數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)可靠性設(shè)計淺析

摘 要：基于高可靠性原則，闡述了數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)設(shè)計的基本思路。同時，結(jié)合實際工程，詳細介紹了數(shù)據(jù)中心電氣設(shè)計過程中保證供電系統(tǒng)高可靠性的要點和方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心;供電可靠性;電氣設(shè)計;供電系統(tǒng)

中圖分類號：TP308? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）11-0019-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.11.006

0? ? 引言

隨著我國“大數(shù)據(jù)” “新基建”等發(fā)展新思路的推進，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也成為信息時代發(fā)展過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。

可靠性是數(shù)據(jù)中心運行過程中最重要的指標，而組成數(shù)據(jù)中心的各個系統(tǒng)的可靠性則直接影響著數(shù)據(jù)中心的整體可靠性，例如電氣系統(tǒng)、通風(fēng)與制冷系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。其中，電氣系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的重要組成部分，在數(shù)據(jù)中心的電源供給、運維監(jiān)測、消防安全等方面都起到了十分關(guān)鍵的作用。

本文依據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》（GB 50174—2017）[1]（以下簡稱《規(guī)范》），并結(jié)合某A級數(shù)據(jù)中心工程，從電氣系統(tǒng)的角度出發(fā)，以高可靠性為設(shè)計原則，分析和總結(jié)了數(shù)據(jù)中心項目設(shè)計過程中保障供電可靠性的要點與方法。

1? ? 供電可靠性

根據(jù)《規(guī)范》，數(shù)據(jù)中心共劃分為三個等級，每個等級的數(shù)據(jù)中心對供電電源都有較高要求，如表1所示。

由于數(shù)據(jù)中心對供電電源的要求較高，所以在數(shù)據(jù)中心項目的電氣設(shè)計中，可靠性和穩(wěn)定性是從始至終貫穿整個設(shè)計階段的基本原則，這就要求所設(shè)計的供電系統(tǒng)有足夠的、符合《規(guī)范》要求的容錯或冗余能力。

數(shù)據(jù)中心項目設(shè)置的供電電源種類需根據(jù)《規(guī)范》并結(jié)合數(shù)據(jù)中心自身的級別來確定，等級越高的數(shù)據(jù)中心，其供電電源的種類就越多，系統(tǒng)容錯或冗余性就越高。總的來說，數(shù)據(jù)中心項目的供電電源一般包括市電電源、應(yīng)急備用電源和不間斷電源。根據(jù)《規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，電氣系統(tǒng)中的供電電源都需要根據(jù)數(shù)據(jù)中心的級別進行相應(yīng)的架構(gòu)設(shè)計，從而保證整個數(shù)據(jù)中心項目的可靠性。

從《規(guī)范》的附錄A可知，不同級別的數(shù)據(jù)中心在供電電源的種類、容錯或冗余架構(gòu)、配電方式等方面均有區(qū)別?；诖?，本文分別從市電電源、應(yīng)急備用電源、不間斷電源等方面，闡述數(shù)據(jù)中心項目中的供電可靠性設(shè)計。

2? ? 市電電源的可靠性設(shè)計

市電電源是數(shù)據(jù)中心運行的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)中心級別越高則對市電電源的級別和配置要求越高。

2.1? ? 總體要求

依據(jù)《規(guī)范》，對三個級別的數(shù)據(jù)中心的市電電源要求分別如下：對于A級數(shù)據(jù)中心，必須由雙重電源供電;B級數(shù)據(jù)中心，宜由雙重電源供電;C級數(shù)據(jù)中心，由雙回線路供電即可。

其中，雙重電源和雙回線路的電源配置對應(yīng)不同級別的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)，在可靠性和穩(wěn)定性上有著較大的區(qū)別。雙重電源[2]，可以是來自不同電網(wǎng)的電源，或者來自同一個電網(wǎng)但在運行時電路相互之間聯(lián)系很弱，或者來自同一個電網(wǎng)但其間的電氣距離較遠，一個電源系統(tǒng)任意一處出現(xiàn)異常運行或發(fā)生短路故障時，另一個電源仍能不中斷供電。雙回線路，要求線路的數(shù)量為兩回，但可以來自同一個電網(wǎng)或者來自同一個低壓電源。同時，不論是A級或B級數(shù)據(jù)中心采用的雙重電源，還是C級數(shù)據(jù)中心采用的雙回線路，當其中一個回路中斷供電時，其余線路均應(yīng)能滿足整個系統(tǒng)的供電要求[3-4]。

這里需要注意一點，《規(guī)范》中提出B級數(shù)據(jù)中心宜由雙重電源供電，但在市電無法提供雙重電源時，可以一路市電電源搭配柴油發(fā)電機組（后備電源）的形式作為B級數(shù)據(jù)中心的供電電源。

2.2? ? 系統(tǒng)架構(gòu)

依據(jù)《規(guī)范》，對三個級別的數(shù)據(jù)中心供電電源的容錯或冗余架構(gòu)應(yīng)分別按表2設(shè)置。

這里的N是指系統(tǒng)的基本需求，例如整個數(shù)據(jù)中心的計算負荷為2 400 kW，需3臺1 000 kVA的變壓器，那么N=3。

這里還需要注意，“容錯”和“冗余”是不同的概念?！叭蒎e”是指具有兩套或兩套以上的系統(tǒng)，在同一時刻，至少有一套系統(tǒng)在正常工作，在經(jīng)受一次突發(fā)事故后，仍能滿足數(shù)據(jù)中心正常運行的基本需求?！叭哂唷笔侵钢貜?fù)配置系統(tǒng)的一些或全部部件，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，重復(fù)配置的部件介入并承擔(dān)故障部件的工作，由此延長系統(tǒng)的平均故障間隔時間。例如，上文提到的例子，數(shù)據(jù)中心的計算負荷為2 400 kW，需3臺1 000 kVA的變壓器，如果設(shè)置6臺1 000 kVA的變壓器，那么就是滿足容錯要求的2N系統(tǒng)（2×3），對應(yīng)于A級數(shù)據(jù)中心;如果設(shè)置4臺1 000 kVA的變壓器，那么就是滿足冗余要求的N+1系統(tǒng)（3+1），對應(yīng)于B級數(shù)據(jù)中心。所以，設(shè)計階段必須根據(jù)數(shù)據(jù)中心的等級，依據(jù)《規(guī)范》來確定市電電源的架構(gòu)，這樣才能保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

3? ? 應(yīng)急備用電源的可靠性設(shè)計

應(yīng)急備用電源是數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運行不可缺少的電源設(shè)備。在現(xiàn)行的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中，柴油發(fā)電機組體現(xiàn)出了其他備用電源難以比擬的可操作性，所以目前大部分數(shù)據(jù)中心的備用電源均采用柴油發(fā)電機組。

3.1? ? 柴油發(fā)電機組系統(tǒng)的架構(gòu)

為了提高可靠性，數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)置的柴油發(fā)電機組配置需要有一定的冗余。根據(jù)《規(guī)范》要求，A級數(shù)據(jù)中心應(yīng)設(shè)置（N+X）的冗余（X=1～N），B級數(shù)據(jù)中心機房宜設(shè)置（N+1）的冗余。

這里需要注意，《規(guī)范》規(guī)定當B級數(shù)據(jù)中心由雙重電源供電時，可不再設(shè)置應(yīng)急備用電源，但當其只有一路市電電源時，則必須設(shè)置柴油發(fā)電機組作為備用電源。雖然《規(guī)范》中明確給出了B級數(shù)據(jù)中心設(shè)置柴油發(fā)電機組作為備用電源的條件，但并未給出此條件下柴油發(fā)電機組的燃料儲存量。因為柴油發(fā)電機組是作為應(yīng)急備用電源來為數(shù)據(jù)中心提供短暫的電源供給，所以結(jié)合目前電網(wǎng)的穩(wěn)定性和快速維護特性，并借鑒《規(guī)范》中對A級數(shù)據(jù)中心發(fā)電機組儲油量和TIA-942-B中對T2級（冗余型）數(shù)據(jù)中心發(fā)電機組儲油量的規(guī)定，這里建議B級數(shù)據(jù)中心設(shè)置柴油發(fā)電機組作為備用電源時的燃料儲存量應(yīng)為滿足12 h運行。

3.2? ? 柴油發(fā)電機組的選擇

發(fā)電機組參數(shù)的合理選擇，需要從機組電壓、機組性能等級、機組功率定額種類等方面考慮，這對于數(shù)據(jù)中心的電氣可靠性來說非常重要。

（1）機組的電壓選擇。根據(jù)《規(guī)范》，數(shù)據(jù)中心中設(shè)置的柴油發(fā)電機組可選用0.4 kV的低壓機組，也可選擇10 kV的中壓機組。一般來說，如果負荷容量較小且與發(fā)電機組距離較近，從配電系統(tǒng)的成本和實施難度上來權(quán)衡，可以采用低壓機組;如果負荷容量較大，需要采用多臺機組并機時，應(yīng)采用10 kV機組。在實際建設(shè)中，當柴油發(fā)電機的容量小于2 500 kW，且柴油發(fā)電機房與主機房距離小于500 m時，可優(yōu)先選用0.4 kV的低壓機組，否則應(yīng)采用10 kV的中壓機組。

（2）機組的性能等級選擇。根據(jù)《往復(fù)式內(nèi)燃機驅(qū)動的交流發(fā)電機組 第1部分：用途、定額和性能》（GB/T 2820.1—2009）[5]，柴油發(fā)電機組定義了4個性能等級，如表3所示。

對于數(shù)據(jù)中心，應(yīng)該選用G3或G4級別的柴油發(fā)電機組。

（3）機組的功率定額種類選擇。選定性能等級后，需要選擇發(fā)電機組的功率定額種類。根據(jù)規(guī)范[5]，柴油發(fā)電機組的功率定額種類如表4所示。

對于上述4種功率，其大小關(guān)系為：ESP>LTP>PRP>COP;它們的比值約為：ESP：LTP：PRP：COP=1：0.92：0.85：0.78。

以上4種功率的選擇，會直接影響數(shù)據(jù)中心的可靠性和成本投入。如果選擇COP作為發(fā)電機組的功率，雖然可靠性高，但成本會大大增加;如果選擇ESP作為發(fā)電機組的功率，雖然成本降低了，但可靠性也受到影響。因此，結(jié)合可靠性和經(jīng)濟性，一般選用PRP（基本功率）作為數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機組的功率指標，這樣有利于提高機組的帶載能力和過負荷能力。

4? ? 不間斷電源的可靠性設(shè)計

為了保障數(shù)據(jù)中心運行的可靠性和穩(wěn)定性，UPS電源被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的電源系統(tǒng)。UPS電源的作用主要包括中斷保護（可靠性）和防止電涌或持續(xù)電壓尖峰對電子信息設(shè)備的影響（抗干擾性）。

4.1? ? 不間斷電源系統(tǒng)的架構(gòu)

根據(jù)規(guī)范[1，6]要求，A級與B級數(shù)據(jù)中心的不間斷電源配置需要采取容錯或冗余措施，如表5所示。

同時，為了避免UPS超負荷工作，保證供電可靠性，也為了便于后期可以少量增加設(shè)備，UPS的容量會留有一定的余量：IT設(shè)備用UPS的基本容量不小于1.2倍的IT設(shè)備計算負荷，制冷設(shè)備用UPS的基本容量不小于1.3倍的制冷設(shè)備計算負荷。

4.2? ? 不間斷電源系統(tǒng)的配電方式

在數(shù)據(jù)中心中，需要配置UPS系統(tǒng)的負荷主要包括IT設(shè)備和制冷設(shè)備（包括控制系統(tǒng)、末端冷凍水泵、空調(diào)末端風(fēng)機等），這些設(shè)備不應(yīng)與電子信息設(shè)備共用一組不間斷電源系統(tǒng)，以減少對電子信息設(shè)備的干擾。

5? ? 具體項目分析

為了更加具體和直觀地表達，本文以某項目為例，對數(shù)據(jù)中心的供電可靠性進行分析。

項目背景：國外某數(shù)據(jù)中心項目，作為國內(nèi)某企業(yè)在海外當?shù)氐闹匾獢?shù)據(jù)節(jié)點，一期規(guī)模72個機柜，按照國內(nèi)A級機房要求設(shè)計與建設(shè)。

5.1? ? 市電電源的設(shè)計

為保證供電電源的可靠性，設(shè)計時必須基于《規(guī)范》的要求為數(shù)據(jù)中心選擇和配置市電電源。因為本項目為A級數(shù)據(jù)中心，所以配置了雙重電源。由于本項目在國外不發(fā)達地區(qū)，當?shù)仉娋W(wǎng)的電力供給不能提供滿足“來自不同電網(wǎng)的電源”要求的雙重電源，所以結(jié)合當?shù)氐墓╇娗闆r適當降低了要求，但仍以滿足《規(guī)范》要求為前提，選擇了當?shù)啬軌蛱峁┑碾p重電源：兩路電源由相同的電網(wǎng)引來，但它們在電氣運行過程中的聯(lián)系非常弱。

本項目為A級數(shù)據(jù)中心，為滿足《規(guī)范》和高可靠性的要求，市電電源和變壓器的設(shè)計均需按照2N架構(gòu)來配置：首先，市電結(jié)合當?shù)氐那闆r引入了滿足《規(guī)范》要求的雙重電源，兩路電源同時工作、互為備用，并在10 kV側(cè)采用單母線分段的主接線形式;其次，數(shù)據(jù)中心內(nèi)同規(guī)格、同容量的變壓器每兩臺為一組，其上級10 kV電源來自不同的10 kV母線段，兩臺變壓器間設(shè)置低壓母聯(lián)開關(guān)，正常運行時每臺變壓器負荷率控制在50%以下，當其中一臺變壓器故障或檢修時，由另一臺變壓器帶起全部負荷。

5.2? ? 應(yīng)急備用電源的設(shè)計

由于本項目總用電負荷容量適中，且柴油發(fā)電機房離主機房位置不遠，故本項目采用0.4 kV發(fā)電機組。本項目為A級數(shù)據(jù)中心，按照《規(guī)范》要求，兼顧可靠性和經(jīng)濟性，柴油發(fā)電機組采用了N+1的冗余配置：共設(shè)置3臺發(fā)電機組，其中2臺為基本量，1臺為冗余量，即2+1的冗余配置。同時，本項目選擇了G4性能等級的發(fā)電機組，并采用PRP作為其功率指標。

5.3? ? 不間斷電源的設(shè)計

本項目為A級數(shù)據(jù)中心，經(jīng)過計算，IT設(shè)備用UPS系統(tǒng)的基本容量為600 kVA，UPS設(shè)備按2N要求配置，按照每套UPS為600 kVA計算，則此時設(shè)置2套600 kVA的UPS共計1 200 kVA;其次，經(jīng)過計算，輔助設(shè)備用UPS系統(tǒng)的基本容量為300 kVA，輔助設(shè)備采用“一路市電+一路U電”的配電方式，故其UPS采用基本容量300 kVA即可。同時，不間斷電源系統(tǒng)的電池容量按《數(shù)據(jù)中心供配電設(shè)計規(guī)程》（T/CECS 486—2017）[6]要求設(shè)置為15 min。

6? ? 結(jié)語

數(shù)據(jù)中心是一個對供電可靠性和穩(wěn)定性要求非常高的工程，數(shù)據(jù)中心項目中供電電源種類較多，包括市電電源、應(yīng)急備用電源和不間斷電源等。在設(shè)計時，基于高可靠性和穩(wěn)定性原則，需要依據(jù)《規(guī)范》對數(shù)據(jù)中心的供電電源種類進行科學(xué)配置，同時也需要對不同的供電電源系統(tǒng)作出合理設(shè)計與規(guī)劃，這樣才能從根本上保證并提高數(shù)據(jù)中心的供電可靠性。

[參考文獻]

[1] 數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范：GB 50174—2017[S].

[2] 民用建筑電氣設(shè)計標準：GB 51348—2019[S].

[3] 低壓配電設(shè)計規(guī)范：GB 50054—2011[S].

[4] 供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范：GB 50052—2009[S].

[5] 往復(fù)式內(nèi)燃機驅(qū)動的交流發(fā)電機組 第1部分：用途、定額和性能：GB/T 2820.1—2009[S].

[6] 數(shù)據(jù)中心供配電設(shè)計規(guī)程：T/CECS 486—2017[S].

收稿日期：2022-02-21

作者簡介：羅文（1985—），男，貴州貴陽人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：電氣工程。