%。

另外，大型數(shù)據(jù)中心的市電一般為一類市電，有兩路10 kV高壓引入，任何一路高壓市電均可以滿足機(jī)房所有負(fù)荷的容量要求。根據(jù)YD/T 1051-2018《通信局（站）電源系統(tǒng)總技術(shù)要求》的規(guī)定，一類市電的可靠度取值為99.96%。

2.2 基本的可靠性分析模型

根據(jù)設(shè)備間的邏輯關(guān)系，可靠性模型可以分成3種基本類型：串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)、混合系統(tǒng)。其中，混合系統(tǒng)可以最終分解成串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)。

（1）串聯(lián)系統(tǒng)

假定一個(gè)系統(tǒng)由n個(gè)設(shè)備組成，只要有一個(gè)設(shè)備故障，系統(tǒng)就故障，我們則稱之為串聯(lián)系統(tǒng)。串聯(lián)系統(tǒng)可表示為：A1∩A2∩……∩An。如圖1所示。

圖1 串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖

顯然，串聯(lián)系統(tǒng)的總可靠度Rs（t）為：

由于任一設(shè)備的可靠度均小于1，所以串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度小于任一組件的可靠度，而且串聯(lián)的設(shè)備越多，系統(tǒng)總可靠度越低，因此，通過(guò)簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減少串聯(lián)級(jí)數(shù)，可減少單點(diǎn)故障點(diǎn)，從而有效提高系統(tǒng)可靠度。

在串聯(lián)系統(tǒng)中，增加原可靠度最低設(shè)備的可靠度，對(duì)系統(tǒng)可靠度的改善最明顯。

（2）并聯(lián)系統(tǒng)

假定一個(gè)系統(tǒng)由n個(gè)設(shè)備組成，只要有一個(gè)設(shè)備正常，系統(tǒng)就正常，稱之為并聯(lián)系統(tǒng)，并聯(lián)系統(tǒng)可表示為：A1∪A2∪……∪An。如圖2所示。

圖2 并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖

可以推導(dǎo)出，并聯(lián)系統(tǒng)的總可靠度Rs（t）和MTBFs為：

（3）混合系統(tǒng)

實(shí)際的系統(tǒng)通常是由并聯(lián)系統(tǒng)和串聯(lián)系統(tǒng)組合成的混合系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 混合系統(tǒng)的可靠性框圖

在分析中，可以將圖3中的系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)化框圖1

圖5 簡(jiǎn)化框圖2

通過(guò)上述方法，一般總可以將一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)或并聯(lián)系統(tǒng)，再根據(jù)前面的公式就可推導(dǎo)出其總可靠度。

3 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)可靠度計(jì)算

3.1 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)典型方案（一）

當(dāng)前，中大型數(shù)據(jù)中心幾乎均按A級(jí)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)建設(shè)，根據(jù)規(guī)范要求，A級(jí)數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)應(yīng)滿足容錯(cuò)要求，典型的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)典型方案（一）

圖6中，市電為一類市電，有兩路10 kV高壓引入，任何一路高壓市電均可以滿足機(jī)房所有負(fù)荷的容量要求，如前文所述，其可靠度根據(jù)行業(yè)規(guī)范取值為99.96%。

柴油發(fā)電機(jī)組為低壓380 V柴油發(fā)電機(jī)組，其每年運(yùn)行時(shí)間為市電停電的時(shí)間。根據(jù)YD/T 1051-2018《通信局（站）電源系統(tǒng)總技術(shù)要求》的規(guī)定，其每年運(yùn)行時(shí)間為0.74次×3.37 h=2.49 h，而柴油發(fā)電機(jī)組的MTBF為800 h。即在可靠度計(jì)算時(shí)，t取2.49 h,MTBF取800 h。

UPS為供電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，大型數(shù)據(jù)中心的UPS系統(tǒng)一般采用2 N雙總線供電方式，即2套，每套為3臺(tái)400 kVA或500 kVA的高頻UPS并聯(lián)組成，提供1 200 kVA或1 500 kVA的總?cè)萘?，注意，要達(dá)到該總?cè)萘?，必?臺(tái)UPS都正常運(yùn)行，所以，在可靠度計(jì)算時(shí)，3臺(tái)UPS應(yīng)按串聯(lián)系統(tǒng)計(jì)算。每臺(tái)UPS按配置1組480 V的蓄電池組考慮，該組蓄電池與UPS的整流器部分屬于并聯(lián)關(guān)系，而480 V蓄電池組的可靠性可以按10組48 V蓄電池組串聯(lián)計(jì)算得出。UPS的整流器參照通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 731-2018《通信用48 V整流器》的規(guī)定，可靠性MTBF≥105h，UPS的逆變器參照通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 777-2006《通信用逆變?cè)O(shè)備》的規(guī)定，可靠性MTBF≥105h。

將供電系統(tǒng)方案方框圖繪制成可靠性分析模型，如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)典型方案（一）可靠性分析模型

根據(jù)表1中各設(shè)備的可靠性要求，可以計(jì)算出上述典型方案的總可靠度，如表2所示。

表2 典型方案(一)的可靠度

從表2中，可以看出，可靠度最低的環(huán)節(jié)在于UPS的逆變器。

3.2 采用高壓油機(jī)的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)

當(dāng)前，有很多數(shù)據(jù)中心采用了10 kV高壓柴油發(fā)電機(jī)組，供電系統(tǒng)框圖如圖8所示。

圖8的方案（二）和方案（一）相比，除了采用了高壓油機(jī)，其余方案完全一樣。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，系統(tǒng)可靠性如表3所示。

圖8 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)典型方案（二）

由表3可以看出，系統(tǒng)總可靠度有所下降。可見，雖然高壓油機(jī)和低壓油機(jī)都是并聯(lián)在供電系統(tǒng)中，且高壓油機(jī)的可靠度和低壓油機(jī)的可靠度數(shù)值相同，但由于低壓油機(jī)更靠近用電設(shè)備，其對(duì)系統(tǒng)總可靠度的提升作用更大。

表3 典型方案(二)的可靠度

3.3 采用1路市電+1路UPS混合供電方式

出于節(jié)約投資和節(jié)能的考慮，采用1路市電+1路UPS的供電方式也應(yīng)用得越來(lái)越多。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，采用這種方式，需要UPS為N+1并聯(lián)冗余運(yùn)行方式。供電系統(tǒng)方案圖如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)典型方案（三）

圖9中，供電系統(tǒng)采用低壓油機(jī)，UPS系統(tǒng)為3臺(tái)UPS組成2+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)，即3臺(tái)UPS中只需要2臺(tái)UPS運(yùn)行正常，在進(jìn)行可靠度計(jì)計(jì)算時(shí)，3臺(tái)整流器和3臺(tái)逆變器均為只需要2臺(tái)正常運(yùn)行即可。

可靠度計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 典型方案(三)的可靠度

從表4可以看出，由于UPS系統(tǒng)為2+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)，其自身的可靠度有了很大的提高，同時(shí)帶了整體可靠度的提高，系統(tǒng)總可靠度達(dá)96.51%。

和表2相比，通過(guò)對(duì)UPS設(shè)備進(jìn)行并聯(lián)冗余，原可靠度最低的UPS逆變器的可靠度得到了大幅的提高，這也大大地提高了系統(tǒng)的總可靠度。

3.4 采用1路市電+1路高壓直流的混合供電方式

高壓直流系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用越來(lái)越多，也是數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的常見方案，一般來(lái)說(shuō)，會(huì)采用1路市電+1路高壓直流的方案。供電系統(tǒng)方案圖如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)典型方案（四）

圖10中，供電系統(tǒng)采用低壓油機(jī)，高壓直流電源配置2組240 V的蓄電池組。系統(tǒng)可靠度計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 典型方案(四)的可靠度

從表5可以看出，系統(tǒng)總可靠度提升至了98.33%，提升的主要原因是高壓直流電源在直流輸出屏并聯(lián)了2組蓄電池組，且該兩組蓄電池已經(jīng)非常接近用電設(shè)備，因此，大大提升了系統(tǒng)可靠性。

4 結(jié)論

綜上所述，根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)中心中常見的各種供電方案進(jìn)行的可靠度計(jì)算，經(jīng)過(guò)分析，我們可以得出如下結(jié)論。

（1）柴油發(fā)電機(jī)組作為一種后備電源，它與市電供電形成并聯(lián)關(guān)系，可以提高系統(tǒng)可靠性。

（2）低壓柴油發(fā)電機(jī)組相對(duì)于高壓柴油發(fā)電機(jī)組更靠近用電設(shè)備，因此，采用低壓發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)總可靠性更高。

（3）采用混合供電方式，其中1路為市電供電，由于供電環(huán)節(jié)減少，減少了單點(diǎn)故障點(diǎn)，故可以提升系統(tǒng)總可靠度。

（4）采用1路市電+1路N+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)供電方式時(shí)，N+1并聯(lián)冗余提升了逆變器的可靠度，相對(duì)于采用2N UPS供電方式，系統(tǒng)的總可靠性更高。

（5）采用高壓直流供電方式，由于有兩組蓄電池并聯(lián)在直流輸出端，且十分接近用電設(shè)備，極大地提升了系統(tǒng)可靠性。