數據中心低壓配電系統設計

文｜世源科技工程有限公司 李 杰

進年來，隨著國內數據中心業務的飛速發展，同時，大部分數據中心均承載著非常重要的數據業務的存儲，業務對供電的可靠性和可用性要求越來越高。

在數據中心的供配電系統設計中，滿足規范的前提下，對機房設備的供電方案有很多種，無論中壓系統、低壓系統（包括UPS系統）均有不同的配電形式，這就需要設計人員做一些方案比較，針對不同要求、不同情況做出最合理的供配電方案。本文只針對數據中心低壓配電系統進行一些論述，為大家做一個參考。

1 變壓器配置方案

1.1 N系統

此系統為一對一的形式，即單獨一臺變壓器單獨出線，系統如圖1所示。

圖1

這種系統優點是系統簡單；節省造價。缺點是可靠性低，因為設備沒有備用，當設備檢修或設備線路故障時將中斷供電，在國家標準《電子信息系統機房設計規范》（GB 50174-2008）內我們可以看到，此系統只適用于C級機房。

1.2 N（1+1）系統

此系統為變壓器互為備用形式，即平時各自帶不超過變壓器額定容量50%的負載運行，當某一臺變壓器故障或檢修時，通過閉合母聯開關，由另一臺變壓器負擔全部負載，系統如圖2所示。

圖2

這種系統缺點是造價及基本電費高；變壓器平時負荷率較低，絕大部分時間變壓器負荷率均不超過50%。優點是系統簡單；供電可靠性高；若允許合環倒閘，則可實現不停電檢修和維護；操作簡單。在國家標準《電子信息系統機房設計規范》（GB 50174-2008）內我們可以看到，此系統適用于A、B級機房。

在實際設計中，經常把這種系統兩臺變壓器和變壓器后供電設備進行物理分隔，即放置于相鄰的兩個房間內，房間之間做足夠的防火措施，只通過母線將兩臺變壓器之間做聯絡。這樣，當某一個房間有火災發生時，可以將火災房間內設備停止供電，而另一個房間內的設備可以繼續以小于100%負荷率進行供電。目前這種形式在數據中心低壓配電系統中被廣泛應用。

1.3 N+1系統

此系統為某一臺變壓器同時作為另外幾臺變壓器的備用，系統如圖3所示。

圖3

這種系統優點是因為變壓器數量減少，所以可以減少基本電費；且變壓器負荷率比較合理，除備用變壓器平時無負載外，其余變壓器平時均可按正常合理值設計容量。缺點是可靠性比N（1+1）略低；每臺變壓器前均需設置中壓ATS或中壓互鎖斷路器。

筆者認為此系統適用于單層面積較大，即變壓器均設置在同層的情況，因為目前數據中心內變壓器容量較大，變壓器間母線容量也較大，大容量低壓母線躍層設置并不十分合理，而且增加了投資和維護成本。

同時，在目前的國家標準《電子信息系統機房設計規范》（GB 50174-2008）內并沒有對此系統進行描述，即嚴格按照目前國標規定，C級機房使用浪費，A、B級機房使用又不滿足標準。據筆者所知，這種系統在國外使用較多，在合理配置UPS系統的前提下，可以滿足（美國國家標準學會2005年批準頒布的《數據中心電信基礎設施標準》TIA 942標準，本標準由美國電信產業協會和TIA技術工程委員會編寫）內TIER 4級機房（此標準機房最高等級）的使用要求，且TIA 942內未針對變壓器做出具體規定。

綜上所述，筆者認為除非是使用方要求使用此系統，目前不建議國內機房設計中采用這種低壓配電系統。

2 UPS配置方案

2.1 N系統

此系統沒有備用UPS，即滿足UPS負荷率70%左右的情況下，計算需要N臺UPS即設置N臺UPS，系統如圖4所示。

圖4

這種系統優點是系統簡單、維護簡單；UPS效率高；投資低。缺點是需增加負載控制裝置，以避免單臺UPS負載過高；IT設備均由同一組UPS供電，存在單點故障；UPS沒有備用，可靠性低。在國家標準內此系統只適用于C級機房。

2.2 N+X冗余系統（X＝1～N）

此系統有1～N臺備用UPS，即滿足UPS負荷率70%左右的情況下，計算需要N臺UPS，設置N+X（X＝1～N）臺UPS，系統圖與N系統一致（如圖4所示），只是增加了X臺備用UPS。

這種系統優點是系統簡單、維護簡單；投資較低。缺點是需增加負載控制裝置，以避免單臺UPS負載過高；IT設備均由同一組UPS供電，存在單點故障；UPS有備用，UPS均正常時效率較低，可靠性高于N系統。在國家標準內此系統適用于B級機房。

目前，在多數數據中心設計中，我們一般采用一臺備用，即N+1臺UPS。

2.3 2N或2（N+1）冗余系統

此系統為兩組UPS互為備用系統，平時每臺UPS負載率均小于50%，當一組UPS故障或維護時，另一組UPS可以承擔全部負載，系統如圖5所示。

圖5

這種系統優點是系統簡單、維護簡單；可靠性高；無單點故障。缺點是投資高、UPS均正常時效率較低；在國標內此系統適用于A級機房。

在實際設計中，經常把這種系統與變壓器N（1+1）系統結合使用，即兩組UPS放置于不同的兩個房間內。當某一個房間有火災發生時，可以將火災房間內設備停止供電，而另一個房間內的設備可以繼續以小于100%負荷率進行供電。目前這種型式在數據中心UPS配電系統中被廣泛應用。

2.4 DR動態冗余系統

此系統為N組（N＞2）UPS互為備用系統，平時UPS負載率均可以大于50%，當其中一組UPS故障或維護時，另外N-1組UPS可以平均將此組UPS所帶負載承擔下來，系統如圖6所示。

圖6

這種系統優點是可靠性高；無單點故障；UPS均正常時效率較高；投資較2N系統減少。缺點是系統相對復雜。

筆者認為在實際設計中，這種系統適用于單層面積較大的數據中心，否則，躍層電纜過多將會造成維護困難；而容量較小的機房沒有必要設置多組UPS。同時，因為現在很多IDC機房（互聯網數據中心，就是電信部門利用已有的互聯網通信線路、帶寬資源，建立標準化的電信專業級機房環境，為企業、政府提供服務器托管、租用以及相關增值等方面的全方位服務。）均為分期設置，即土建部分先建造到位，先按預期的電量預留好配電間的面積，但是只先購置一部分用電設備，當業務量逐漸增加時，才會分期購置其余用電設備，這種情況下，就不適合用此系統。

2.5 RR后備式冗余系統

此系統為N組（N＞2）UPS互為備用系統，平時UPS負載率均可以按UPS最高效率設計，當其中一組UPS故障或維護時，即可使用備用一組UPS將此組UPS所帶負載承擔下來，系統如圖7所示。

這種系統優點是可靠性高；無單點故障；UPS均正常時效率高。缺點是投資高；系統復雜。

此系統可靠性略低于2N和2（N+1）系統，筆者認為此系統設置時過于復雜，不利于后期維護，且在實際使用中，與DD系統相同，有部分局限性，在目前設計中此種系統使用較少。

3 結束語

國內數據中心目前處于一個高速發展的階段，大量數據中心項目在規劃、設計、使用當中，確定合理的供配電方案，可以使系統更可靠，同時，可靠的系統必定需要足夠的設備支持，所以如何在盡可能節省投資的前提下滿足規范和使用要求，這就需要設計人員確定出最合理的設計方案。隨著設備的發展，可能會有更合理、更可靠的系統出現，這將是一個需要長期探討的課題。筆者在此僅希望通過列舉目前常用的低壓配電系統，為各位同行提供一些可供對比的方案，希望會對大家有所幫助。

圖7

1 《電子信息系統機房設計規范 》（GB 50174-2008）.中國計劃出版社，2009