數據中心供配電系統方案簡述

趙燕河

數據中心供配電系統方案簡述

趙燕河

（漳州科華技術有限責任公司，福建 漳州 363000）

介紹了數據中心分級、數據中心供電電源的技術要求，并根據供電系統建設時的不同形式，簡要闡述了數據中心供配電系統方案。

UPS；冗余配電；電源；數據中心

在數據中心供配電系統中，配置不間斷電源的目的是防止因市電停電或市電異常造成計算機設備、通信設備等負載設備的停機或發生誤動作，避免數據中心系統因掉電或供電異常而造成無法預估的損失。不間斷電源UPS是數據中心供配電系統不間斷供電的重要保障，將直接影響數據中心的可靠性；另外，數據中心中UPS的損耗較大，所以，降低能耗并提高可靠性已成為數據中心供配電系統的技術發展方向。不同客戶對微模塊數據中心供配電方案的需求不同，數據中心供應商需要對供配電方式有正確的認識和靈活運用。

1　數據中心機房分級

據國標GB 50174標準要求，電子信息系統機房應劃分為 A、B、C三個等級，在設計時應考慮機房使用性質、管理需求及其在社會與經濟中的重要性來定義所屬級別。

A級機房定義：電子信息系統運行中斷將造成重大的經濟損失或公共場所秩序嚴重混亂。

B級機房定義：電子信息系統運行中斷將造成較大的經濟損失或公共場所秩序混亂。

C級機房定義：保證電子信息系統不間斷運行。

GB 50174—2008《電子信息系統機房設計規范》與國際標準TIA—942《數據中心的電信基礎設施標準》中，數據中心機房分級如表1所示。

2　供配電方案

2.1 N系統

N系統滿足基本需求，沒有冗余UPS設備，其優點為系統簡單，硬件配置成本低廉；UPS工作為滿負荷，因此效率較高；其缺點是可用性低，當UPS發生故障，負載將轉換到旁路供電，無保護電源；在UPS、電池等設備維護期間，負載處于無保護電源狀態；存在多個單故障點。N系統基本原理如圖1所示。

表1 數據中心機房分級標準及技術要求

GB 50174—2008分級A級B級C級 TIA—942分級Tier 4Tier 3Tier 2Tier 1 系統性能雙系統同時運行雙系統一用一備單系統冗余配置單系統基本配置 供電電源2個電源供電2個電源供電2個電源供電2回電源供電 變壓器冗余M（1+1）M（1+1）M（1+1）N UPS冗余及時間2N，30 minN+1，30 minN+1，30 minN，15 min 柴油發電機冗余及儲油量N+1，96 hN+1，72 hN，24 hN，8 h 機房專用空調冗余2NN+XN+1N

圖1 N系統基本原理圖

2.2 N+X系統

相對于“N”系統，“N+X”系統在UPS配置上有了一定冗余，系統可靠性有所提高，同時帶來了系統配置成本增加、系統負荷率的降低以及效率降低。N+X系統穩定且成本提升不大，因此在數據中心得到了廣泛應用，但是該系統在UPS輸出端仍然存在單故障點，實際項目中由此造成的系統宕機屢見不鮮。所以，相應出現了一種“市電+U電”的供電架構，即在N+X系統基礎上做了改進，UPS設備配置不變，將服務器等雙電源設備中1路改由市電直接供電，消除了單點故障，可靠性較N+1系統大大提高，同時，UPS系統損耗降低為原先的50%。UPS系統整體效率提升至95%以上。

N+X系統基本原理如圖2所示。

圖2 N+X系統基本原理圖

2.3 2N系統

為了消除單點故障，高等級（A級）數據中心通常采用2N冗余系統。該系統一般是由至少2套UPS組成雙路雙電源系統，從前端雙電源輸入到UPS輸出再到IT負載，整個電氣回路完全是獨立隔離的。簡單而言，任意回路出現單點故障都不會對系統造成供電故障，正常運行時，每個回路承擔約50%的總負荷，因為雙路雙電源是整個系統，UPS端其空調等設備需要配置雙路電源輸入，整個系統涉及系統級設計與規劃。采用2N冗余系統可用性得到明顯提高。2N冗余系統的缺點也非常明顯，即設備配置多、成本高，通常情況下效率比N+X系統更低。

2N系統的基本原理如圖3所示。

圖3 2N系統的基本原理

2.4 UPS ECO模式

雙轉換在線式UPS配置有靜態旁路，正常情況下負載由旁路供電，交流輸入中斷后再切換至逆變由電池供電的運行模式，被稱為ECO模式，即經濟運行模式。ECO模式雖然帶來了效率的提升，但其代價是IT負載由市電供電，UPS必須不斷監視市電狀態，并在發現問題且當該問題尚未影響負載時，迅速切換到逆變器供電，其實際操作起來需要承擔一定的風險。

2.5 HVDC電源系統

目前常用的是240 V高壓直流供電系統，它與傳統雙轉換在線式UPS系統的主要區別是取消了逆變環節，其蓄電池掛接在直流母線，與整流器并聯，同時為IT設備供電。由于直流電源拓撲簡單，因此故障率較傳統UPS有所降低；一般都采用模塊化設計，可實現在線維護。

IT設備電源模塊的前端一般是橋式整流電路，從原理上分析，輸入由AC220 V替換為DC240 V時，IT設備仍然可以正常工作。DC240 V系統浮充電壓為270 V，對現有IT設備的兼容性最好，其缺點是配電線路的損耗較大，電源轉換效率較低。目前已有數以十萬計的IT設備運行在DC240 V系統下，其可行性得到較好的實踐檢驗。其效率可以通過元件的選擇以及采用離線架構彌補，將電源與負荷就近布置也可抵消配電線路的損耗。綜合考慮，240 V HVDC目前是數據中心系統中應用最廣泛的高壓直流電源系統。與雙變換在線式UPS應用類似，高壓直流目前也以在線應用為主。所謂在線，是指交流電能始終經HVDC整流后為IT設備供電，通常有6%以上的損耗；所謂離線，是指正常情況下市電直供IT設備，HVDC僅為蓄電池提供浮充，市電中斷后，轉由蓄電池供電，在這種架構下，正常情況為IT設備供電的電能不經過HVDC轉換，此部分損耗幾乎可以忽略。因此，節能效果顯著。

3　結束語

通過以上分析可知，選擇的最佳方案為選擇與數據中心機房分級及各系統業務相匹配的供電系統方案。由于UPS設備本身工作原理復雜，UPS運作中也會發生故障，一旦UPS故障，將會對整個數據中心的運行造成不良后果。然而，通過UPS設備冗余可以提高整個供配電系統的可靠性，這便有了N、N+X、2N等多種在線式，供配電方案以及 ECO離線式供配電方案。雖電源設備冗余可以提高數據中心供配電系統的可靠性，但它也帶來了成本和能耗的增加。另外，為了避免傳統UPS設備故障率高和UPS設備冗余帶來的成本、能耗高等問題，國內很多數據中心規模部署了240 V直流電源系統。所以，如何正確應用不同的供配電方案，為客戶提供安全、可靠、節能的綠色電源為首要任務。

［1］中華人民共和國住房和城鄉建設部.50462—2008電子信息系統機房施工及驗收規范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［2］何云暉.數據中心微模塊的構成和應用場景［J］.現代建筑電氣，2015，6（9）：39-41.

［3］張祥，唐士洲.數據中心的微模塊應用［J］.現代建筑電氣，2015，6（9）：35-38.

［4］沈巍，孫海峰.微模塊數據中心的設計研究［J］.電信工程技術與標準化，2016，29（2）：54-56.

［5］金國剛，黨倩，祝唯微.可信綠色智能數據中心機房建設的研究與思考［J］.電力信息與通信技術，2011，9（3）：85-88.

TP308

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.055

2095－6835（2020）08－0126－02

〔編輯：張思楠〕