煤礦模塊化數據中心機房供電設計與研究

［摘 要］文章以某煤礦數據中心機房供電設計為例，探討了模塊化供電方式在實際應用中的背景、設計內容及優(yōu)勢。研究表明，模塊化供電方式不僅確保了煤礦數據中心機房的安全穩(wěn)定運行，還有效解決了位置偏僻、供電質量低等問題。

［關鍵詞］模塊化；數據機房；供電設計

［中圖分類號］TP308 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0076–03

1 模塊化數據中心機房供電優(yōu)勢

模塊化數據中心具有靈活、易擴充等優(yōu)點。采用模塊化的設計方法，電力供應系統(tǒng)能夠快速布署，高效運行，便于維護，為企業(yè)帶來更大的商業(yè)發(fā)展機遇。

（1）模塊化供電網絡可以通過預整合、預測試來降低網絡建設的復雜度，降低建設周期，提高新建數據中心的運行速度。此外，當電力消耗不斷上升時，只需加入更多的電源模組，就能擴大供應容量，而不必重新構建整體的電源架構。

（2）模塊化電源一般采用先進、有效的電源變換技術，以提高能量利用效率，降低能量浪費。這樣既可以減少能耗，又可以減少環(huán)境污染。

（3）模塊化的設計使得供電系統(tǒng)可以方便地對某一種功率模塊進行維修或更換，與常規(guī)供電方式相比，降低了維修風險，縮短了數據中心的停工期。且模塊化供電方式按實際需要進行供電，既可以避免過多的投入，又可以最大限度地優(yōu)化維修費用，具有明顯的性價比。

（4）在軟件模塊化設計中，要考慮冗余因素，提高系統(tǒng)的可靠性。當某個模塊發(fā)生故障時，其他模塊仍能正常運行，從而保證了數據中心的持續(xù)供電。

總體來說，模塊化數據中心機房具有更大的靈活性，電源供應系統(tǒng)可以根據不同的環(huán)境情況進行設計，以更好地滿足不斷變化的布署需求。

2 案例分析

2.1 背景簡介

煤礦數據中心機房是煤礦安全的指揮中樞，與普通的信息室不同，其有完整的調度指揮系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)。因為煤礦所處的位置通常比較偏僻，所以供電質量比較低，再加上煤礦的生產設備比較多，部分功率比較大的設備的啟動和關閉，都會造成供電系統(tǒng)較大的電壓波動。因此，調度供電系統(tǒng)主要由干線供電（包括雙回路供電）、恒壓供電系統(tǒng)、 UPS 系統(tǒng)和后端的配電系統(tǒng)組成，以確保數據中心機房設備的安全性。干線供電系統(tǒng)采用雙回路設計，確保一條線路故障時，另一條能立即接管，保障供電連續(xù)性，降低潛在風險。恒壓供電系統(tǒng)自動調整電壓輸出，確保設備在穩(wěn)定電壓環(huán)境下運行，延長設備壽命。UPS 系統(tǒng)為數據中心提供緊急電力支持，在市電中斷或不穩(wěn)定時，迅速切換至電池供電，確保設備正常運行，為管理員提供故障排查時間。后端配電系統(tǒng)根據設備需求合理分配電力，確保供電均衡高效，同時提供過載和短路保護，防止設備損壞和火災風險。針對機房規(guī)模龐大、用電負荷大的特點，采用模塊化UPS雙總線供電方式，以增強系統(tǒng)的可靠性與容錯性。

2.2 模塊化數據中心機房供電設計

模塊化數據中心通過對核心部件進行標準化設計，使其能夠根據需要進行快速擴充和配置。對于模組化的資料中心而言，電源設計是保證模組化資料中心連續(xù)可靠運作的重要因素。某煤礦模塊化數據中心機房供電設計如圖1 所示。

2.2.1 電源容量

在該礦模塊化數據中心機房中，每個模塊化UPS系統(tǒng)都擁有精心設計的電池組和逆變器，這些核心部件的布置和功能，為整個供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提供了堅實的基礎。

（1）從電池組布局上看，各UPS 組件均配備有獨立的電池組，以儲存電能或當系統(tǒng)出現(xiàn)故障或不穩(wěn)定時作為應急備用。這就意味著，當發(fā)生停電時，模塊化數據中心機房內的重要設備仍可依賴于此，以保證數據資產的安全性與可靠性。這些電池組都是經過仔細挑選和配置的，具有充足的能量和較快的充電速率，既能滿足對后備電源的需求，又能在電網恢復正常供電之后，為下次應急救援做好準備。

（2）在逆變器配置方面，各模塊UPS 均配置1 臺獨立的逆變電源。逆變器是將蓄電池中儲存的直流電能轉化為穩(wěn)定的交流電能的核心部件。這一重要特性保證了該裝置在斷電時仍可持續(xù)運轉，可防止因功率不足而造成的服務中斷及資料遺失。本項目擬通過對逆變器進行優(yōu)化設計，使其輸出的交流電能既能滿足數據中心對電能品質及穩(wěn)定運行的要求，又能保障其在任意時間內的穩(wěn)定供電。通過合理的配置，使UPS系統(tǒng)具有較強的獨立供電能力，可以在電網發(fā)生故障或其他電源波動時，快速可靠地向UPS提供后備電源。通過本項目的研究，可以有效保障模塊化數據中心的正常運營，減少電源失效對運營的影響，保證模塊化數據中心的安全性和完整性。

2.2.2 電源質量

UPS 作為一種重要的供電方式，可以在電網停電或者電壓波動的情況下，為設備的正常運轉提供快速供電。UPS 是由蓄電池、靜態(tài)開關、逆變裝置等構成的系統(tǒng)，在監(jiān)測到電網斷電后，將自動切換到后備電源，從而使整個模塊化數據中心的設備能夠正常工作。不間斷電源的設計與備份性能直接影響著整個模塊化數據中心的運營穩(wěn)定與設備安全，必須根據具體的應用需求，對其進行合理規(guī)劃與配置。UPS 的配電回路（每個配電開關有一個回路）要按照不同的分布設置，如微型計算機、伺服器要有1 個獨立的雙回路供電，其他計算機則是一條帶3～4 個插座的回路，并且固定在地上。將UPS的電源單獨輸送至主機房的配電箱（終端），具有可靠性高、操作簡便等優(yōu)點。

該機房將電力需求劃分為兩個獨立的區(qū)域，即A區(qū)和B 區(qū)，每個區(qū)域配備1 個模塊化UPS 供電系統(tǒng)。每個模塊化不間斷電源系統(tǒng)都是由多個組件構成，每個組件都具有獨立的電池、逆變器，保證了電源的穩(wěn)定，避免了故障的發(fā)生。并在此基礎上，利用功率開關設備對兩個分區(qū)進行冗余切換，達到雙路供電的保護機理。在機房內，每個模組化的不間斷電源系統(tǒng)都經過仔細設計，以應付電源變動及意外事故。每個模組中都含有1 個單獨的電池組，當電網發(fā)生故障時，可以為系統(tǒng)提供持續(xù)、穩(wěn)定的后備電源。另外，每個模組均裝有1 個反相器，用以將儲存于蓄電池之直流電轉為交流電，以供伺服器與網路裝置用電。在正常情況下，兩套UPS 并聯(lián)工作，以保證模塊化數據中心機房的供電可靠性。但是，當其中一個組件出現(xiàn)故障時，另外一個組件會自動承擔全部的負荷，從而保證系統(tǒng)的連續(xù)性，從而防止系統(tǒng)出現(xiàn)停電。同時，采用雙總線供電方式和功率開關設備，提高了供電系統(tǒng)的可靠性。當某一地區(qū)的不間斷電源出現(xiàn)故障時，其他地區(qū)的不間斷電源可以進行無縫供電，從而保證了數據中心內設備的正常運轉。

2.2.3 分布式電源供應

分布式供能是將供能部件與用電設備保持一定距離的供電模式。在傳統(tǒng)的集中式供電模式下，電力必須由1 個中心點向各用電設備傳輸，易損耗電能，導致能源浪費。

針對現(xiàn)有供電模式存在的不足，本項目提出分布式供能方案，通過將供能單元設置在用戶附近，從而縮短電能傳輸路徑，降低電能損耗，降低電能損耗，提升能量傳輸的可靠性。其中，配電網單元（PDU）起著至關重要的作用。PDU 是集電源管理、功率測試、遠程監(jiān)測與控制于一體的配電裝置。采用PDU 技術，可將電能直接送至用電設備，縮短了傳輸距離，減少了能量消耗，減少了線路阻抗損失。利用分布式供電方式，可以有效地提高輸電效率，減少輸電線路的損耗。另外，由于采用了短距離供電方式，可以減小供電電壓的畸變，提高供電品質和穩(wěn)定度，減少電氣設備的損傷。

另外，每個PDU 均具有遠程監(jiān)視與控制的功能，因此能夠對各機柜的功率消耗、電壓、頻率等參數進行實時監(jiān)控，從而能夠及時地對各機柜進行故障診斷與維修，有助于實時把握各機柜的功率消耗狀況，適時進行功率調配，提升能效，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。另外，在故障維修中，分布式供電策略能為用戶提供精確的電力消耗及故障診斷信息，有助于迅速定位故障點，縮短停電周期。

2.2.4 并行運行與容錯能力

正常情況下，2 套不間斷電源并聯(lián)運行，可保證模塊化數據中心機房的供電。并聯(lián)運行的設計確保了電源系統(tǒng)既能適應大功率裝置的需要，又能使負荷分布均勻，不會出現(xiàn)單機負荷過大的問題。同時，模塊化的設計使得計算機室可以根據業(yè)務的發(fā)展增加附加的UPS 模塊，從而提高系統(tǒng)的處理能力，提高系統(tǒng)的冗余性。但是，即便是平行運作，當某個模組失效時，另外一個模組仍可自動承擔全部負荷。在此基礎上，通過對電源品質及模塊的運行狀況進行實時監(jiān)控，在出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能自動對故障模塊進行隔離，同時備份開關設備能及時將負荷轉移至運行中的模塊。該方案可保證電力供應的持續(xù)穩(wěn)定，并可降低單一模組失效所造成的業(yè)務中斷及資料遺失之危險。同時，模塊化雙總線供電方式也使整個系統(tǒng)具備了很好的彈性和可擴充性，可以滿足各種數據中心的需要，并能滿足各種負荷的需要。在此基礎上，可依據特定的機房負荷狀況，增減模組數目，以達到所需的電源容量。這一柔性設計有助于數據中心更好地適應日益增加的能量需求，同時也保證了電力供應系統(tǒng)的容量和備用容量能夠滿足實際需要。

3 結束語

模塊化數據中心供電系統(tǒng)憑借其靈活易擴展、降低建設復雜度、提高能量利用效率及系統(tǒng)可靠性高等顯著優(yōu)勢，在煤礦數據中心機房等關鍵設施中發(fā)揮著至關重要的作用。通過模塊化UPS 系統(tǒng)、雙總線供電、分布式電源供應等創(chuàng)新設計，不僅確保了數據中心機房的穩(wěn)定運行，也為企業(yè)的數據安全提供了堅實保障。模塊化供電方式的成功應用，不僅展現(xiàn)了現(xiàn)代供電技術的先進性，也為未來數據中心的發(fā)展提供了重要借鑒。

參考文獻

[1] 高凱亮. 數據機房HVDC 整流電源的設計與應用[D]. 上海：上海交通大學，2015.

[2] 郭彥申，李進壯.IDC 機房IT 設備供電系統(tǒng)探討[J]. 郵電設計技術，2016（8）：83-87.

[3] 李華巍. 集裝箱式新型數據中心的構建與管理流程研究[D]. 杭州：浙江工業(yè)大學，2015.

[4] 張黎. 一種機架式服務器管理系統(tǒng)的設計與研究[D]. 蘇州：蘇州大學，2017.

[5] 李永寧，潘洪濤，劉苗青. 數據中心節(jié)能技術應用方案研究[J]. 電信技術，2016（11）：18-20.

[6] 劉明. 三相UPS 控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)[D]. 西安：西安電子科技大學，2010.