A級(jí)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)架構(gòu)探討

任 小 佳

(上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海 200041)

0 引 言

數(shù)據(jù)中心的信息通信是一個(gè)分等級(jí)的供電保障體系,不同的設(shè)備有不同的供電要求。未來的市場(chǎng)是一種細(xì)分的市場(chǎng),各種不同的供電取決于不同的供電需求,發(fā)展的趨勢(shì)是在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中配電系統(tǒng)占地面積小、系統(tǒng)可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好,從而提高整個(gè)系統(tǒng)可用性。

1 數(shù)據(jù)中心的配電設(shè)計(jì)特征

依據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》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,在電子信息系統(tǒng)運(yùn)行期間,基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)在一次意外事故后或單系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)或檢修時(shí)仍能保證電子信息系統(tǒng)正常運(yùn)行[1]。

為了滿足A級(jí)數(shù)據(jù)中心的容錯(cuò)能力,在單路電源發(fā)生故障時(shí),另外一路的備用電源可以保證全部負(fù)荷的分配,也就是說,變壓器的負(fù)荷率在50%以下。

A級(jí)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中的配電室應(yīng)進(jìn)行物理隔離,兩路配電路由在高需求的地方也要進(jìn)行物理隔離,且不交叉,不同路由。

A級(jí)數(shù)據(jù)中心常用配電系統(tǒng)架構(gòu)有2N系統(tǒng)(容錯(cuò))、DR系統(tǒng)(分布冗余)、RR系統(tǒng)(后備冗余)。通常配電架構(gòu)采用經(jīng)典的2N配電架構(gòu)。本文主要探討2N架構(gòu)和在2N基礎(chǔ)上演變的新型配電架構(gòu)。

2 數(shù)據(jù)中心配電經(jīng)典2N架構(gòu)

2.1 一組IT變壓器的2N架構(gòu)

2N系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。該結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)雙電源和柴油發(fā)電機(jī)組,機(jī)房?jī)?nèi)IT機(jī)柜分別由A/B兩路不同的市電電源、配電變壓器、不間斷電源(UPS)進(jìn)行供電,每個(gè)單元均能滿足全部負(fù)載的用電需要,兩個(gè)單元同時(shí)工作,互為備用。正常運(yùn)行時(shí),每個(gè)單元向負(fù)載提供50%的電能。當(dāng)其中一個(gè)單元故障停止運(yùn)行時(shí),另一個(gè)單元向負(fù)載提供100% 的電能,此時(shí)運(yùn)行的變壓器的負(fù)載率為100%。

圖1 2N系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

一組IT變壓器配電聯(lián)絡(luò)路由示意圖如圖2 所示。一組IT變壓器通過母聯(lián)連接,配電路由進(jìn)行物理隔離,可滿足A機(jī)房容錯(cuò)要求,通常作為數(shù)據(jù)中心平面布置方案。

圖2 一組IT變壓器配電聯(lián)絡(luò)路由示意圖

2.2 數(shù)據(jù)中心兩組IT變壓器的2N架構(gòu)

兩組IT變壓器的2N體系架構(gòu)是一種典型的2N配電架構(gòu)。兩組IT變壓器的2N系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖3所示。同一組IT變壓器都是從A/B兩個(gè)10 kV母線引過來的。兩臺(tái)變壓器分別設(shè)于不同的配電室,同一個(gè)IT模塊的變壓器設(shè)置母聯(lián)開關(guān)。正常運(yùn)行時(shí),每個(gè)單元向負(fù)載提供50% 的電能;當(dāng)一個(gè)單元故障停止運(yùn)行時(shí),另一個(gè)單元向負(fù)載提供100%的電能,此時(shí)運(yùn)行的變壓器的負(fù)載率為100%。

圖3 兩組IT變壓器的2N系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

兩組IT變壓器通過母聯(lián)連接,配電路由物理隔離,滿足A機(jī)房容錯(cuò)要求,通常這作為數(shù)據(jù)中心平面布置方案。兩組IT變壓器配電聯(lián)絡(luò)路由示意圖如圖4 所示。

圖4 兩組IT變壓器配電聯(lián)絡(luò)路由示意圖

3 數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)“異構(gòu)”架構(gòu)

兩組原本可以完全不相干的配電系統(tǒng)以聯(lián)絡(luò)的方式將兩組配電系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)起來,暫且把它稱之為“異構(gòu)”架構(gòu)。

3.1 “異構(gòu)”母聯(lián)切換配電系統(tǒng)

兩組IT變壓器的“異構(gòu)”系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖5所示。兩組IT變壓器“異構(gòu)”配電系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)路由示意圖如圖6所示?！爱悩?gòu)”是2N配電架構(gòu)演變而來的,即將變壓器的低壓母聯(lián)切換開關(guān)設(shè)置為變壓器A1與變壓器B2切換,變壓器A2與變壓器B1切換。正常運(yùn)行時(shí),每個(gè)單元向負(fù)載提供50%的電能;當(dāng)一個(gè)單元故障停止運(yùn)行時(shí),如變壓器A1單元鏈路故障或檢修,模塊一的IT負(fù)載由變壓器B1和變壓器B2單元各向負(fù)載提供50%的電能,模塊二的IT負(fù)載由變壓器A2和變壓器B2單元各向負(fù)載提供50%的電能;變壓器A2、B1、B2的運(yùn)行負(fù)載率分別50%、50%、100%。IT負(fù)載依然是由兩臺(tái)不同路由的變壓器供電,增強(qiáng)IT供電的可靠性。

圖5 兩組IT變壓器的“異構(gòu)”系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖6 兩組IT變壓器“異構(gòu)”配電系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)路由示意圖

3.2 “異構(gòu)”ATS切換配電系統(tǒng)

兩組IT變壓器的“異構(gòu)”ATS切換架構(gòu)圖如圖7所示。此方案不再設(shè)置低壓母聯(lián)開關(guān),而是由兩組不同的市電電源經(jīng)過ATS切換完成后給UPS上端供電。正常運(yùn)行時(shí),每個(gè)單元向負(fù)載提供50%的電能;當(dāng)一個(gè)單元故障停止運(yùn)行時(shí),如變壓器A1單元故障或檢修時(shí),模塊一的IT負(fù)載由變壓器B1和變壓器B2單元各向負(fù)載提供50%的電能,模塊二的IT負(fù)載由變壓器A2和變壓器B2單元各向負(fù)載提供50%的電能。此時(shí),變壓器A2、B1、B2的運(yùn)行負(fù)載率分別50%、50%、100%。IT負(fù)載依然是由兩路不同的變壓器供電。這種通過ATS切換方式更可靠,缺點(diǎn)是造價(jià)高、占地面積大。

圖7 兩組IT變壓器的“異構(gòu)”ATS切換架構(gòu)圖

兩組IT變壓器“異構(gòu)”ATS切換架構(gòu)平面路由示意圖如圖8所示。體現(xiàn)了ATS切換母線路由。ATS切換的方式比低壓母聯(lián)切換方式多一條母線,在設(shè)備上也需要多配置低壓配電柜和ATS,此架構(gòu)造價(jià)比較高,適用于金融機(jī)構(gòu)等場(chǎng)所。

圖8 兩組IT變壓器“異構(gòu)”ATS切換

4 融合電力模塊2N架構(gòu)配電方案

融合電力模塊式系統(tǒng)架構(gòu)是通過頂部母排依次將變壓器、進(jìn)線母聯(lián)柜、SVG柜、UPS、維修旁路柜、輸出饋線柜等連接,同時(shí)配備管理系統(tǒng)。

本地智能管理系統(tǒng)把變壓器、低壓柜/饋線柜、UPS等設(shè)備的監(jiān)控信息進(jìn)行匯聚,在本地監(jiān)控屏幕上統(tǒng)一顯示電力模塊各單元的電流、電壓、頻率、電能、諧波、負(fù)載率、開關(guān)狀態(tài)、UPS狀態(tài)及各節(jié)點(diǎn)溫度,供用戶直觀地識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),并把信息上報(bào)給遠(yuǎn)端網(wǎng)管,供網(wǎng)管顯示3D視圖、電壓/電流/電能等運(yùn)行參數(shù)、鏈路圖及故障影響分析、開關(guān)在線整定、開關(guān)健康度預(yù)測(cè)、UPS電容/風(fēng)扇壽命檢測(cè)、各節(jié)點(diǎn)溫度預(yù)測(cè)及AI異常預(yù)警等,極大地提升系統(tǒng)運(yùn)維效率[2]。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)與融合電力模塊配電平面布置對(duì)比如圖9所示。以4臺(tái)UPS并機(jī)配置為例,融合電力模塊減少了配電柜的數(shù)量,將UPS和配電系統(tǒng)高度融合,極大地節(jié)約配電室空間。

圖9 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)與融合電力

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心配電原理如圖10所示。融合電力模塊配電原理如圖11所示。由圖10和圖11可知,融合電力模塊取消了UPS的輸入開關(guān)、靜態(tài)旁路開關(guān)及UPS的輸出開關(guān)。依據(jù)IEC 60364-4-43—1997標(biāo)準(zhǔn)及GB 16895.5—2012標(biāo)準(zhǔn),分支回路長(zhǎng)度不大于3 m內(nèi)加保護(hù)器件[3]。

圖10 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心配電原理

圖11 融合電力模塊配電原理

融合的電力模塊通過高密UPS模塊+極簡(jiǎn)隔離開關(guān)+熔斷器將UPS輸入輸出配電與UPS融合成一柜,實(shí)現(xiàn)單柜滿配開關(guān)。GB 16895.5—2012中關(guān)于保護(hù)器件設(shè)計(jì)的要求如圖12所示。主回路S1通過保護(hù)電器P1提供保護(hù),S1的長(zhǎng)度不受限;對(duì)應(yīng)來說,融合的電力模塊的柜頂輸入主銅排,受進(jìn)線斷路器保護(hù),因此輸入主銅排S1長(zhǎng)度不受限制。此時(shí)分支回路從起點(diǎn)O至分支保護(hù)電器P2點(diǎn)B,這段長(zhǎng)度S2≤3 m,供電回路短路保護(hù)仍可以提供短路保護(hù)直到P2裝設(shè)處,符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖12 GB 16895.5—2012標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于保護(hù)器件設(shè)計(jì)的要求

融合電力模塊原理示意圖如圖13所示。融合電力模塊配電架構(gòu)融合了UPS 輸入輸出配電,相比傳統(tǒng)方案,供配電系統(tǒng)鏈路連接點(diǎn)更少,系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單,出現(xiàn)失效故障的可能性更低;且撬裝式在工廠組裝預(yù)制化、標(biāo)準(zhǔn)流水式作業(yè)、出廠測(cè)試、安裝施工總裝環(huán)節(jié)引入失效點(diǎn)的可能性更小,可靠性更高。

圖13 融合電力模塊原理示意圖

5 配電架構(gòu)對(duì)比

2N系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì):可用性高、系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備和線路容易實(shí)現(xiàn)物理隔離、運(yùn)行成本適中、運(yùn)維難度最低。2N系統(tǒng)的劣勢(shì):建設(shè)成本偏高。在數(shù)據(jù)中心實(shí)際案例中,用2N系統(tǒng)的情況最多。GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦供配電系統(tǒng)采用2N架構(gòu)。2N架構(gòu)/“異構(gòu)”和融合電力模塊對(duì)比如表1所示。

表1 2N架構(gòu)/“異構(gòu)”和融合電力模塊對(duì)比

6 結(jié) 語

2N系統(tǒng)中,兩路供電存在著高可靠性的物理隔離,因此,不同的分配結(jié)構(gòu)對(duì)平面布置的需求也不盡相同,而不同的平面布置方式又會(huì)給配電架構(gòu)帶來一定的約束。

“異構(gòu)”架構(gòu)能夠滿足數(shù)據(jù)中心的容錯(cuò)需求,與傳統(tǒng)的2N配電架構(gòu)相比,具有較高的可靠性。配電母線(母聯(lián)母線/UPS輸入母線)是在配電室之間進(jìn)行連接的,所以需要有比較合理的平面布置。它的缺點(diǎn)是,必須有兩組同樣的配電變壓器,增加了一定的成本。

融合的電力模塊2N架構(gòu)能夠滿足數(shù)據(jù)中心的容錯(cuò)需求,與傳統(tǒng)的2N配電系統(tǒng)相比,減少鏈路設(shè)備,可靠性較高。減少多個(gè)開關(guān)設(shè)備,節(jié)約了配電室面積,且配電柜與UPS深度融合,減少了配電室施工,施工工藝更優(yōu)。目前融合的電力模塊技術(shù)在數(shù)據(jù)中心行業(yè)屬于起步階段,案例較少。