一種改進的供電系統架構在數據中心的應用分析

朱發熙，張仁玉

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

數據中心是承載數據和算力的基礎物理單元，是數字化社會重要的基礎設施組成。受互聯網經濟發展的影響和數字經濟、新基建等國家政策的支持，我國的數據中心建設連續多年保持高速增長[1,2]。

根據數據中心所帶業務中斷造成損失和影響程度的不同，將數據中心劃分為A、B、C這3個等級[3]。其中，A級數據中心對安全可靠性要求最高，在目前市場上也最受客戶青睞。A級數據中心常用供電系統架構有2N系統、RR系統以及DR系統，其中2N系統架構由于架構簡單、容易實現物理隔離以及運維方便等特點而得到了廣泛應用[4]。

根據供電部門的規定，單回路10 kV外市電的容量不能超過10 000 kV·A，當項目的總外市電容量需求超過10 000 kV·A但又不足20 000 kV·A時（例如市電容量需求為12 000 kV·A），這種情況下直接采用2N系統、DR系統以及RR系統架構外市電的配置會不經濟。由于在這種規模下這些系統架構不能將單回路市電容量往供電允許的極限靠，即將單回路市電用足，因此需要引入更多的回路。本文提出一種改進的供電系統架構，該架構適用于市政供電間隔緊張或需要盡量提高外線容量利用率的場合。

1 改進的供電系統架構

以10 kV母線容量8 000 kV·A為例，典型的2N系統供電架構見圖1。系統的10 kV部分和0.4 kV部分均由兩個容量相同的供電單元組成，每個單元都能保障全部負載。正常運行時兩個單元同時工作，互為備用，各帶50%的負載，當其中一個單元故障時，另一個單元帶全部的負載。

圖1 典型的2N供電架構

改進的供電架構見圖2，其10 kV部分由3個容量相同的供電單元組成，包括3路容量相同的外市電、3段配置相同的10 kV母線段。

圖2 改進的供電架構

正常情況下，3段10 kV母線同時工作，每段10 kV母線均帶50%負載。其變壓器及以下部分同2N系統完全一致，即同一組變壓器的A、B路均來源于獨立的10 kV母線段。正常狀態下，兩臺變壓器同時運行，各帶50%負載。當一臺故障時，另外一臺變壓器帶全載。在變壓器低壓側設置母聯，在任何時間兩進線一母聯3個斷路器只能合其中的兩個，采用自動切換方式。

當3路中的一路外市電故障后，對應的該段母線退出運行，通過低壓母聯投切，該段母線所帶負荷由剩下的兩路外市（母線）共同分擔。當3路中的兩路外市電故障后，故障的兩路外線退出運行，剩余的一路外線依然正常工作。柴油發電機系統投入工作并給斷電的兩段母線提供電源，為數據中心的負載提供應急保障。

當所有3路外市電均斷電時，柴油發電機系統給斷電的3段母線提供電源。如果這時其中一路市電恢復，那么該路市電對應的10 kV母線由柴油發電機供電自動切換為市電供電，另外兩段依然由柴油發電機供電。當兩路市電恢復后，柴油發電機系統退出運行，由恢復供電的兩路外線帶全部負荷。當3路市電均恢復時，即轉換為市電正常狀態，3個10 kV供電單元同時供電，每個單元帶50%的負載。

從圖1可知，由兩段8 000 kV·A的10 kV母線組成的2N系統能帶的最大負荷是8 000 kV·A。從圖2可知，由3段8 000 kV·A的10 kV母線組成的改進系統能帶的最大負荷是12 000 kV·A。改進的供電系統架構中3段10 kV母線應由一套柴油發電機系統保障，這樣柴油發電機組可以冗余互用，減少柴油發電機數量，并降低控制系統的難度，含柴油發電機系統的改進供電架構見圖3。

圖3 含柴油發電機系統的改進供電架構

由上分析，改進的供電系統架構中，任何一個單元（包括外線、母線、開關以及變壓器）退出運行均不影響整個供電系統的運行，因此該供電架構不存在單點故障，滿足A級機房對供電可靠性的要求。

2 應用分析

2.1 項目概況

某數據中心總建筑面積約為12 000 m2，單層面積約為3 000 m2，共4層。其中，一層主要是變配電房和其他配套用房，標準層主要是數據機房和電力電池室。數據中心總共規劃了2 000個5 kW機柜，按照《數據中心設計規范》中的A級標準建設。采用引入10 kV市電的外電引入方案，根據工程所在地配網的現狀，附近市政電網能提供4個有效間隔，單個間隔的市電容量為10 000 kV·A，前端市政電網電源引接點距離本項目約4 km。

2.2 供電方案選擇

對數據中心內各類不同的用電設備進行分類，不同類別的設備選取合適的需要系數和同時系數，進行用電負荷統計，本工程的負荷估算如表1所示。

表1 用電負荷統計表

根據GB50174—2017《數據中心設計規范》和GB50052—2009《供配電系統設計規范》，A級數據中心中的IT設備、給IT設備配套制冷的設備（包括冷水機組、水泵、冷卻塔以及機房專用空調）、消防設備以及機房監控系統等為一級負荷，其中IT設備、機房專用空調以及機房監控系統設備屬于一級負荷中特別重要的負荷。根據用電負荷定性和表1的負荷統計表，本工程總共需要引入15 000 kV·A+15 000 kV·A的外市電，但是由于供電部門單回路10 kV外電不允許超過10 000 kV·A，如果按照2N架構，就需要引入4路7 500 kV·A外電或者2路10 000 kV·A外電+2路5 000 kV·A外電。以采用4路7 500 kV·A外電方案為例，本工程采用2N系統的供電架構如圖4所示。

圖4 基于2N系統的供電架構

按照改進的供電系統架構，本項目外市電只需要3路，10 kV母線也只需要3段。相較于常規的2N供電架構，能夠節省1路外市電、1段10 kV母線以及1套柴油發電機和市電切換裝置，本項目改進方案的供電系統架構詳見圖5。

圖5 本項目基于改進系統的供電架構

兩種架構的對比詳見表2。

表2 新架構和2N架構的對比表

由于外線投資在整個供電系統中占比很大，因此節省外線投資能有效減少整個供電系統的投資。

3 結 論

本文對數據中心常用的2N供電系統架構中的10 kV部分進行了改進，提出了一種改進的數據中心供電系統架構。通過對該架構的分析研究可知，改進的數據中心供電系統架構的可靠性比2N供電系統架構略低，但同樣不存在單點故障，能夠滿足A級數據中心對供電系統安全可靠性的要求。對某些特定規模的數據中心，在滿足規范要求的前提下，采用改進的供電架構能夠簡化供電系統，減少外線的回路、10 kV母線段以及配電房面積，節約投資。此外，改進的供電系統架構特別適合市政電網間隔數量緊張的場合。