數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計與效能管理

吳 昊

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心建設(shè)涵蓋多個環(huán)節(jié)，在其投入使用后，為貼合平臺客戶服務(wù)要求，需提升供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，因此需保證數(shù)據(jù)中心安全運行。但就目前所提出的供配電系統(tǒng)設(shè)計方法來看，存在著故障無法提前預(yù)知的問題，難以針對性分析故障，不具備相應(yīng)分析量化指標(biāo)。為此，本文將基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)詳細闡釋如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，并提出效能管理方案，力求全面提高供配電質(zhì)量。

1 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

供配電系統(tǒng)包含配電柜、發(fā)電機、電池組和不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）結(jié)構(gòu)，在放置以上設(shè)備前，需合理規(guī)劃空間，避免出現(xiàn)大型設(shè)備相互影響的情況，提高空間利用率[1]。

1.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

市政供電電源電壓為10 kV，總體容量可達6 000 kVA，當(dāng)出現(xiàn)供電需求擴大的情況時，供電電壓需按照實際情況予以調(diào)整，防止帶來數(shù)據(jù)中心無法正常運行的問題。在規(guī)劃用電量增加時，需要借助電壓高于35 kV的供電電源完成供電任務(wù)[2]。

1.2.1 照明配電模塊

照明配電模塊包括應(yīng)急和機房辦公照明，配電箱是此模塊的供電電源。選用熒光燈作為機房辦公照明設(shè)備，借助分區(qū)管控手段，管控各區(qū)域燈具。辦公區(qū)域與非辦公區(qū)域的照明度有所差別，一般非辦公區(qū)域的照明度為0.21，辦公區(qū)的照明度為0.7。確定照明度通過最小照度與平均照度作商即可求出[3]。運用疏散和備用照明形式，應(yīng)對機房照明區(qū)發(fā)生的緊急突發(fā)事件。輔助和核心機房區(qū)域的照明標(biāo)準(zhǔn)值見表1。

表1 輔助和核心機房區(qū)域的照明標(biāo)準(zhǔn)值

消防通道和主機房中設(shè)置應(yīng)急照明設(shè)備，嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)選定照明燈，發(fā)揮其最大效用。對于應(yīng)急照明系統(tǒng)來講，其可按照2種工作模式運行：其一是對正常運行的UPS供電；其二是對出現(xiàn)故障的UPS的輔助供電設(shè)備供電[4]。數(shù)據(jù)中心照明配電模塊所使用的照明設(shè)備為日光燈，其規(guī)格為600 mm×1 200 mm，相較于普通燈具，具備能耗低、諧波污染小的優(yōu)勢。

1.2.2 不間斷電源模塊

依據(jù)電網(wǎng)實際情況將市電頻率予以改變，保證擁有充足后備時間，即便出現(xiàn)電網(wǎng)故障問題，儲能設(shè)備在此情況下也能發(fā)揮作用，提供電能。具備以上特征的電源才可作為理想電源使用。選定不間斷電源，要從電池放電時間、可用性和負(fù)載率等幾個方面分析，以此實現(xiàn)放電時間延長要求。

敏感負(fù)載吸取不間斷電源中的功率與額定功率間的比例關(guān)系為

式中：Sn為額定功率；S負(fù)載為吸收功率；L為從不間斷電源中吸收的功率占比。

就未來需繼續(xù)擴容的系統(tǒng)，設(shè)定額定功率要適當(dāng)留有余量，以此為UPS在擴容前后均可具有冗余功率奠定基礎(chǔ)。不間斷電源效率的計算公式為

式中：P輸出為輸出功率；P輸入為輸入功率?？梢钥闯?，損失熱量與輸入功率間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)輸入功率減小時，損失熱量增加，同時冷卻裝置的功率也隨之增大。額定負(fù)載也可作為求解不間斷電源效率的介質(zhì)，對應(yīng)的計算公式為

式中：Pn為額定有功功率。額定有功功率的計算公式為

為實現(xiàn)不間斷供電，負(fù)載需求概率要與電源質(zhì)量相契合，計算可用性的公式為

式中：TMTBF為平均故障間隔時間；TMTTR為平均故障恢復(fù)時間，即配電系統(tǒng)由非運行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\行狀態(tài)所需的平均時間[5]。

UPS種類選擇將放電時間作為重要指標(biāo)，其代表當(dāng)處于斷電狀態(tài)時，電源能夠持續(xù)放電的時長。維修人員在出現(xiàn)斷電事件后，利用啟動發(fā)動機或者切換供電線路的方法，精準(zhǔn)計算負(fù)載容量。得到UPS容量值后，計算出電池放電時間。

直流功率的計算公式為

式中：η逆變器為逆變器效率；SUPS為不間斷電源容量。

蓄電池串聯(lián)數(shù)量的計算公式為

式中：UτB為電池截止電壓；UτUPS為UPS截止電壓。

電池組所需數(shù)量的計算公式為

一般并聯(lián)電池的組數(shù)不超過4組，但因蓄電池存在內(nèi)阻情況，內(nèi)阻具備較強分散性。當(dāng)并聯(lián)組數(shù)增多時，在電池內(nèi)部會因放電帶來環(huán)流問題，使得輸出的電能減少。因此，若實際設(shè)計中計算所得的數(shù)值超過4，則需要引入大容量蓄電池，保證電能輸出[6]。

設(shè)計不間斷電源要使其具備隔離電網(wǎng)污染的優(yōu)勢，在雙向自由交換性能作用下，能夠?qū)⑹须娭谐霈F(xiàn)的故障予以隔絕。當(dāng)輸入電壓具備較大裕度時，不間斷電源能夠降低故障發(fā)生概率，保證電源在惡劣電網(wǎng)環(huán)境中發(fā)揮實效，并降低能耗，提升節(jié)能水平。當(dāng)前綠色發(fā)展背景下，設(shè)計不間斷電源需考慮智能化程度，所使用的電源應(yīng)當(dāng)達到智能并機效果，并精準(zhǔn)定位故障零件位置，提升系統(tǒng)實用性水平。因此電池體積較小的電源可為數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)其他設(shè)備預(yù)留位置，節(jié)約占地面積，安裝簡便，適宜架設(shè)于系統(tǒng)中，以便于根據(jù)實際供電需求增刪電池組[7]。

1.3 系統(tǒng)故障算法設(shè)計

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計要引入故障預(yù)測算法，以此提升各模塊作用于系統(tǒng)中的安全性?；跀?shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集特點，為應(yīng)對可靠性參數(shù)采集難的問題，利用貝葉斯算法，預(yù)測數(shù)據(jù)中心存在的不確定因素，進而實現(xiàn)模塊故障預(yù)測目標(biāo)。應(yīng)用貝葉斯算法主要處理采集可靠性樣本問題，保證預(yù)測精度。由于在數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)中部分設(shè)備出現(xiàn)故障的頻率低，對于此類數(shù)據(jù)采取直接現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)作為故障樣本的方式，分類采集。當(dāng)故障率符合伽馬分布的情況下，系統(tǒng)設(shè)備的壽命指數(shù)分布符合實際建設(shè)需要，密度函數(shù)可表示為

式中：θ為故障率；a、b、e為超參數(shù)。計算超參數(shù)利用先驗矩陣，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗，將故障率按照先后順序排列，借助經(jīng)典統(tǒng)計法計算序列的方差和均值為

當(dāng)處于不同時間段，故障率與設(shè)備信息間的關(guān)聯(lián)程度有所差異，需要結(jié)合實際經(jīng)驗，對故障率進行賦值，計算序列的方差和均值的公式變?yōu)?/p>

故障率在伽馬分布的均值和方差可表示為

得到超參數(shù)后，結(jié)合采集的信息和先驗信息組成的先驗分布求出估計參數(shù)的后驗分布。后驗分布可表示為

式中：t1,t2,…,tr為每次故障時間；r為故障次數(shù)；T為總試驗時間。

計算各系統(tǒng)模塊的貝葉斯估計值的公式為

最終能夠?qū)?shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的故障率求出，保障系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行。

1.4 仿真分析

以某數(shù)據(jù)中心為例，其數(shù)據(jù)機房占地面積約為20萬m2，建設(shè)周期分成4個階段，選定現(xiàn)場測點，并保證各測點的負(fù)載率較高。電壓偏差是評價真實電壓與額定電壓間差距的參數(shù)計算公式為

式中：ΔU為電壓偏差；UN為系統(tǒng)額定電壓；Urc為某點真實電壓。

對于供電電壓為220 V的系統(tǒng)中，電壓偏差應(yīng)當(dāng)處于[-10%，7%]的區(qū)間范圍內(nèi)。將文獻[2]和文獻[3]中所提到的設(shè)計系統(tǒng)與本文所設(shè)計的供配電系統(tǒng)分別進行仿真驗證，得到的對比結(jié)果見表2。

表2 不同設(shè)計系統(tǒng)電壓偏差對比結(jié)果

通過表2發(fā)現(xiàn)，3個供配電設(shè)計系統(tǒng)中電壓偏差均為可接受范疇，但文獻[2]和[3]中均存在超出允許值的情況，尤其是文獻[3]中個別試點超出程度較大。文章所設(shè)計的不間斷電源具有控制頻率和電壓處于可控范圍的作用，能夠預(yù)測系統(tǒng)每個模塊的運行特征與實際情況。便于檢修人員在發(fā)現(xiàn)故障后，縮短搶修時間，維持整體供配電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)效能管理

在當(dāng)前綠色發(fā)展背景下，數(shù)據(jù)中心輸配電系統(tǒng)也應(yīng)當(dāng)從能耗降低等方面思考峰值電力需求的效能管理問題。文章主要分析如何借助可再生能源應(yīng)對數(shù)據(jù)中心峰值電力效能管理問題。

首先，在數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)中接入可再生能源，使用其完成發(fā)電。接入光伏發(fā)電的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)見圖1。

圖1 接入光伏發(fā)電的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計

其次，接入光伏發(fā)電后，容易出現(xiàn)高效利用和間歇性問題。為解決這一現(xiàn)實問題，需設(shè)計分布式能源存儲體系結(jié)構(gòu)，將不間斷電源系統(tǒng)與可再生能源形成配合關(guān)系，共同作為輸送電力介質(zhì)，從而變換光伏發(fā)電條件，在保證備用能源能力的前提下，優(yōu)化現(xiàn)有可再生能源。在所設(shè)計的接入系統(tǒng)中，光伏系統(tǒng)與公用電網(wǎng)間并未形成并入關(guān)系。鑒于可再生能源本身的波動特性，如若將其接入公用電網(wǎng)中，則可能會出現(xiàn)穩(wěn)定性受損問題。光伏系統(tǒng)中每列機柜相互獨立，按照各自運行特性再決定工作模式和釋放能量時間等，對太陽能獲取同樣具備自主決定的運行特性。

最后，對文章提出的儲能系統(tǒng)分布式運行模式+光伏系統(tǒng)+市電端的效能管理方法，借助WAPUE方法，計算3種模式在運行過程中的電能利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值。經(jīng)過計算，與原本的供配電系統(tǒng)進行比較，PUE指標(biāo)降低3%，說明此種效能管理模式切實可行。

3 結(jié) 論

文章設(shè)計的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)具備智能化和自動化的特征，整體系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用的模塊為不間斷電源模塊、照明配電系統(tǒng)模塊。