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(jì)的基本思路。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際工程，詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)中心電氣設(shè)計(jì)過(guò)程中保證供電系統(tǒng)高可靠性的要點(diǎn)和方法。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TP308? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）11-0019-04

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

0? ? 引言

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

可靠性是數(shù)據(jù)中心運(yùn)行過(guò)程中最重要的指標(biāo)，而組成數(shù)據(jù)中心的各個(gè)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(yùn)維監(jiān)測(cè)、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(jì)規(guī)范》（GB 50174—2017）[1]（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》），并結(jié)合某A級(jí)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(jì)原則，分析和總結(jié)了數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中保障供電可靠性的要點(diǎn)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(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)的數(shù)據(jù)中心對(duì)供電電源都有較高要求，如表1所示。

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

數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目設(shè)置的供電電源種類(lèi)需根據(jù)《規(guī)范》并結(jié)合數(shù)據(jù)中心自身的級(jí)別來(lái)確定，等級(jí)越高的數(shù)據(jù)中心，其供電電源的種類(lèi)就越多，系統(tǒng)容錯(cuò)或冗余性就越高?？偟膩?lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)中心項(xiàng)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(jí)別進(jìn)行相應(yīng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，從而保證整個(gè)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的可靠性。

從《規(guī)范》的附錄A可知，不同級(jí)別的數(shù)據(jù)中心在供電電源的種類(lèi)、容錯(cuò)或冗余架構(gòu)、配電方式等方面均有區(qū)別?；诖耍疚姆謩e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(xiàng)目中的供電可靠性設(shè)計(jì)。

2? ? 市電電源的可靠性設(shè)計(jì)

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

2.1? ? 總體要求

依據(jù)《規(guī)范》，對(duì)三個(gè)級(jí)別的數(shù)據(jù)中心的市電電源要求分別如下：對(duì)于A級(jí)數(shù)據(jù)中心，必須由雙重電源供電;B級(jí)數(shù)據(jù)中心，宜由雙重電源供電;C級(jí)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(duì)應(yīng)不同級(jí)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(lái)自不同電網(wǎng)的電源，或者來(lái)自同一個(gè)電網(wǎng)但在運(yùn)行時(shí)電路相互之間聯(lián)系很弱，或者來(lái)自同一個(gè)電網(wǎng)但其間的電氣距離較遠(yuǎn)，一個(gè)電源系統(tǒng)任意一處出現(xiàn)異常運(yùn)行或發(fā)生短路故障時(shí)，另一個(gè)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(lái)自同一個(gè)電網(wǎng)或者來(lái)自同一個(gè)低壓電源。同時(shí)，不論是A級(jí)或B級(jí)數(shù)據(jù)中心采用的雙重電源，還是C級(jí)數(shù)據(jù)中心采用的雙回線路，當(dāng)其中一個(gè)回路中斷供電時(shí)，其余線路均應(yīng)能滿足整個(gè)系統(tǒng)的供電要求[3-4]。

這里需要注意一點(diǎn)，《規(guī)范》中提出B級(jí)數(shù)據(jù)中心宜由雙重電源供電，但在市電無(wú)法提供雙重電源時(shí)，可以一路市電電源搭配柴油發(fā)電機(jī)組（后備電源）的形式作為B級(jí)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(duì)三個(gè)級(jí)別的數(shù)據(jù)中心供電電源的容錯(cuò)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(gè)數(shù)據(jù)中心的計(jì)算負(fù)荷為2 400 kW，需3臺(tái)1 000 kVA的變壓器，那么N=3。

這里還需要注意，“容錯(cuò)”和“冗余”是不同的概念?！叭蒎e(cuò)”是指具有兩套或兩套以上的系統(tǒng)，在同一時(shí)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(yùn)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(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，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(zhǎng)系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間。例如，上文提到的例子，數(shù)據(jù)中心的計(jì)算負(fù)荷為2 400 kW，需3臺(tái)1 000 kVA的變壓器，如果設(shè)置6臺(tái)1 000 kVA的變壓器，那么就是滿足容錯(cuò)要求的2N系統(tǒng)（2×3），對(duì)應(yīng)于A級(jí)數(shù)據(jù)中心;如果設(shè)置4臺(tái)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(duì)應(yīng)于B級(jí)數(shù)據(jù)中心。所以，設(shè)計(jì)階段必須根據(jù)數(shù)據(jù)中心的等級(jí)，依據(jù)《規(guī)范》來(lái)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(jì)

應(yīng)急備用電源是數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)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(jī)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?jǐn)?shù)據(jù)中心的備用電源均采用柴油發(fā)電機(jī)組。

3.1? ? 柴油發(fā)電機(jī)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(jī)組配置需要有一定的冗余。根據(jù)《規(guī)范》要求，A級(jí)數(shù)據(jù)中心應(yīng)設(shè)置（N+X）的冗余（X=1～N），B級(jí)數(shù)據(jù)中心機(jī)房宜設(shè)置（N+1）的冗余。

這里需要注意，《規(guī)范》規(guī)定當(dāng)B級(jí)數(shù)據(jù)中心由雙重電源供電時(shí)，可不再設(shè)置應(yīng)急備用電源，但當(dāng)其只有一路市電電源時(shí)，則必須設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。雖然《規(guī)范》中明確給出了B級(jí)數(shù)據(jù)中心設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)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(jī)組的燃料儲(chǔ)存量。因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)組是作為應(yīng)急備用電源來(lái)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(hù)特性，并借鑒《規(guī)范》中對(duì)A級(jí)數(shù)據(jù)中心發(fā)電機(jī)組儲(chǔ)油量和TIA-942-B中對(duì)T2級(jí)（冗余型）數(shù)據(jù)中心發(fā)電機(jī)組儲(chǔ)油量的規(guī)定，這里建議B級(jí)數(shù)據(jù)中心設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源時(shí)的燃料儲(chǔ)存量應(yīng)為滿足12 h運(yùn)行。

3.2? ? 柴油發(fā)電機(jī)組的選擇

發(fā)電機(jī)組參數(shù)的合理選擇，需要從機(jī)組電壓、機(jī)組性能等級(jí)、機(jī)組功率定額種類(lèi)等方面考慮，這對(duì)于數(shù)據(jù)中心的電氣可靠性來(lái)說(shuō)非常重要。

（1）機(jī)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(jī)組可選用0.4 kV的低壓機(jī)組，也可選擇10 kV的中壓機(jī)組。一般來(lái)說(shuō)，如果負(fù)荷容量較小且與發(fā)電機(jī)組距離較近，從配電系統(tǒng)的成本和實(shí)施難度上來(lái)權(quán)衡，可以采用低壓機(jī)組;如果負(fù)荷容量較大，需要采用多臺(tái)機(jī)組并機(jī)時(shí)，應(yīng)采用10 kV機(jī)組。在實(shí)際建設(shè)中，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)的容量小于2 500 kW，且柴油發(fā)電機(jī)房與主機(jī)房距離小于500 m時(shí)，可優(yōu)先選用0.4 kV的低壓機(jī)組，否則應(yīng)采用10 kV的中壓機(jī)組。

（2）機(jī)組的性能等級(jí)選擇。根據(jù)《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組 第1部分：用途、定額和性能》（GB/T 2820.1—2009）[5]，柴油發(fā)電機(jī)組定義了4個(gè)性能等級(jí)，如表3所示。

對(duì)于數(shù)據(jù)中心，應(yīng)該選用G3或G4級(jí)別的柴油發(fā)電機(jī)組。

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

對(duì)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(huì)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(jī)組的功率，雖然可靠性高，但成本會(huì)大大增加;如果選擇ESP作為發(fā)電機(jī)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(jì)性，一般選用PRP（基本功率）作為數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)組的功率指標(biāo)，這樣有利于提高機(jī)組的帶載能力和過(guò)負(fù)荷能力。

4? ? 不間斷電源的可靠性設(shè)計(jì)

為了保障數(shù)據(jù)中心運(yùn)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(hù)（可靠性）和防止電涌或持續(xù)電壓尖峰對(duì)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(jí)與B級(jí)數(shù)據(jù)中心的不間斷電源配置需要采取容錯(cuò)或冗余措施，如表5所示。

同時(shí)，為了避免UPS超負(fù)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(huì)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(jì)算負(fù)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(jì)算負(fù)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(fù)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(jī)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(duì)電子信息設(shè)備的干擾。

5? ? 具體項(xiàng)目分析

為了更加具體和直觀地表達(dá)，本文以某項(xiàng)目為例，對(duì)數(shù)據(jù)中心的供電可靠性進(jìn)行分析。

項(xiàng)目背景：國(guó)外某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目，作為國(guó)內(nèi)某企業(yè)在海外當(dāng)?shù)氐闹匾獢?shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，一期規(guī)模72個(gè)機(jī)柜，按照國(guó)內(nèi)A級(jí)機(jī)房要求設(shè)計(jì)與建設(shè)。

5.1? ? 市電電源的設(shè)計(jì)

為保證供電電源的可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)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?yàn)楸卷?xiàng)目為A級(jí)數(shù)據(jù)中心，所以配置了雙重電源。由于本項(xiàng)目在國(guó)外不發(fā)達(dá)地區(qū)，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電力供給不能提供滿足“來(lái)自不同電網(wǎng)的電源”要求的雙重電源，所以結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓╇娗闆r適當(dāng)降低了要求，但仍以滿足《規(guī)范》要求為前提，選擇了當(dāng)?shù)啬軌蛱峁┑碾p重電源：兩路電源由相同的電網(wǎng)引來(lái)，但它們?cè)陔姎膺\(yùn)行過(guò)程中的聯(lián)系非常弱。

本項(xiàng)目為A級(jí)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(jì)均需按照2N架構(gòu)來(lái)配置：首先，市電結(jié)合當(dāng)?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(shí)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?jī)膳_(tái)為一組，其上級(jí)10 kV電源來(lái)自不同的10 kV母線段，兩臺(tái)變壓器間設(shè)置低壓母聯(lián)開(kāi)關(guān)，正常運(yùn)行時(shí)每臺(tái)變壓器負(fù)荷率控制在50%以下，當(dāng)其中一臺(tái)變壓器故障或檢修時(shí)，由另一臺(tái)變壓器帶起全部負(fù)荷。

5.2? ? 應(yīng)急備用電源的設(shè)計(jì)

由于本項(xiàng)目總用電負(fù)荷容量適中，且柴油發(fā)電機(jī)房離主機(jī)房位置不遠(yuǎn)，故本項(xiàng)目采用0.4 kV發(fā)電機(jī)組。本項(xiàng)目為A級(jí)數(shù)據(jù)中心，按照《規(guī)范》要求，兼顧可靠性和經(jīng)濟(jì)性，柴油發(fā)電機(jī)組采用了N+1的冗余配置：共設(shè)置3臺(tái)發(fā)電機(jī)組，其中2臺(tái)為基本量，1臺(tái)為冗余量，即2+1的冗余配置。同時(shí)，本項(xiàng)目選擇了G4性能等級(jí)的發(fā)電機(jī)組，并采用PRP作為其功率指標(biāo)。

5.3? ? 不間斷電源的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目為A級(jí)數(shù)據(jù)中心，經(jīng)過(guò)計(jì)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(jì)算，則此時(shí)設(shè)置2套600 kVA的UPS共計(jì)1 200 kVA;其次，經(jīng)過(guò)計(jì)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(shí)，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(jì)規(guī)程》（T/CECS 486—2017）[6]要求設(shè)置為15 min。

6? ? 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心是一個(gè)對(duì)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(xiàng)目中供電電源種類(lèi)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(jì)時(shí)，基于高可靠性和穩(wěn)定性原則，需要依據(jù)《規(guī)范》對(duì)數(shù)據(jù)中心的供電電源種類(lèi)進(jìn)行科學(xué)配置，同時(shí)也需要對(duì)不同的供電電源系統(tǒng)作出合理設(shè)計(jì)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(xiàn)]

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[2] 民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 51348—2019[S].

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

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

[5] 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)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(jì)規(guī)程：T/CECS 486—2017[S].

收稿日期：2022-02-21

作者簡(jiǎn)介：羅文（1985—），男，貴州貴陽(yáng)人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：電氣工程。