A級(jí)數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載配電系統(tǒng)架構(gòu)探討

摘 要：

為設(shè)計(jì)人員提供A級(jí)數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載配電系統(tǒng)架構(gòu)選擇依據(jù)，對(duì)配電系統(tǒng)架構(gòu)形式、造價(jià)及用電可靠性進(jìn)行討論。在2N、DR、RR 3個(gè)配電系統(tǒng)架構(gòu)中，2N配電系統(tǒng)架構(gòu)在造價(jià)上略高，但配電架構(gòu)簡(jiǎn)單，后期運(yùn)維存在較大優(yōu)勢(shì)，可靠性較高。綜合考慮，推薦設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先選用2N配電系統(tǒng)架構(gòu)。結(jié)果可供同類(lèi)項(xiàng)目參考。

關(guān)鍵詞：

A級(jí)數(shù)據(jù)中心; IT負(fù)載; 配電系統(tǒng); 2N; DR; RR

中圖分類(lèi)號(hào)： TU855

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

文章編號(hào)： 1674-8417（2024）12-0046-06

DOI：

10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.12.009

0 引 言

數(shù)據(jù)中心是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級(jí)、融合創(chuàng)新為導(dǎo)向，以5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等應(yīng)用需求為牽引，匯聚多元數(shù)據(jù)資源、運(yùn)用綠色低碳技術(shù)、具備安全可靠能力、提供高效算力服務(wù)、賦能千行百業(yè)應(yīng)用的新型基礎(chǔ)設(shè)施，具有高技術(shù)、高算力、高能效、高安全特征。

隨著數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施重要性的提升，意味著相應(yīng)的運(yùn)行保障等級(jí)需相應(yīng)升高，作為最基礎(chǔ)且最重要的配電系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)前期就引起足夠的重視。

1 數(shù)據(jù)中心分級(jí)及對(duì)應(yīng)的配電系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］定義，數(shù)據(jù)中心劃分為A、B、C三級(jí)，常用的系統(tǒng)冗余種類(lèi)分為N、N+1、2N三類(lèi)：

① N基本需求，系統(tǒng)滿(mǎn)足基本需求，沒(méi)有冗余。

② N+1系統(tǒng)滿(mǎn)足基本需求外，增加了1個(gè)組件、1個(gè)單元、1個(gè)模塊或1個(gè)路徑。任何1個(gè)組件、單元、模塊或路徑的故障或維護(hù)不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行中斷。

③ 2N至少有一套系統(tǒng)在正常工作。按容錯(cuò)系統(tǒng)具有兩套系統(tǒng)，在同一時(shí)刻，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(mǎn)足電子信息設(shè)備正常運(yùn)行的基本需求。

A級(jí)數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施按容錯(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，對(duì)應(yīng)配電系統(tǒng)架構(gòu)為2N;B級(jí)數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)按冗余要求配置，在電子信息系統(tǒng)運(yùn)行期間，基礎(chǔ)設(shè)施在冗余能力范圍內(nèi)，不應(yīng)因設(shè)備故障而導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷，對(duì)應(yīng)配電系統(tǒng)架構(gòu)為N+1;C級(jí)數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)按基本需求配置，在基礎(chǔ)設(shè)施正常運(yùn)行情況下，應(yīng)保證電子信息系統(tǒng)運(yùn)行不中斷，對(duì)應(yīng)配電系統(tǒng)架構(gòu)為N。

2 用電可靠性

2.1 配電系統(tǒng)保證可靠性的原因

A級(jí)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)，保持連續(xù)、穩(wěn)定、無(wú)

故障運(yùn)行是其最為重要的功能和目標(biāo)，電力系統(tǒng)

本身有一定的故障率，為保證數(shù)據(jù)中心不受其影響，合理地選擇配電系統(tǒng)架構(gòu)就成為用電可靠性保證的重要措施。

2.2 電力系統(tǒng)用電可靠性

“2023年全國(guó)電力可靠性年度報(bào)告”［2］中的數(shù)據(jù)顯示，2023年，全國(guó)有39.80%的用戶(hù)未發(fā)生過(guò)故障停電;在發(fā)生故障停電用戶(hù)中，有近34.85%的用戶(hù)故障停電1次，有21.50%的用戶(hù)故障停電次數(shù)在5次及以上，4.61%的用戶(hù)故障停電次數(shù)在10次及以上。

2023年，故障停電平均持續(xù)時(shí)間為3.21 h/次，其中，有39.65%的故障停電能夠在1 h以?xún)?nèi)排除并恢復(fù)供電;有63.80%的故障停電能夠在2 h以?xún)?nèi)排除并恢復(fù)供電;有4.11%的故障停電恢復(fù)時(shí)間超過(guò)了10 h。

2.3 配電系統(tǒng)配置分析

根據(jù)上述報(bào)告中提供的數(shù)據(jù)，可以明顯看出，2023年度，全國(guó)僅有39.8%的用戶(hù)未發(fā)生過(guò)故障停電，所以要保證數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)持續(xù)工作，必須要在配電系統(tǒng)架構(gòu)上進(jìn)行備用容錯(cuò)或冗余設(shè)置。

數(shù)據(jù)中也指出2023年度，僅有4.11%的故障停電恢復(fù)時(shí)間超過(guò)了10 h。根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》要求A級(jí)數(shù)據(jù)中心必須配置備用電源，而在實(shí)際工作中，大多數(shù)的項(xiàng)目均采用柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。根據(jù)規(guī)范要求，A級(jí)數(shù)據(jù)中心設(shè)置柴發(fā)為備用電源時(shí)，柴油儲(chǔ)量應(yīng)滿(mǎn)足12 h用油需求。

在配電系統(tǒng)架構(gòu)搭建上，可采用2N、DR、RR配電系統(tǒng)架構(gòu)滿(mǎn)足容錯(cuò)或冗余系統(tǒng)要求，保證系統(tǒng)整體的運(yùn)行不受故障停電因素的干擾。而在備用電源選擇及持續(xù)工作時(shí)間上，應(yīng)優(yōu)先選擇柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源，柴油發(fā)電機(jī)持續(xù)工作時(shí)間12 h，已覆蓋近96%的10 h內(nèi)恢復(fù)供電的用戶(hù)，可大大降低數(shù)據(jù)中心停電的風(fēng)險(xiǎn)。

3 常用配電系統(tǒng)架構(gòu)及其特點(diǎn)

A級(jí)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)負(fù)載通常分為IT負(fù)載及AP負(fù)載兩部分，鑒于篇幅有限，本文后續(xù)內(nèi)容僅對(duì)在數(shù)據(jù)中心更為核心的IT負(fù)載配電架構(gòu)進(jìn)行分析、討論，備用電源統(tǒng)一采用柴油發(fā)電機(jī)配置。

A級(jí)數(shù)據(jù)中心常用配電系統(tǒng)架構(gòu)包括2N、DR、RR 3種。

2N：雙倍冗余式配電系統(tǒng)架構(gòu)。

DR：分布式冗余式配電系統(tǒng)架構(gòu)。

RR：后備式冗余式配電系統(tǒng)架構(gòu)。

3.1 2N配電系統(tǒng)架構(gòu)及特點(diǎn)

2N配電系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。圖1的架構(gòu)為國(guó)內(nèi)最常用A級(jí)配電系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)通常指在系統(tǒng)中，配電設(shè)備采用2N數(shù)量，且在一套系統(tǒng)故障狀態(tài)下，另一套系統(tǒng)仍能夠獨(dú)立工作并保障電力供應(yīng)。

變壓器、配電柜及UPS均為基礎(chǔ)配置的2倍，兩路互為備用，UPS并機(jī)后，每路UPS負(fù)載率不高于50%，在某路配電設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題后，另一路設(shè)備可以將兩路的負(fù)載全部帶起來(lái)。2N配電系統(tǒng)架構(gòu)需要配置雙倍的基礎(chǔ)設(shè)備，工程造價(jià)偏高，故障時(shí)可自動(dòng)切換到互備設(shè)備，實(shí)用性較高，運(yùn)維難度低，雙倍配置的數(shù)量可按照容錯(cuò)要求，設(shè)置物理隔離。這是該系統(tǒng)的另一大優(yōu)勢(shì)。

3.2 DR（即分布式冗余）配電系統(tǒng)架構(gòu)及特點(diǎn)

DR配電系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。架構(gòu)將負(fù)載均分為N組，每個(gè)供配電單元為本組負(fù)載和相鄰負(fù)載供電，形成“手拉手”供電方式，從架構(gòu)形式上看，類(lèi)似于N+1架構(gòu)。正常運(yùn)行情況下，每個(gè)供配電單元的負(fù)荷率為66%。當(dāng)一個(gè)供配電系統(tǒng)發(fā)生故障，其對(duì)應(yīng)負(fù)載由相鄰供配電單元繼續(xù)供電［3-4］，優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行效率高，前期投資少，缺點(diǎn)是運(yùn)維較復(fù)雜，不易形成物理隔離。

3.3 RR（即后備式冗余）配電系統(tǒng)架構(gòu)及特點(diǎn)

RR配電系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。架構(gòu)由多個(gè)供配電單元組成，其中一個(gè)單元作為其他運(yùn)行單元的備用。當(dāng)一個(gè)運(yùn)行單元發(fā)生故障，通過(guò)電源切換裝置，備用單元繼續(xù)為負(fù)載供電［4-5］，其架構(gòu)同樣與N+1架構(gòu)類(lèi)似，優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行效率高，缺點(diǎn)是靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（STS）配置較多，運(yùn)維較復(fù)雜，初始投資高。

4 配電系統(tǒng)架構(gòu)經(jīng)濟(jì)性比選

4.1 假設(shè)基本配置及核算造價(jià)情況

以0.4 kV側(cè)配電架構(gòu)為例，發(fā)電機(jī)位于0.4 kV側(cè)，3組冷通道，每組冷通道20個(gè)機(jī)柜，每柜5 kW功率，每組冷通道按照100 kW功率進(jìn)行計(jì)算，功率因素取0.8，考慮UPS冗余量，計(jì)算容量不小于1.2×負(fù)載容量。將采用的3種配電架構(gòu)形式進(jìn)行直接核算，選型及造價(jià)數(shù)據(jù)概算如下文所述（所有概算價(jià)格以國(guó)內(nèi)一線國(guó)產(chǎn)品牌進(jìn)行估算）。

4.1.1 2N配電系統(tǒng)架構(gòu)主設(shè)備配置

圖1系統(tǒng)采用2N配電系統(tǒng)架構(gòu)，各組IT負(fù)載均由兩獨(dú)立回路配電單元承擔(dān)，正常工作狀態(tài)時(shí)，兩組配電單元各承擔(dān)50%負(fù)載，單回路設(shè)備故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)迅速切換，由無(wú)故障回路承擔(dān)系統(tǒng)內(nèi)100%負(fù)載。100%負(fù)載容量=1.2×20柜×5 kW/0.8×3=450 kVA。

該系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

① 三組冷通道分別配置兩套機(jī)房列頭柜（RPP）柜，即6臺(tái)RPP柜;

② 配置2套低壓配電柜在UPS出線側(cè)，為RPP柜供電;

③ 配置2套低壓配電柜在UPS進(jìn)線側(cè)，為UPS供電;

④ 配置2套500 kVA UPS為IT負(fù)載供電;

⑤ 配置2套630 kVA變壓器為IT負(fù)載供電;

⑥ 0.4 kV側(cè)配置2套500 kW柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。

2N配電系統(tǒng)架構(gòu)概算價(jià)格如表1所示。

4.1.2 DR配電系統(tǒng)架構(gòu)主設(shè)備配置

圖2系統(tǒng)采用DR配電系統(tǒng)架構(gòu)，各組IT負(fù)載均由本組配電單元及下組配電單元構(gòu)成的雙回路承擔(dān)，正常工作狀態(tài)時(shí)，每組UPS承擔(dān)本組IT負(fù)載，單回路設(shè)備故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)迅速切換，由相鄰配電單元回路承擔(dān)故障回路的IT負(fù)載。根據(jù)假設(shè)配置要求，本系統(tǒng)含3組IT負(fù)載，每組配電單元最多需承擔(dān)2組IT負(fù)載，即實(shí)際承擔(dān)66%IT負(fù)載，66%IT負(fù)載容量為300 kVA。

該系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

① 三組冷通道分別配置兩套R(shí)PP柜，即6臺(tái)RPP柜;

② 配置3套低壓配電柜在UPS出線側(cè)，為RPP柜供電;

③ 配置3套低壓配電柜在UPS進(jìn)線側(cè)，為UPS供電;

④ 配置3套300 kVA UPS為IT負(fù)載供電;

⑤ 配置3套315 kVA變壓器為IT負(fù)載供電;

⑥ 0.4 kV側(cè)配置3套250 kW柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。

DR配電系統(tǒng)架構(gòu)概算價(jià)格如表2所示。

4.1.3 RR配電系統(tǒng)架構(gòu)主設(shè)備配置

圖3系統(tǒng)采用RR配電系統(tǒng)架構(gòu)，各組IT負(fù)載均由兩獨(dú)立回路配電單元承擔(dān)，要求正常工作狀態(tài)時(shí)，每組配電單元承擔(dān)各組IT負(fù)載，備用配電單元承擔(dān)全部備用100%IT負(fù)載，單回路設(shè)備故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)迅速切換，由備用配電單元回路承擔(dān)故障回路IT負(fù)載。100%負(fù)載容量=1.2×20柜×5 kW/0.8×3=450 kVA。33%負(fù)載容量=1.2×20柜×5 kW/0.8=150 kVA。

該系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

① 三組冷通道分別配置兩套STS設(shè)備，即6臺(tái)STS;

② 配置4套低壓配電柜在UPS出線側(cè)，為STS供電;

③ 配置4套低壓配電柜在UPS進(jìn)線側(cè)，為UPS供電;

④ 配置1套500 kVA UPS、3套160 kVA UPS為IT負(fù)載供電;

⑤ 配置1套630 kVA變壓器、3套160 kVA變壓器為IT負(fù)載供電;

⑥ 0.4 kV側(cè)配置1套500 kW柴油發(fā)電機(jī)、3套150 kW柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。

RR配電系統(tǒng)架構(gòu)概算價(jià)格如表3所示。

4.2 配電系統(tǒng)架構(gòu)主設(shè)備成本對(duì)比

由上述概算價(jià)格可知，僅對(duì)比IT負(fù)載主設(shè)備情況下，2N配電系統(tǒng)架構(gòu)成本最高，RR次之，DR最低。其中，DR配電系統(tǒng)架構(gòu)相較2N配電系統(tǒng)架構(gòu)成本降低約9.7%，RR配電系統(tǒng)架構(gòu)相較2N配電系統(tǒng)架構(gòu)成本降低約4.9%。

5 配電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)建議

數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)人員進(jìn)行配電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分了解客戶(hù)實(shí)際需求，明晰概算情況，充分了解各系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)及后續(xù)維護(hù)、電費(fèi)開(kāi)支等情況，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行配電架構(gòu)設(shè)計(jì)。

經(jīng)過(guò)核算，工程設(shè)備造價(jià)上2N配電系統(tǒng)架構(gòu)高出DR配電系統(tǒng)架構(gòu)約9.7%，高出DR配電系統(tǒng)架構(gòu)約4.9%;系統(tǒng)架構(gòu)上，2N配電系統(tǒng)架構(gòu)最簡(jiǎn)單，RR配電系統(tǒng)架構(gòu)最復(fù)雜;后期運(yùn)維上，同樣是2N配電系統(tǒng)架構(gòu)最簡(jiǎn)單，RR配電系統(tǒng)架構(gòu)最復(fù)雜。

按照數(shù)據(jù)中心國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)要求，在配電系統(tǒng)架構(gòu)的選擇中，應(yīng)優(yōu)先保證系統(tǒng)可靠性，2N架構(gòu)在造價(jià)上略高，但配電架構(gòu)簡(jiǎn)單，后期運(yùn)維存在較大優(yōu)勢(shì)，可靠性較高，且國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中均推薦2N配電系統(tǒng)架構(gòu)為A級(jí)數(shù)據(jù)中心標(biāo)配，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮2N架構(gòu)作為A級(jí)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的配電系統(tǒng)架構(gòu)配置。

6 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心在國(guó)家數(shù)字轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略體系中的地位越來(lái)越重，隨之而來(lái)的各系統(tǒng)的運(yùn)行保障問(wèn)題須更加重視，數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的配電架構(gòu)在保障運(yùn)行方面起到至關(guān)重要的作用，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段引起足夠重視，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)配電系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，應(yīng)充分考慮項(xiàng)目特點(diǎn)，設(shè)備造價(jià)情況及要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)等，確保配電系統(tǒng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，保證數(shù)據(jù)中心承擔(dān)起數(shù)據(jù)安全保障的任務(wù)。

［1］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50174—2017［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2017.

［2］ 國(guó)家能源局，國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).2023年全國(guó)電力可靠性年度報(bào)告［R］.2023.

［3］ 王紅偉，張明.全面掌控?cái)?shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化應(yīng)用，2023，64（1）：155-162.

［4］ 鐘景華.數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構(gòu)及備用電源的選擇［J］.建筑電氣，2018，37（1）：3-7.

［5］ 黃博，賈鋒澤，宋世杰，等.數(shù)據(jù)中心RR架構(gòu)分析及應(yīng)用實(shí)踐［J］.建筑電氣，2022，41（12）：49-55.

收稿日期： 2024-08-01

Discussion on the Architecture of IT Load Distribution System in

A-Level Data Center

SUN Yun

（Zeyu Technical Group Co.， Ltd.， Xiamen 361000， China）

Abstract：

This article aims to provide designers with a basis for selecting the architecture of A-level data center IT load distribution systems.Through discussions on the form，cost，and reliability of the distribution system architecture，it is concluded that among the three distribution system architectures of 2N，DR，and RR，the 2N distribution system architecture has a slightly higher cost but a simpler distribution architecture，which has significant advantages in later operation and maintenance and higher reliability.Taking into account all factors，it is recommended to prioritize the use of the 2N distribution system architecture in design.

Key words：

class A data center; IT loads; power distribution systems; 2N; DR; RR