互聯網數據中心DR 供配電系統應用

［王洋］

1 DR 架構應用分析

1.1 DR 架構介紹

DR（Distribution Redundancy，分布式冗余）架構由N+1（N≥ 2）個配置相同的供配電單元組成，N+1 個單元同時工作，互為備用。將負載均分為N+1 組，每個供配電單元為本組負載和相鄰負載供電，即1 號負載由第一組供電單元和第二組供電單元提供雙路供電，2 號負載由第二組供電單元和第三組供電單元提供雙路供電，以此類推，N+1 號負載由第N+1 組供電單元和第1 組供電單元提供雙路供電。這樣保證每組負載雙路電源均引自不同組的供電單元。當任意一路供電單元發(fā)生故障時，剩余供電單元可承擔所有負載供電。DR 分布式冗余供電架構如圖1 所示。

圖1 DR 供配電架構圖

1.2 架構分析

為了便于具體分析，本文假設模型基于一個數據中心IT 總功率為6 000 kW，平均分布在12 個機房模塊，單個模塊IT 總功率500 kW。在此基礎上進行具體應用架構和特性分析。

考慮到系統的復雜性和實施難度，目前主要以2+1的配置方式較多。即任意一組供電系統發(fā)生故障，另外兩組供電系統可承擔全部負荷。本文也主要以2+1 的DR 架構來進行分析。

根據假設模型，共規(guī)劃兩個IT 供電模塊，每個供電模塊由3 組供電單元組成，每個單元配置了1 臺1 600 kVA 的10/0.4 kV 變壓器、4 臺500 kVA UPS 及對應的配電柜和輔助設施。單個供電模塊的架構圖如圖2 所示。雖然針對IT 供電系統來說，由原來常用的2N 架構“降級”為N+1 架構，但是針對末端的IT 設備來說，仍然是來自不同系統的雙路“2N”供電。

圖2 IT 供電架構

圖3 動力供電架構

1.3 可靠運行分析

DR 系統從架構上來說，比2N 系統更“節(jié)省”，但是仍可滿足容錯的特性。在負載平衡能夠及時調配的情況下，末端的負載也可實現真正的雙路供電。下面以一個IT供電模塊為模型，從3 種典型的故障場景來說明DR 系統如何實現容錯性。本文僅從理論角度進行分析，且僅考慮出現一次故障或檢修的情況。

1.3.2 故障工作場景一

如圖5 所示，假設故障一場景為1#供電單元中，第一組UPS 并機系統中一臺UPS 因故障或檢修離線運行，導致只有一臺UPS 正常供電，已無法支撐兩個機房模塊共500 kW 的正常供電。在這種情況下，需要將由1 號供電單元第一組UPS 供電的其中一個機房模塊供電切換到另外一路供電，降低該組UPS 的輸出功率，從而保證系統的正常運行。

圖5 故障一時負載情況

調整后1#供電單元第一組UPS 負載率保持在約56%；3#供電單元的第二組UPS 輸出功率達到了750 kW，負載率達到了設計最高值約83%，其他供電系統均不受影響。其他類似場景均可參考此分析過程。

1.3.1 正常工作場景

將紅外光譜的“指紋性”用于快速識別中藥具有真實、整體、綜合和宏觀的特點與優(yōu)勢，這種方法的迅速推廣和應用將對中藥的質量標準研究具有十分重要的意義，這種方法可與傳統的鑒別方法相結合，使中藥材的鑒別更加完善、更加合理［14］。

系統正常工作時，單臺UPS 輸出功率250 kW，每個供電單元輸出功率1 000 kW，負載率約56%。單個IT 機房在滿載500 kW 情況下，由雙路供電，每路承擔250 kW分別引自不同的供電單元。正常工作場景下負載情況如圖4 所示。

圖4 正常工作時負載情況

1.3.3 故障工作場景二

如圖6 所示，假設故障二的場景為1#供電單元中第一組UPS 全部因故障或檢修離線運行，導致無法為機房模塊正常供電。在這種情況下，需要將由1 號供電單元第一組UPS 供電的所有機房模塊供電均切換到另外一路供電，從而保證系統的正常運行。

圖6 故障二時負載平衡情況

調整后1#供電單元第一組UPS 已不帶任何負載；由2#供電單元的第二組UPS 額外承擔其一半負載，輸出功率達到了750 kW；由3#供電單元的第二組UPS 額外承擔其另一半負載，輸出功率也達到了750 kW；這兩組UPS 負載率均達到了設計最高值約83%，其他供電系統均不受影響，最終末端負載保證不間斷運行。其他類似場景均可參考此分析過程。

1.3.4 故障工作場景三

如圖7 所示，假設故障三的場景為1#供電單元整體因故障或檢修離線運行，導致無法正常供電。在這種情況下，需要將由1 號供電單元供電的所有機房模塊電源均切換到另外一路供電，從而保證系統的正常運行。

圖7 故障三時工作情況

調整后1#供電單元已不帶任何負載；由2#供電單元和3#供電單元額外均攤其原有負載，每組UPS 輸出功率均達到750 kW，負載率均達到設計最高值約83%，其他供電系統均不受影響。在這種情況下，整個供電系統在減少了一路供電的情況下仍可保證系統滿載不間斷運行。其他類似場景均可參考此分析過程。

2 與2N 系統對比

GB50174-2017《數據中心設計規(guī)范》中要求，A 級數據中心供配電架構應滿足容錯要求。目前能夠滿足該要求且應用最廣泛的架構是2N 架構。為了分析DR 系統在實際應用中的價值，本文主要從可用度、成本及其他方面對2N 和DR 架構進行對比。

2.1 2N 架構介紹

由兩個供配電總線組成，兩個總線同時工作，互為備用，任意一個總線均能滿足全部負載的用電需要。正常運行時，兩路總線各承擔50%的用電負荷，當任意一路總線發(fā)生故障時，另一路總線可承擔100%的負荷。2N 雙總線供電架構如圖8 所示。

圖8 2N 供配電架構圖

2.2 架構對比

2.2.1 可用性分析

可用性（可用度）定義為：系統在使用過程中（尤其在不間斷連續(xù)使用的條件下），可以正常使用的時間與總時間之比。

系統可用性A（t）可分別用平均故障間隔時間（MTBF）和平均維修時間（MTTR）表示：

數據中心常用供配電系統可用度如表1 所示。

表1 主要供電系統和部件可用度A[1]

針對系統整體可用度計算方法如下：

由于篇幅限制，本文不對計算過程展開討論，僅對結果進行討論。兩種架構針對末端IT 設備的可用度如表2所示。

表2 兩種架構的可用度[2]

由表2 數據可知，2N 架構整體可用度略高于DR 架構。DR 架構可視作N+1 冗余，在整體冗余度上低于2N 架構，所以整體可用度略有降低。

2.2.2 成本分析

成本作為衡量數據中心建設及運營是否良好的重要指標之一。供配電系統相關投資占數據中心整體機電投資的60%以上，一個適合的供配電系統設計應該綜合考慮可靠性和投資成本的平衡。下面我們按照上文提到的假設模型來分析DR 系統和2N 系統的建設投資成本。

根據假設模型，2N 架構配置主要分為4 個供電模塊，共配置8 臺2 500 kVA 變壓器，其中6 臺兩兩互為備用為IT 負荷供電，另外2 臺互為備用，負責動力系統供電。每臺IT 用變壓器配置6 臺500 kVA UPS,每3 臺形成并機給末端IT 設備供電。IT 配電架構如圖9 所示。動力變壓器主要負責冷機、水泵、風機、照明等輔助設備供電，配置了3 臺500 kVA UPS 保證冷凍泵和末端精密空調的不間斷運行，具體配電架構如圖10 所示。

圖9 單個IT 供電模塊架構圖

圖10 動力系統供電架構圖

根據以上DR 和2N 架構模型，對系統進行具體配置。由于具體工程中，地區(qū)、品牌、配置以及工程做法都會對成本造成影響，本文僅考慮在盡量一致的場景下對成本進行定性分析對比，可作為架構選擇的參考，不能作為指導具體的工程實施的依據。由于僅作定性分析，僅考慮大型設備成本，針對一些末端設備和材料成本較低，對總成本影響有限，本次分析不再計入。由于柴發(fā)系統基本一致，在這里也不做對比。

根據表3 和表4，2N 架構和DR 架構的主要設備配置和成本估算對比可知，主要設備投資成本DR 架構比2N 架構降低18%左右。

表3 2N 系統主要電氣設備成本估算

表4 DR 系統主要電氣設備成本估算

從表3 和表4 可看出，降低的成本主要是UPS 和電池的數量減少所帶來的。UPS 和鉛酸電池作為數據中心的關鍵設備，由于其自身特性使用壽命較短，同時考慮到工作的可靠性，基本UPS 設備需要10 年做一次更換，電池需要5 年做一次更換。那么按照數據中心運營15 年的壽命來看，電池需要更換兩次，UPS 需要更換一次。2N 架構和DR 架構的設備更換成本如表5 所示。

表5 運行周期內設備更換成本對比

由表5 可知，在數據中心15 年運行周期內，DR 架構的設備更換成本比2N 架構節(jié)省了約30%。

從電力使用成本考慮，主要分為兩個方面，一是電能損耗，二是容量占用費。隨著節(jié)能設備的應用，數據中心主要供電設備由于負載率而導致的效率差距已經越來越小了，在負載率大于30%以上時可不用考慮此部分損耗差異[3]。

現在隨著數據中心規(guī)模越來越大，絕大部分大型數據中心采用大工業(yè)用電模式，即電費是由電度電價和基本電價組成?；倦妰r乘以安裝的變壓器容量即為基本電費，按照北京地區(qū)基本電價32 元/kVA·月來計算，如表6 所示。

表6 基本電費對比表

2N 系統安裝的變壓器容量是DR 系統的約1.4 倍，平均每年需要多繳基本電費約215 萬元。

3 結論

DR 系統在架構上是“N+1”配置，但是同樣能夠滿足容錯的要求。通過與2N 系統的對比，DR 系統因為降低了冗余度，導致可用度有部分降低；整體架構比2N 系統要復雜，對后期運維能力要求較高。但是DR 系統的建設成本較低，由于減少了冗余，占用空間也比2N 系統要少，在同樣的條件下對外電的需求較少，同時比2N系統節(jié)省電費。

在目前數據中心大規(guī)模發(fā)展的形勢下，資源和成本越來越為數據中心業(yè)主所關注，2N 系統對資源的高需求、低利用的弊端會越來越凸顯。DR 系統作為高可靠性的“容錯”系統，在滿足可用性要求的前提下，更加降低成本，節(jié)約資源，可以作為數據中心規(guī)劃、建設和運營者一個值得參考的選項。