趙燕河

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)方案簡述

趙燕河

（漳州科華技術(shù)有限責(zé)任公司，福建 漳州 363000）

介紹了數(shù)據(jù)中心分級、數(shù)據(jù)中心供電電源的技術(shù)要求，并根據(jù)供電系統(tǒng)建設(shè)時的不同形式，簡要闡述了數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)方案。

UPS；冗余配電；電源；數(shù)據(jù)中心

在數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)中，配置不間斷電源的目的是防止因市電停電或市電異常造成計算機設(shè)備、通信設(shè)備等負載設(shè)備的停機或發(fā)生誤動作，避免數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)因掉電或供電異常而造成無法預(yù)估的損失。不間斷電源UPS是數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)不間斷供電的重要保障，將直接影響數(shù)據(jù)中心的可靠性；另外，數(shù)據(jù)中心中UPS的損耗較大，所以，降低能耗并提高可靠性已成為數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向。不同客戶對微模塊數(shù)據(jù)中心供配電方案的需求不同，數(shù)據(jù)中心供應(yīng)商需要對供配電方式有正確的認(rèn)識和靈活運用。

1　數(shù)據(jù)中心機房分級

據(jù)國標(biāo)GB 50174標(biāo)準(zhǔn)要求，電子信息系統(tǒng)機房應(yīng)劃分為 A、B、C三個等級，在設(shè)計時應(yīng)考慮機房使用性質(zhì)、管理需求及其在社會與經(jīng)濟中的重要性來定義所屬級別。

A級機房定義：電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成重大的經(jīng)濟損失或公共場所秩序嚴(yán)重混亂。

B級機房定義：電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成較大的經(jīng)濟損失或公共場所秩序混亂。

C級機房定義：保證電子信息系統(tǒng)不間斷運行。

GB 50174—2008《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》與國際標(biāo)準(zhǔn)TIA—942《數(shù)據(jù)中心的電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》中，數(shù)據(jù)中心機房分級如表1所示。

2　供配電方案

2.1 N系統(tǒng)

N系統(tǒng)滿足基本需求，沒有冗余UPS設(shè)備，其優(yōu)點為系統(tǒng)簡單，硬件配置成本低廉；UPS工作為滿負荷，因此效率較高；其缺點是可用性低，當(dāng)UPS發(fā)生故障，負載將轉(zhuǎn)換到旁路供電，無保護電源；在UPS、電池等設(shè)備維護期間，負載處于無保護電源狀態(tài)；存在多個單故障點。N系統(tǒng)基本原理如圖1所示。

表1 數(shù)據(jù)中心機房分級標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求

GB 50174—2008分級A級B級C級 TIA—942分級Tier 4Tier 3Tier 2Tier 1 系統(tǒng)性能雙系統(tǒng)同時運行雙系統(tǒng)一用一備單系統(tǒng)冗余配置單系統(tǒng)基本配置 供電電源2個電源供電2個電源供電2個電源供電2回電源供電 變壓器冗余M（1+1）M（1+1）M（1+1）N UPS冗余及時間2N，30 minN+1，30 minN+1，30 minN，15 min 柴油發(fā)電機冗余及儲油量N+1，96 hN+1，72 hN，24 hN，8 h 機房專用空調(diào)冗余2NN+XN+1N

圖1 N系統(tǒng)基本原理圖

2.2 N+X系統(tǒng)

相對于“N”系統(tǒng)，“N+X”系統(tǒng)在UPS配置上有了一定冗余，系統(tǒng)可靠性有所提高，同時帶來了系統(tǒng)配置成本增加、系統(tǒng)負荷率的降低以及效率降低。N+X系統(tǒng)穩(wěn)定且成本提升不大，因此在數(shù)據(jù)中心得到了廣泛應(yīng)用，但是該系統(tǒng)在UPS輸出端仍然存在單故障點，實際項目中由此造成的系統(tǒng)宕機屢見不鮮。所以，相應(yīng)出現(xiàn)了一種“市電+U電”的供電架構(gòu)，即在N+X系統(tǒng)基礎(chǔ)上做了改進，UPS設(shè)備配置不變，將服務(wù)器等雙電源設(shè)備中1路改由市電直接供電，消除了單點故障，可靠性較N+1系統(tǒng)大大提高，同時，UPS系統(tǒng)損耗降低為原先的50%。UPS系統(tǒng)整體效率提升至95%以上。

N+X系統(tǒng)基本原理如圖2所示。

圖2 N+X系統(tǒng)基本原理圖

2.3 2N系統(tǒng)

為了消除單點故障，高等級（A級）數(shù)據(jù)中心通常采用2N冗余系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般是由至少2套UPS組成雙路雙電源系統(tǒng)，從前端雙電源輸入到UPS輸出再到IT負載，整個電氣回路完全是獨立隔離的。簡單而言，任意回路出現(xiàn)單點故障都不會對系統(tǒng)造成供電故障，正常運行時，每個回路承擔(dān)約50%的總負荷，因為雙路雙電源是整個系統(tǒng)，UPS端其空調(diào)等設(shè)備需要配置雙路電源輸入，整個系統(tǒng)涉及系統(tǒng)級設(shè)計與規(guī)劃。采用2N冗余系統(tǒng)可用性得到明顯提高。2N冗余系統(tǒng)的缺點也非常明顯，即設(shè)備配置多、成本高，通常情況下效率比N+X系統(tǒng)更低。

2N系統(tǒng)的基本原理如圖3所示。

圖3 2N系統(tǒng)的基本原理

2.4 UPS ECO模式

雙轉(zhuǎn)換在線式UPS配置有靜態(tài)旁路，正常情況下負載由旁路供電，交流輸入中斷后再切換至逆變由電池供電的運行模式，被稱為ECO模式，即經(jīng)濟運行模式。ECO模式雖然帶來了效率的提升，但其代價是IT負載由市電供電，UPS必須不斷監(jiān)視市電狀態(tài)，并在發(fā)現(xiàn)問題且當(dāng)該問題尚未影響負載時，迅速切換到逆變器供電，其實際操作起來需要承擔(dān)一定的風(fēng)險。

2.5 HVDC電源系統(tǒng)

目前常用的是240 V高壓直流供電系統(tǒng)，它與傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)換在線式UPS系統(tǒng)的主要區(qū)別是取消了逆變環(huán)節(jié)，其蓄電池掛接在直流母線，與整流器并聯(lián)，同時為IT設(shè)備供電。由于直流電源拓撲簡單，因此故障率較傳統(tǒng)UPS有所降低；一般都采用模塊化設(shè)計，可實現(xiàn)在線維護。

IT設(shè)備電源模塊的前端一般是橋式整流電路，從原理上分析，輸入由AC220 V替換為DC240 V時，IT設(shè)備仍然可以正常工作。DC240 V系統(tǒng)浮充電壓為270 V，對現(xiàn)有IT設(shè)備的兼容性最好，其缺點是配電線路的損耗較大，電源轉(zhuǎn)換效率較低。目前已有數(shù)以十萬計的IT設(shè)備運行在DC240 V系統(tǒng)下，其可行性得到較好的實踐檢驗。其效率可以通過元件的選擇以及采用離線架構(gòu)彌補，將電源與負荷就近布置也可抵消配電線路的損耗。綜合考慮，240 V HVDC目前是數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的高壓直流電源系統(tǒng)。與雙變換在線式UPS應(yīng)用類似，高壓直流目前也以在線應(yīng)用為主。所謂在線，是指交流電能始終經(jīng)HVDC整流后為IT設(shè)備供電，通常有6%以上的損耗；所謂離線，是指正常情況下市電直供IT設(shè)備，HVDC僅為蓄電池提供浮充，市電中斷后，轉(zhuǎn)由蓄電池供電，在這種架構(gòu)下，正常情況為IT設(shè)備供電的電能不經(jīng)過HVDC轉(zhuǎn)換，此部分損耗幾乎可以忽略。因此，節(jié)能效果顯著。

3　結(jié)束語

通過以上分析可知，選擇的最佳方案為選擇與數(shù)據(jù)中心機房分級及各系統(tǒng)業(yè)務(wù)相匹配的供電系統(tǒng)方案。由于UPS設(shè)備本身工作原理復(fù)雜，UPS運作中也會發(fā)生故障，一旦UPS故障，將會對整個數(shù)據(jù)中心的運行造成不良后果。然而，通過UPS設(shè)備冗余可以提高整個供配電系統(tǒng)的可靠性，這便有了N、N+X、2N等多種在線式，供配電方案以及 ECO離線式供配電方案。雖電源設(shè)備冗余可以提高數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的可靠性，但它也帶來了成本和能耗的增加。另外，為了避免傳統(tǒng)UPS設(shè)備故障率高和UPS設(shè)備冗余帶來的成本、能耗高等問題，國內(nèi)很多數(shù)據(jù)中心規(guī)模部署了240 V直流電源系統(tǒng)。所以，如何正確應(yīng)用不同的供配電方案，為客戶提供安全、可靠、節(jié)能的綠色電源為首要任務(wù)。

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TP308

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.055

2095－6835（2020）08－0126－02

〔編輯：張思楠〕