數據中心備用電源系統特點及自動控制

張瑞杰

（北京中測信通科技發展有限公司，北京 100055）

0 引 言

在信息技術和互聯網快速發展的背景下，信息系統的應用越來越廣泛，相應的信息量也呈現出快速增長的趨勢,對數據中心的建設需求越來越高。為了能夠更好地發揮出數據中心的作用，結合實際對數據中心供配電系統架構和備用電源應用問題進行探究。

1 數據中心供配電系統架構

1.1 A級數據中心供配電系統架構

A級數據中心供配電系統主要有3種架構，即2N、DR和RR?！稊祿行脑O計規范》（GB 50174—2017）在附錄“電氣”中規定：A級數據中心應滿足容錯要求，可采用2N系統，也可采用其他避免單點故障的系統配置[1]。

1.2 2N系統

2N供配電系統由兩個供配電單元組成，每個單元均能滿足全部負載的用電需要。兩個單元同時工作，互為備用。正常運行時，每個單元向負載提供50%的電能，當一個單元故障停止運行時，另一個單元向負載提供100%的電能。

1.3 分布冗余系統

分布冗余系統由N（N≥3）個配置相同的供配電單元組成，N個單元同時工作。將負載均分為N組，每個供配電單元為本組負載和相鄰負載供電，形成“手拉手”供電方式。當供配電系統發生故障時，其對應負載由相鄰供配電單元繼續供電。

1.4 后備冗余系統

后備冗余系統由多個供配電單元組成，其中一個單元作為其他運行單元的備用。當一個運行單元發生故障時，通過電源切換裝置促使備用單元繼續為負載供電。

2 數據中心供配電系統備用電源的選擇

根據國家相關標準，按照用途、定額以及性能可以將發電機組的性能具體劃分為G1、G2、G3、G4這4個等級。G1級連接的設備僅僅規定了基本電壓和頻率的參數信息，適合應用在照明和電氣負載中；G2級連接的設備電壓特性與電網類似，在負載發生變化時，電壓和頻率可以出現些許的偏差；G3、G4級連接的設備對發電機組的電壓、頻率、波形有著較高的要求。

考慮到數據中心對發電機組輸出頻率、電壓、波形等的要求，發電機組在使用時其性能等級不能低于G3級。G3級要求柴油發電機組突加50%負載時，頻率降小于7%，電壓降小于15%。在發電機組實際運行中，如果數據中心的柴油發電機組突加100%的負載，這時則需要選擇超過G3級別的柴油發電機組[2,3]。

根據發電機組用途、定額、性能的要求，發電機組的輸出功率可以分為持續功率（Continuous Power，COP）、基本功率（Basic Power，PRP）、限時運行功率（time Limit operation Power，LTP）、應急備用功 率（Emergency Standby Power，ESP）。COP無 運行時間限制，為恒定負載持續供電的最大功率。PRP無運行時間限制，為可變負載持續供電的最大功率。LTP為恒定負載供電，年運行時間小于500 h。ESP為可變負載供電，年運行時間小于200 h[4]。

3 備用電源系統的自動控制

數據中心的備用電源系統容量有限，會導致備用電源系統存在許多不足。一方面，應急系統運行中，如果出現一定數量的機組故障，則會導致系統頻率大幅下降。如果不進行相應的系統監控設計，則一定延時后必將低頻停機，導致備用電源系統徹底崩潰。另一方面，數據中心通常對備用電源系統的裝機容量有一定冗余要求，如果不考慮負載率，所有的應急機組一同運行就會導致備用電源系統出現輕載運行，增加應急發電的成本。而如果負載率長時間低于30%運行，會嚴重影響備用發電機組的使用壽命。為了確保滿足數據中心正常的備用電源需求，不僅需要可靠的發配電一次系統，而且也離不開具備基本監控功能的備用電源二次系統[5]。

數據中心備用電源控制系統由系統主控制器、機組控制器、斷路器輔助開關、控制電纜等硬件以及相關監控軟件等組成，可以對配電系統中市電、發電機組、并聯斷路器、應急母排、系統主斷路器以及饋線開關柜等進行監測和控制，確保整個應急備用電源系統正常運行。備用電源控制系統不但需要具備市電系統常規的監控功能，而且還必須具有自動加減載、自動增減機組的監控功能。

3.1 備用電源系統的自動加載控制

如果市電失電，控制系統會開啟備用電源，并監測其輸出電壓和頻率。當某機組的輸出電壓和頻率最先達到額定值的90%時，系統控制其并聯斷路器直接合閘，并將其他機組向母排送電的方式由直接合閘改為同步并聯。與此同時，系統控制應急主斷路器合閘，控制優先級最高的饋線斷路器合閘送電。當第二臺機組同步并上母排后，系統控制第二級負載送電。依此類推，當所有機組都并上應急母排時，系統按優先級依次延時控制剩余饋線送電，直到所有負載啟動運行[6]。

3.2 備用電源系統的自動減載控制

當系統總負載容量超過應急母排上機組容量的一定比例時，應急母排出現過載。若持續一段時間后母排仍然過載，則會導致備用電源系統頻率永久性下降。此時，為了防止整個備用電源系統崩潰并保證重要負載的正常供電，備用電源會自行終止相對較高且不重要的負載，控制系統繼續檢測應急母排上總負載狀況。如果過載狀況消失，則系統立即停止自動減載；如果過載狀態繼續維持且系統過載持續的時間仍然超過正常波動時間，繼續控制第二級不重要的負載卸載。以此類推，直到備用電源系統頻率穩定在用戶負載可接受的范圍內[7]。

3.3 備用電源系統的自動增減機組控制

一般數據中心具有可靠性的冗余設計，實際備用機組裝機容量一定程度上大于負載的滿載運行容量，系統容易出現長期輕載運行，而這會加速發動機老化，提高發電成本。因此，數據中心備用電源控制系統必須具有根據負載自動增減機組的功能，即根據應急母排上在線機組容量與實際負載容量的偏差自動退出在線運行機組或自動啟動冷備用機組上線運行。備用電源控制系統的自動增減機組不僅能夠延長備用機組的使用壽命，而且還能有效降低備用電源系統的運行費用。數據中心備用電源控制系統根據應急母排負載實際容量自動增減在線運行機組時，需要先確定自動增減機組的優先級。自動增減機組的優先級可根據數據中心的具體情況按機組運行時間自動確定，也可直接采用固定優先級[8]。

如圖1所示，按固定優先級方式自動增減機組時，運行人員需根據備用電源系統所有機組的現有狀況指定自動增加和自動退出機組的次序，自動增加機組的次序與自動退出機組的次序相反。

圖1 數據中心備用電源系統自動增減機組控制

根據圖1，#1機組始終在線運行,自動增加機組的優先次序是#2、#3、#4機組,自動退出機組的次序是#4、#3、#2機組。按機組運行時間確定機組增減優先級時，系統根據每臺機組的運行時間即時自動確定系統自動增加機組和自動退出機組的次序。需要增加機組時，運行時間最短的冷備用機組優先啟動運行；需要退出運行機組（系統在線運行機組容量超過負載實際容量一定數值）時，運行時間最長的在線機組優先離線停機[9]。

數據中心市電失電時，控制系統啟動所有應急機組運行，而后自動控制負載。按加載優先級依次送電，經過一定穩定運行延時后，備用電源控制系統進入自動增減機組監控。如果退出一臺在線運行機組時，應急母排的負載率小于系統設置的自動減少在線機組的負載率（案例中為60%）且持續時間超過系統預先設定的延時時間，則系統將按自動增減機組優先級控制一臺在線機組離線停機并繼續監測應急母排負載率。如果實際負載率上升超過應急系統增加機組的負載率（案例中為80%）且持續時間超過系統預先設定的延時時間，則系統按預先設定的自動增加機組優先級啟動一臺冷備用機組并聯到應急母排運行。依此類推，控制系統通過自動監測應急母排上的負載率自動控制機組的啟動運行和離線退出，直到市電恢復供電后備用電源系統退出運行為止[10]。

4 結 論

本文詳細研究了備用電源系統控制的幾種方式，對數據中心能源管理進行了深入探討，詳細闡述了系統主控制器負載需求和自動加減載功能的重要性，對備用電源系統的設計與實際工程應用具有重要的借鑒意義。