數據中心不間斷電源系統供電方案及造價對比分析

劉 帆

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

0 引 言

近年來，隨著我國經濟結構不斷深化改革，國務院、國家各部委先后發布了網絡強國與寬帶中國發展戰略、“互聯網+”行動計劃、促進大數據發展行動綱要等一系列影響重大的重要政策文件，中國的互聯網行業迎來了大發展的時代，數據中心的建設也逐步進入了白熱化階段。目前，我國數據中心應用規模也已達到世界第二位，僅次于美國水平，數據中心已正式成為互聯網基礎設施之一。而隨著云計算的興起，5G時代的來臨，我國IDC產業也必將隨著國內IT市場的發展保持高速增長的態勢。

住房城鄉建設部發布的《數據中心設計規范》（GB 50174—2017），明確規定了數據中心的分級和設計。電源供電系統是數據中心運行的根本保障系統，而通信電源部分的供電方案是整個電源供電系統的重中之重，不同的供電方案適用不同的場景。本文針對數據中心的不同通信電源供電方案，對其系統配置、應用場景及其造價投資進行了系統分析。

1 數據中心的分級

為適應國內數據中心的建設并與國際接軌，2017年5月，住房城鄉建設部出臺了數據中心設計的國標文件，即《數據中心設計規范》（GB 50174—2017）。根據該規范，數據中心電源的配置方案可以有如表1所示的幾種情況。

從表中不間斷供電系統配置的要求來看，數據中心的通信電源配置系統有三種供電方案：2N或M(N+1)、一路（N+1）UPS和一路市電供電、2N或（N+1）。由此，本文對這些供電方案的優缺點、應用場景及造價投資進行詳細論述。

2 不同通信電源供電方案比較

2.1 2N雙總線UPS系統

2.1.1 2N雙總線UPS系統簡述

2N雙總線UPS系統是指由兩套UPS系統組成雙總線分布冗余系統，兩套UPS系統互為主備用，每套系統均能完全滿足供電負荷。正常運行時，兩套系統均分負載，每套UPS供電系統各承擔1/2的負載，當其中1套UPS供電系統發生故障時，另一套UPS設備將承擔通信系統的全部負載供電。2N雙總線UPS系統供電模式如圖1所示。

圖1 2N雙總線UPS系統供電模式

表1 數據中心電源的配置方案

2.1.2 2N雙總線UPS系統的優缺點分析

優勢：2N冗余系統的供電方案克服了單電源系統存在的單點故障瓶頸，大大增加了供電系統可靠性，是目前IDC數據中心中廣泛采用的一種供電方案。

劣勢：2N冗余系統的缺點也非常明顯，設備配置多、成本高，通常情況下效率比N+X容錯系統低。同時，由于設備占用建筑面積，同等規模下的數據中心裝機率低。

2.2 單套UPS系統+市電混供模式

2.2.1 單套UPS系統+市電混供模式簡述

單套UPS系統+市電混供模式的外市電由兩路市電引入，互為備用。當市電電源滿足要求時由市電為全部負載供電，當市電電源故障或電源質量不滿足要求時，系統自動轉由不間斷電源系統為全部負載供電，以降低電源系統的損耗。單套UPS系統+市電混供模式如圖2所示。

圖2 單套UPS系統+市電混供模式

2.2.2 單套UPS系統+市電混供模式的優缺點分析

（1）優勢。與2N雙總線UPS系統相比，單套UPS系統+市電混供模式減少了一套UPS系統的配置，大大降低了系統造價，供電可靠性也優于單電源系統；由于UPS系統的減配，電池數量減少，電力電池室的房間面積減少，建設規模的數據中心可裝機架數大大提高，經過實際工程案例測算，裝機率能提高6%～7%。

（2）劣勢。供電可靠性低于2N雙總線UPS系統。

2.3 單套高壓直流系統+市電混供模式

2.3.1 單套高壓直流系統+市電混供模式簡述

單套高壓直流系統+市電混供模式是在單套UPS系統+市電混供模式的基礎上發展而來的。該模式的外市電同樣由兩路市電引入，互為備用。將高壓直流系統替代UPS系統，與之不同的是，高壓直流系統采用336 V直流電源，比220 V的UPS在節能和降低電纜造價上更具優勢。單套高壓直流系統+市電混供模式如圖3所示。

圖3 單套高壓直流系統+市電混供模式

2.3.2 單套高壓直流系統+市電混供模式的優缺點分析

（1）優勢。單套高壓直流系統+市電混供模式同樣具有造價低、裝機率高的優點，且由于高壓直流系統相比UPS系統無逆變過程，在節能上更優于單套UPS系統+市電混供模式。

（2）劣勢。系統復雜，需要相同配置的高壓直流機柜、服務器等設備共同組成該系統，受市場制約和客戶接受制約更大。

2.4 3N UPS系統

2.4.1 3NUPS系統簡述

3NUPS系統是指每3套UPS供電系統組成兩兩雙總線分布冗余系統，3套UPS供電系統互為主備用。在正常情況下，3套UPS供電系統共同擔負同一通信設備的供電，理論上3套系統均分負載，每套UPS供電系統各承擔1/3的負載，當其中1套UPS供電系統發生故障時，由其他UPS設備承擔通信系統的全部負載供電。3NUPS系統供電模式如圖4所示。

圖4 3N UPS系統供電模式

2.4.2 3NUPS系統的優缺點分析

（1）優勢。與2N雙總線UPS系統相比，3NUPS系統具有節省造價、提高裝機率的優勢。

（2）劣勢。3NUPS系統采用交叉供電的方式，要求帶載負荷均衡，系統設置相對于其他系統難度較大，對運行維護的要求也相對高一些。

3 4種不間斷電源系統供電方案的造價對比分析

通過對項目中采用不同供電方案的造價進行抽取，對比了上述4種不間斷電源系統供電方案的單機架投資，具體情況如表2所示。

表2 四種不間斷電源系統供電方案

從表2可以看出，2N雙總線UPS系統的單機架投資最高，明顯高于其他3種不間斷電源系統。單套UPS系統+市電混供模式與單套高壓直流系統+市電混供模式的單機架投資大致相當，但從系統配置和市場接受度來看，單套UPS系統+市電混供模式更優。

4 結 論

總的來說，2N雙總線UPS系統系統架構簡單，后期運維難度和成本較低，但初期建設成本偏高；3NUPS系統的架構最為復雜，且后期運維難度較高，但在節省造價和提高裝機率上有較大優勢；單套高壓直流系統+市電混供模式初期建設成本、后期運行成本都較低，但由于服務器及機柜等需要單獨采購定制，市場可接受程度較低；單套UPS系統+市電混供模式在系統架構、后期運維難度和成本、初期建設成本、裝機效率上都有很大優勢，且能滿足國標對于A級機房的配置要求，但在供電可靠性上低于2N雙總線UPS系統，需要考慮市場用戶的接受程度。

綜合以上分析，在實際工程中，需要根據項目具體情況、特點、用戶需求來選擇不同的供電方案，以實現造價、運維成本、供電可靠度的最優配置。