數據中心供電系統可靠性設計淺析

摘 要：基于高可靠性原則，闡述了數據中心供電系統設計的基本思路。同時，結合實際工程，詳細介紹了數據中心電氣設計過程中保證供電系統高可靠性的要點和方法。

關鍵詞：數據中心;供電可靠性;電氣設計;供電系統

中圖分類號：TP308? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）11-0019-04

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

0? ? 引言

隨著我國“大數據” “新基建”等發展新思路的推進，數據中心的建設也成為信息時代發展過程中必不可少的重要環節。

可靠性是數據中心運行過程中最重要的指標，而組成數據中心的各個系統的可靠性則直接影響著數據中心的整體可靠性，例如電氣系統、通風與制冷系統、通信系統等。其中，電氣系統作為數據中心的重要組成部分，在數據中心的電源供給、運維監測、消防安全等方面都起到了十分關鍵的作用。

本文依據《數據中心設計規范》（GB 50174—2017）[1]（以下簡稱《規范》），并結合某A級數據中心工程，從電氣系統的角度出發，以高可靠性為設計原則，分析和總結了數據中心項目設計過程中保障供電可靠性的要點與方法。

1? ? 供電可靠性

根據《規范》，數據中心共劃分為三個等級，每個等級的數據中心對供電電源都有較高要求，如表1所示。

由于數據中心對供電電源的要求較高，所以在數據中心項目的電氣設計中，可靠性和穩定性是從始至終貫穿整個設計階段的基本原則，這就要求所設計的供電系統有足夠的、符合《規范》要求的容錯或冗余能力。

數據中心項目設置的供電電源種類需根據《規范》并結合數據中心自身的級別來確定，等級越高的數據中心，其供電電源的種類就越多，系統容錯或冗余性就越高。總的來說，數據中心項目的供電電源一般包括市電電源、應急備用電源和不間斷電源。根據《規范》的相關規定，電氣系統中的供電電源都需要根據數據中心的級別進行相應的架構設計，從而保證整個數據中心項目的可靠性。

從《規范》的附錄A可知，不同級別的數據中心在供電電源的種類、容錯或冗余架構、配電方式等方面均有區別。基于此，本文分別從市電電源、應急備用電源、不間斷電源等方面，闡述數據中心項目中的供電可靠性設計。

2? ? 市電電源的可靠性設計

市電電源是數據中心運行的基礎，數據中心級別越高則對市電電源的級別和配置要求越高。

2.1? ? 總體要求

依據《規范》，對三個級別的數據中心的市電電源要求分別如下：對于A級數據中心，必須由雙重電源供電;B級數據中心，宜由雙重電源供電;C級數據中心，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應不同級別的數據中心供電系統，在可靠性和穩定性上有著較大的區別。雙重電源[2]，可以是來自不同電網的電源，或者來自同一個電網但在運行時電路相互之間聯系很弱，或者來自同一個電網但其間的電氣距離較遠，一個電源系統任意一處出現異常運行或發生短路故障時，另一個電源仍能不中斷供電。雙回線路，要求線路的數量為兩回，但可以來自同一個電網或者來自同一個低壓電源。同時，不論是A級或B級數據中心采用的雙重電源，還是C級數據中心采用的雙回線路，當其中一個回路中斷供電時，其余線路均應能滿足整個系統的供電要求[3-4]。

這里需要注意一點，《規范》中提出B級數據中心宜由雙重電源供電，但在市電無法提供雙重電源時，可以一路市電電源搭配柴油發電機組（后備電源）的形式作為B級數據中心的供電電源。

2.2? ? 系統架構

依據《規范》，對三個級別的數據中心供電電源的容錯或冗余架構應分別按表2設置。

這里的N是指系統的基本需求，例如整個數據中心的計算負荷為2 400 kW，需3臺1 000 kVA的變壓器，那么N=3。

這里還需要注意，“容錯”和“冗余”是不同的概念。“容錯”是指具有兩套或兩套以上的系統，在同一時刻，至少有一套系統在正常工作，在經受一次突發事故后，仍能滿足數據中心正常運行的基本需求。“冗余”是指重復配置系統的一些或全部部件，當系統發生故障時，重復配置的部件介入并承擔故障部件的工作，由此延長系統的平均故障間隔時間。例如，上文提到的例子，數據中心的計算負荷為2 400 kW，需3臺1 000 kVA的變壓器，如果設置6臺1 000 kVA的變壓器，那么就是滿足容錯要求的2N系統（2×3），對應于A級數據中心;如果設置4臺1 000 kVA的變壓器，那么就是滿足冗余要求的N+1系統（3+1），對應于B級數據中心。所以，設計階段必須根據數據中心的等級，依據《規范》來確定市電電源的架構，這樣才能保證系統的可靠性和穩定性。

3? ? 應急備用電源的可靠性設計

應急備用電源是數據中心穩定運行不可缺少的電源設備。在現行的數據中心系統中，柴油發電機組體現出了其他備用電源難以比擬的可操作性，所以目前大部分數據中心的備用電源均采用柴油發電機組。

3.1? ? 柴油發電機組系統的架構

為了提高可靠性，數據中心內設置的柴油發電機組配置需要有一定的冗余。根據《規范》要求，A級數據中心應設置（N+X）的冗余（X=1～N），B級數據中心機房宜設置（N+1）的冗余。

這里需要注意，《規范》規定當B級數據中心由雙重電源供電時，可不再設置應急備用電源，但當其只有一路市電電源時，則必須設置柴油發電機組作為備用電源。雖然《規范》中明確給出了B級數據中心設置柴油發電機組作為備用電源的條件，但并未給出此條件下柴油發電機組的燃料儲存量。因為柴油發電機組是作為應急備用電源來為數據中心提供短暫的電源供給，所以結合目前電網的穩定性和快速維護特性，并借鑒《規范》中對A級數據中心發電機組儲油量和TIA-942-B中對T2級（冗余型）數據中心發電機組儲油量的規定，這里建議B級數據中心設置柴油發電機組作為備用電源時的燃料儲存量應為滿足12 h運行。

3.2? ? 柴油發電機組的選擇

發電機組參數的合理選擇，需要從機組電壓、機組性能等級、機組功率定額種類等方面考慮，這對于數據中心的電氣可靠性來說非常重要。

（1）機組的電壓選擇。根據《規范》，數據中心中設置的柴油發電機組可選用0.4 kV的低壓機組，也可選擇10 kV的中壓機組。一般來說，如果負荷容量較小且與發電機組距離較近，從配電系統的成本和實施難度上來權衡，可以采用低壓機組;如果負荷容量較大，需要采用多臺機組并機時，應采用10 kV機組。在實際建設中，當柴油發電機的容量小于2 500 kW，且柴油發電機房與主機房距離小于500 m時，可優先選用0.4 kV的低壓機組，否則應采用10 kV的中壓機組。

（2）機組的性能等級選擇。根據《往復式內燃機驅動的交流發電機組 第1部分：用途、定額和性能》（GB/T 2820.1—2009）[5]，柴油發電機組定義了4個性能等級，如表3所示。

對于數據中心，應該選用G3或G4級別的柴油發電機組。

（3）機組的功率定額種類選擇。選定性能等級后，需要選擇發電機組的功率定額種類。根據規范[5]，柴油發電機組的功率定額種類如表4所示。

對于上述4種功率，其大小關系為：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，會直接影響數據中心的可靠性和成本投入。如果選擇COP作為發電機組的功率，雖然可靠性高，但成本會大大增加;如果選擇ESP作為發電機組的功率，雖然成本降低了，但可靠性也受到影響。因此，結合可靠性和經濟性，一般選用PRP（基本功率）作為數據中心柴油發電機組的功率指標，這樣有利于提高機組的帶載能力和過負荷能力。

4? ? 不間斷電源的可靠性設計

為了保障數據中心運行的可靠性和穩定性，UPS電源被廣泛應用于數據中心的電源系統。UPS電源的作用主要包括中斷保護（可靠性）和防止電涌或持續電壓尖峰對電子信息設備的影響（抗干擾性）。

4.1? ? 不間斷電源系統的架構

根據規范[1，6]要求，A級與B級數據中心的不間斷電源配置需要采取容錯或冗余措施，如表5所示。

同時，為了避免UPS超負荷工作，保證供電可靠性，也為了便于后期可以少量增加設備，UPS的容量會留有一定的余量：IT設備用UPS的基本容量不小于1.2倍的IT設備計算負荷，制冷設備用UPS的基本容量不小于1.3倍的制冷設備計算負荷。

4.2? ? 不間斷電源系統的配電方式

在數據中心中，需要配置UPS系統的負荷主要包括IT設備和制冷設備（包括控制系統、末端冷凍水泵、空調末端風機等），這些設備不應與電子信息設備共用一組不間斷電源系統，以減少對電子信息設備的干擾。

5? ? 具體項目分析

為了更加具體和直觀地表達，本文以某項目為例，對數據中心的供電可靠性進行分析。

項目背景：國外某數據中心項目，作為國內某企業在海外當地的重要數據節點，一期規模72個機柜，按照國內A級機房要求設計與建設。

5.1? ? 市電電源的設計

為保證供電電源的可靠性，設計時必須基于《規范》的要求為數據中心選擇和配置市電電源。因為本項目為A級數據中心，所以配置了雙重電源。由于本項目在國外不發達地區，當地電網的電力供給不能提供滿足“來自不同電網的電源”要求的雙重電源，所以結合當地的供電情況適當降低了要求，但仍以滿足《規范》要求為前提，選擇了當地能夠提供的雙重電源：兩路電源由相同的電網引來，但它們在電氣運行過程中的聯系非常弱。

本項目為A級數據中心，為滿足《規范》和高可靠性的要求，市電電源和變壓器的設計均需按照2N架構來配置：首先，市電結合當地的情況引入了滿足《規范》要求的雙重電源，兩路電源同時工作、互為備用，并在10 kV側采用單母線分段的主接線形式;其次，數據中心內同規格、同容量的變壓器每兩臺為一組，其上級10 kV電源來自不同的10 kV母線段，兩臺變壓器間設置低壓母聯開關，正常運行時每臺變壓器負荷率控制在50%以下，當其中一臺變壓器故障或檢修時，由另一臺變壓器帶起全部負荷。

5.2? ? 應急備用電源的設計

由于本項目總用電負荷容量適中，且柴油發電機房離主機房位置不遠，故本項目采用0.4 kV發電機組。本項目為A級數據中心，按照《規范》要求，兼顧可靠性和經濟性，柴油發電機組采用了N+1的冗余配置：共設置3臺發電機組，其中2臺為基本量，1臺為冗余量，即2+1的冗余配置。同時，本項目選擇了G4性能等級的發電機組，并采用PRP作為其功率指標。

5.3? ? 不間斷電源的設計

本項目為A級數據中心，經過計算，IT設備用UPS系統的基本容量為600 kVA，UPS設備按2N要求配置，按照每套UPS為600 kVA計算，則此時設置2套600 kVA的UPS共計1 200 kVA;其次，經過計算，輔助設備用UPS系統的基本容量為300 kVA，輔助設備采用“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，不間斷電源系統的電池容量按《數據中心供配電設計規程》（T/CECS 486—2017）[6]要求設置為15 min。

6? ? 結語

數據中心是一個對供電可靠性和穩定性要求非常高的工程，數據中心項目中供電電源種類較多，包括市電電源、應急備用電源和不間斷電源等。在設計時，基于高可靠性和穩定性原則，需要依據《規范》對數據中心的供電電源種類進行科學配置，同時也需要對不同的供電電源系統作出合理設計與規劃，這樣才能從根本上保證并提高數據中心的供電可靠性。

[參考文獻]

[1] 數據中心設計規范：GB 50174—2017[S].

[2] 民用建筑電氣設計標準：GB 51348—2019[S].

[3] 低壓配電設計規范：GB 50054—2011[S].

[4] 供配電系統設計規范：GB 50052—2009[S].

[5] 往復式內燃機驅動的交流發電機組 第1部分：用途、定額和性能：GB/T 2820.1—2009[S].

[6] 數據中心供配電設計規程：T/CECS 486—2017[S].

收稿日期：2022-02-21

作者簡介：羅文（1985—），男，貴州貴陽人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：電氣工程。