A級數(shù)據(jù)中心IT負載配電系統(tǒng)架構(gòu)探討

摘 要：

為設(shè)計人員提供A級數(shù)據(jù)中心IT負載配電系統(tǒng)架構(gòu)選擇依據(jù)，對配電系統(tǒng)架構(gòu)形式、造價及用電可靠性進行討論。在2N、DR、RR 3個配電系統(tǒng)架構(gòu)中，2N配電系統(tǒng)架構(gòu)在造價上略高，但配電架構(gòu)簡單，后期運維存在較大優(yōu)勢，可靠性較高。綜合考慮，推薦設(shè)計時優(yōu)先選用2N配電系統(tǒng)架構(gòu)。結(jié)果可供同類項目參考。

關(guān)鍵詞：

A級數(shù)據(jù)中心; IT負載; 配電系統(tǒng); 2N; DR; RR

中圖分類號： TU855

文獻標志碼： B

文章編號： 1674-8417（2024）12-0046-06

DOI：

10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.12.009

0 引 言

數(shù)據(jù)中心是支撐經(jīng)濟社會數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級、融合創(chuàng)新為導向，以5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等應用需求為牽引，匯聚多元數(shù)據(jù)資源、運用綠色低碳技術(shù)、具備安全可靠能力、提供高效算力服務(wù)、賦能千行百業(yè)應用的新型基礎(chǔ)設(shè)施，具有高技術(shù)、高算力、高能效、高安全特征。

隨著數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施重要性的提升，意味著相應的運行保障等級需相應升高，作為最基礎(chǔ)且最重要的配電系統(tǒng)，應當在設(shè)計前期就引起足夠的重視。

1 數(shù)據(jù)中心分級及對應的配電系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》［1］定義，數(shù)據(jù)中心劃分為A、B、C三級，常用的系統(tǒng)冗余種類分為N、N+1、2N三類：

① N基本需求，系統(tǒng)滿足基本需求，沒有冗余。

② N+1系統(tǒng)滿足基本需求外，增加了1個組件、1個單元、1個模塊或1個路徑。任何1個組件、單元、模塊或路徑的故障或維護不會導致系統(tǒng)運行中斷。

③ 2N至少有一套系統(tǒng)在正常工作。按容錯系統(tǒng)具有兩套系統(tǒng)，在同一時刻，配置的基礎(chǔ)設(shè)施，在經(jīng)受住一次嚴重的突發(fā)設(shè)備故障或人為操作失誤后，仍能滿足電子信息設(shè)備正常運行的基本需求。

A級數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施按容錯系統(tǒng)配置，在電子信息系統(tǒng)運行期間，基礎(chǔ)設(shè)施應在一次意外事故后或單系統(tǒng)設(shè)備維護或檢修時仍能保證電子信息系統(tǒng)正常運行，對應配電系統(tǒng)架構(gòu)為2N;B級數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施應按冗余要求配置，在電子信息系統(tǒng)運行期間，基礎(chǔ)設(shè)施在冗余能力范圍內(nèi)，不應因設(shè)備故障而導致電子信息系統(tǒng)運行中斷，對應配電系統(tǒng)架構(gòu)為N+1;C級數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施應按基本需求配置，在基礎(chǔ)設(shè)施正常運行情況下，應保證電子信息系統(tǒng)運行不中斷，對應配電系統(tǒng)架構(gòu)為N。

2 用電可靠性

2.1 配電系統(tǒng)保證可靠性的原因

A級數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)，保持連續(xù)、穩(wěn)定、無

故障運行是其最為重要的功能和目標，電力系統(tǒng)

本身有一定的故障率，為保證數(shù)據(jù)中心不受其影響，合理地選擇配電系統(tǒng)架構(gòu)就成為用電可靠性保證的重要措施。

2.2 電力系統(tǒng)用電可靠性

“2023年全國電力可靠性年度報告”［2］中的數(shù)據(jù)顯示，2023年，全國有39.80%的用戶未發(fā)生過故障停電;在發(fā)生故障停電用戶中，有近34.85%的用戶故障停電1次，有21.50%的用戶故障停電次數(shù)在5次及以上，4.61%的用戶故障停電次數(shù)在10次及以上。

2023年，故障停電平均持續(xù)時間為3.21 h/次，其中，有39.65%的故障停電能夠在1 h以內(nèi)排除并恢復供電;有63.80%的故障停電能夠在2 h以內(nèi)排除并恢復供電;有4.11%的故障停電恢復時間超過了10 h。

2.3 配電系統(tǒng)配置分析

根據(jù)上述報告中提供的數(shù)據(jù)，可以明顯看出，2023年度，全國僅有39.8%的用戶未發(fā)生過故障停電，所以要保證數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)持續(xù)工作，必須要在配電系統(tǒng)架構(gòu)上進行備用容錯或冗余設(shè)置。

數(shù)據(jù)中也指出2023年度，僅有4.11%的故障停電恢復時間超過了10 h。根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》要求A級數(shù)據(jù)中心必須配置備用電源，而在實際工作中，大多數(shù)的項目均采用柴油發(fā)電機作為備用電源。根據(jù)規(guī)范要求，A級數(shù)據(jù)中心設(shè)置柴發(fā)為備用電源時，柴油儲量應滿足12 h用油需求。

在配電系統(tǒng)架構(gòu)搭建上，可采用2N、DR、RR配電系統(tǒng)架構(gòu)滿足容錯或冗余系統(tǒng)要求，保證系統(tǒng)整體的運行不受故障停電因素的干擾。而在備用電源選擇及持續(xù)工作時間上，應優(yōu)先選擇柴油發(fā)電機作為后備電源，柴油發(fā)電機持續(xù)工作時間12 h，已覆蓋近96%的10 h內(nèi)恢復供電的用戶，可大大降低數(shù)據(jù)中心停電的風險。

3 常用配電系統(tǒng)架構(gòu)及其特點

A級數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)負載通常分為IT負載及AP負載兩部分，鑒于篇幅有限，本文后續(xù)內(nèi)容僅對在數(shù)據(jù)中心更為核心的IT負載配電架構(gòu)進行分析、討論，備用電源統(tǒng)一采用柴油發(fā)電機配置。

A級數(shù)據(jù)中心常用配電系統(tǒng)架構(gòu)包括2N、DR、RR 3種。

2N：雙倍冗余式配電系統(tǒng)架構(gòu)。

DR：分布式冗余式配電系統(tǒng)架構(gòu)。

RR：后備式冗余式配電系統(tǒng)架構(gòu)。

3.1 2N配電系統(tǒng)架構(gòu)及特點

2N配電系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。圖1的架構(gòu)為國內(nèi)最常用A級配電系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)通常指在系統(tǒng)中，配電設(shè)備采用2N數(shù)量，且在一套系統(tǒng)故障狀態(tài)下，另一套系統(tǒng)仍能夠獨立工作并保障電力供應。

變壓器、配電柜及UPS均為基礎(chǔ)配置的2倍，兩路互為備用，UPS并機后，每路UPS負載率不高于50%，在某路配電設(shè)備出現(xiàn)問題后，另一路設(shè)備可以將兩路的負載全部帶起來。2N配電系統(tǒng)架構(gòu)需要配置雙倍的基礎(chǔ)設(shè)備，工程造價偏高，故障時可自動切換到互備設(shè)備，實用性較高，運維難度低，雙倍配置的數(shù)量可按照容錯要求，設(shè)置物理隔離。這是該系統(tǒng)的另一大優(yōu)勢。

3.2 DR（即分布式冗余）配電系統(tǒng)架構(gòu)及特點

DR配電系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。架構(gòu)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，從架構(gòu)形式上看，類似于N+1架構(gòu)。正常運行情況下，每個供配電單元的負荷率為66%。當一個供配電系統(tǒng)發(fā)生故障，其對應負載由相鄰供配電單元繼續(xù)供電［3-4］，優(yōu)點是運行效率高，前期投資少，缺點是運維較復雜，不易形成物理隔離。

3.3 RR（即后備式冗余）配電系統(tǒng)架構(gòu)及特點

RR配電系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。架構(gòu)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(fā)生故障，通過電源切換裝置，備用單元繼續(xù)為負載供電［4-5］，其架構(gòu)同樣與N+1架構(gòu)類似，優(yōu)點是運行效率高，缺點是靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS）配置較多，運維較復雜，初始投資高。

4 配電系統(tǒng)架構(gòu)經(jīng)濟性比選

4.1 假設(shè)基本配置及核算造價情況

以0.4 kV側(cè)配電架構(gòu)為例，發(fā)電機位于0.4 kV側(cè)，3組冷通道，每組冷通道20個機柜，每柜5 kW功率，每組冷通道按照100 kW功率進行計算，功率因素取0.8，考慮UPS冗余量，計算容量不小于1.2×負載容量。將采用的3種配電架構(gòu)形式進行直接核算，選型及造價數(shù)據(jù)概算如下文所述（所有概算價格以國內(nèi)一線國產(chǎn)品牌進行估算）。

4.1.1 2N配電系統(tǒng)架構(gòu)主設(shè)備配置

圖1系統(tǒng)采用2N配電系統(tǒng)架構(gòu)，各組IT負載均由兩獨立回路配電單元承擔，正常工作狀態(tài)時，兩組配電單元各承擔50%負載，單回路設(shè)備故障時，可實現(xiàn)迅速切換，由無故障回路承擔系統(tǒng)內(nèi)100%負載。100%負載容量=1.2×20柜×5 kW/0.8×3=450 kVA。

該系統(tǒng)特點如下：

① 三組冷通道分別配置兩套機房列頭柜（RPP）柜，即6臺RPP柜;

② 配置2套低壓配電柜在UPS出線側(cè)，為RPP柜供電;

③ 配置2套低壓配電柜在UPS進線側(cè)，為UPS供電;

④ 配置2套500 kVA UPS為IT負載供電;

⑤ 配置2套630 kVA變壓器為IT負載供電;

⑥ 0.4 kV側(cè)配置2套500 kW柴油發(fā)電機作為備用電源。

2N配電系統(tǒng)架構(gòu)概算價格如表1所示。

4.1.2 DR配電系統(tǒng)架構(gòu)主設(shè)備配置

圖2系統(tǒng)采用DR配電系統(tǒng)架構(gòu)，各組IT負載均由本組配電單元及下組配電單元構(gòu)成的雙回路承擔，正常工作狀態(tài)時，每組UPS承擔本組IT負載，單回路設(shè)備故障時，可實現(xiàn)迅速切換，由相鄰配電單元回路承擔故障回路的IT負載。根據(jù)假設(shè)配置要求，本系統(tǒng)含3組IT負載，每組配電單元最多需承擔2組IT負載，即實際承擔66%IT負載，66%IT負載容量為300 kVA。

該系統(tǒng)特點如下：

① 三組冷通道分別配置兩套RPP柜，即6臺RPP柜;

② 配置3套低壓配電柜在UPS出線側(cè)，為RPP柜供電;

③ 配置3套低壓配電柜在UPS進線側(cè)，為UPS供電;

④ 配置3套300 kVA UPS為IT負載供電;

⑤ 配置3套315 kVA變壓器為IT負載供電;

⑥ 0.4 kV側(cè)配置3套250 kW柴油發(fā)電機作為備用電源。

DR配電系統(tǒng)架構(gòu)概算價格如表2所示。

4.1.3 RR配電系統(tǒng)架構(gòu)主設(shè)備配置

圖3系統(tǒng)采用RR配電系統(tǒng)架構(gòu)，各組IT負載均由兩獨立回路配電單元承擔，要求正常工作狀態(tài)時，每組配電單元承擔各組IT負載，備用配電單元承擔全部備用100%IT負載，單回路設(shè)備故障時，可實現(xiàn)迅速切換，由備用配電單元回路承擔故障回路IT負載。100%負載容量=1.2×20柜×5 kW/0.8×3=450 kVA。33%負載容量=1.2×20柜×5 kW/0.8=150 kVA。

該系統(tǒng)特點如下：

① 三組冷通道分別配置兩套STS設(shè)備，即6臺STS;

② 配置4套低壓配電柜在UPS出線側(cè)，為STS供電;

③ 配置4套低壓配電柜在UPS進線側(cè)，為UPS供電;

④ 配置1套500 kVA UPS、3套160 kVA UPS為IT負載供電;

⑤ 配置1套630 kVA變壓器、3套160 kVA變壓器為IT負載供電;

⑥ 0.4 kV側(cè)配置1套500 kW柴油發(fā)電機、3套150 kW柴油發(fā)電機作為備用電源。

RR配電系統(tǒng)架構(gòu)概算價格如表3所示。

4.2 配電系統(tǒng)架構(gòu)主設(shè)備成本對比

由上述概算價格可知，僅對比IT負載主設(shè)備情況下，2N配電系統(tǒng)架構(gòu)成本最高，RR次之，DR最低。其中，DR配電系統(tǒng)架構(gòu)相較2N配電系統(tǒng)架構(gòu)成本降低約9.7%，RR配電系統(tǒng)架構(gòu)相較2N配電系統(tǒng)架構(gòu)成本降低約4.9%。

5 配電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計建議

數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計人員進行配電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計時，應充分了解客戶實際需求，明晰概算情況，充分了解各系統(tǒng)優(yōu)缺點及后續(xù)維護、電費開支等情況，結(jié)合項目實際特點進行配電架構(gòu)設(shè)計。

經(jīng)過核算，工程設(shè)備造價上2N配電系統(tǒng)架構(gòu)高出DR配電系統(tǒng)架構(gòu)約9.7%，高出DR配電系統(tǒng)架構(gòu)約4.9%;系統(tǒng)架構(gòu)上，2N配電系統(tǒng)架構(gòu)最簡單，RR配電系統(tǒng)架構(gòu)最復雜;后期運維上，同樣是2N配電系統(tǒng)架構(gòu)最簡單，RR配電系統(tǒng)架構(gòu)最復雜。

按照數(shù)據(jù)中心國家相關(guān)標準的分級要求，在配電系統(tǒng)架構(gòu)的選擇中，應優(yōu)先保證系統(tǒng)可靠性，2N架構(gòu)在造價上略高，但配電架構(gòu)簡單，后期運維存在較大優(yōu)勢，可靠性較高，且國家相關(guān)標準中均推薦2N配電系統(tǒng)架構(gòu)為A級數(shù)據(jù)中心標配，設(shè)計時應優(yōu)先考慮2N架構(gòu)作為A級數(shù)據(jù)中心機房的配電系統(tǒng)架構(gòu)配置。

6 結(jié) 語

數(shù)據(jù)中心在國家數(shù)字轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略體系中的地位越來越重，隨之而來的各系統(tǒng)的運行保障問題須更加重視，數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的配電架構(gòu)在保障運行方面起到至關(guān)重要的作用，應在設(shè)計階段引起足夠重視，設(shè)計人員設(shè)計配電系統(tǒng)架構(gòu)時，應充分考慮項目特點，設(shè)備造價情況及要實現(xiàn)的目標等，確保配電系統(tǒng)符合國家標準的相關(guān)要求，保證數(shù)據(jù)中心承擔起數(shù)據(jù)安全保障的任務(wù)。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范：GB 50174—2017［S］.北京：中國計劃出版社，2017.

［2］ 國家能源局，國電力企業(yè)聯(lián)合會.2023年全國電力可靠性年度報告［R］.2023.

［3］ 王紅偉，張明.全面掌控數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)［J］.自動化應用，2023，64（1）：155-162.

［4］ 鐘景華.數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構(gòu)及備用電源的選擇［J］.建筑電氣，2018，37（1）：3-7.

［5］ 黃博，賈鋒澤，宋世杰，等.數(shù)據(jù)中心RR架構(gòu)分析及應用實踐［J］.建筑電氣，2022，41（12）：49-55.

收稿日期： 2024-08-01

Discussion on the Architecture of IT Load Distribution System in

A-Level Data Center

SUN Yun

（Zeyu Technical Group Co.， Ltd.， Xiamen 361000， China）

Abstract：

This article aims to provide designers with a basis for selecting the architecture of A-level data center IT load distribution systems.Through discussions on the form，cost，and reliability of the distribution system architecture，it is concluded that among the three distribution system architectures of 2N，DR，and RR，the 2N distribution system architecture has a slightly higher cost but a simpler distribution architecture，which has significant advantages in later operation and maintenance and higher reliability.Taking into account all factors，it is recommended to prioritize the use of the 2N distribution system architecture in design.

Key words：

class A data center; IT loads; power distribution systems; 2N; DR; RR