互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心DR 供配電系統(tǒng)應(yīng)用

［王洋］

1 DR 架構(gòu)應(yīng)用分析

1.1 DR 架構(gòu)介紹

DR（Distribution Redundancy，分布式冗余）架構(gòu)由N+1（N≥ 2）個(gè)配置相同的供配電單元組成，N+1 個(gè)單元同時(shí)工作，互為備用。將負(fù)載均分為N+1 組，每個(gè)供配電單元為本組負(fù)載和相鄰負(fù)載供電，即1 號(hào)負(fù)載由第一組供電單元和第二組供電單元提供雙路供電，2 號(hào)負(fù)載由第二組供電單元和第三組供電單元提供雙路供電，以此類推，N+1 號(hào)負(fù)載由第N+1 組供電單元和第1 組供電單元提供雙路供電。這樣保證每組負(fù)載雙路電源均引自不同組的供電單元。當(dāng)任意一路供電單元發(fā)生故障時(shí)，剩余供電單元可承擔(dān)所有負(fù)載供電。DR 分布式冗余供電架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 DR 供配電架構(gòu)圖

1.2 架構(gòu)分析

為了便于具體分析，本文假設(shè)模型基于一個(gè)數(shù)據(jù)中心IT 總功率為6 000 kW，平均分布在12 個(gè)機(jī)房模塊，單個(gè)模塊IT 總功率500 kW。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行具體應(yīng)用架構(gòu)和特性分析。

考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性和實(shí)施難度，目前主要以2+1的配置方式較多。即任意一組供電系統(tǒng)發(fā)生故障，另外兩組供電系統(tǒng)可承擔(dān)全部負(fù)荷。本文也主要以2+1 的DR 架構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析。

根據(jù)假設(shè)模型，共規(guī)劃兩個(gè)IT 供電模塊，每個(gè)供電模塊由3 組供電單元組成，每個(gè)單元配置了1 臺(tái)1 600 kVA 的10/0.4 kV 變壓器、4 臺(tái)500 kVA UPS 及對(duì)應(yīng)的配電柜和輔助設(shè)施。單個(gè)供電模塊的架構(gòu)圖如圖2 所示。雖然針對(duì)IT 供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由原來(lái)常用的2N 架構(gòu)“降級(jí)”為N+1 架構(gòu)，但是針對(duì)末端的IT 設(shè)備來(lái)說(shuō)，仍然是來(lái)自不同系統(tǒng)的雙路“2N”供電。

圖2 IT 供電架構(gòu)

圖3 動(dòng)力供電架構(gòu)

1.3 可靠運(yùn)行分析

DR 系統(tǒng)從架構(gòu)上來(lái)說(shuō)，比2N 系統(tǒng)更“節(jié)省”，但是仍可滿足容錯(cuò)的特性。在負(fù)載平衡能夠及時(shí)調(diào)配的情況下，末端的負(fù)載也可實(shí)現(xiàn)真正的雙路供電。下面以一個(gè)IT供電模塊為模型，從3 種典型的故障場(chǎng)景來(lái)說(shuō)明DR 系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)性。本文僅從理論角度進(jìn)行分析，且僅考慮出現(xiàn)一次故障或檢修的情況。

1.3.2 故障工作場(chǎng)景一

如圖5 所示，假設(shè)故障一場(chǎng)景為1#供電單元中，第一組UPS 并機(jī)系統(tǒng)中一臺(tái)UPS 因故障或檢修離線運(yùn)行，導(dǎo)致只有一臺(tái)UPS 正常供電，已無(wú)法支撐兩個(gè)機(jī)房模塊共500 kW 的正常供電。在這種情況下，需要將由1 號(hào)供電單元第一組UPS 供電的其中一個(gè)機(jī)房模塊供電切換到另外一路供電，降低該組UPS 的輸出功率，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖5 故障一時(shí)負(fù)載情況

調(diào)整后1#供電單元第一組UPS 負(fù)載率保持在約56%；3#供電單元的第二組UPS 輸出功率達(dá)到了750 kW，負(fù)載率達(dá)到了設(shè)計(jì)最高值約83%，其他供電系統(tǒng)均不受影響。其他類似場(chǎng)景均可參考此分析過(guò)程。

1.3.1 正常工作場(chǎng)景

將紅外光譜的“指紋性”用于快速識(shí)別中藥具有真實(shí)、整體、綜合和宏觀的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，這種方法的迅速推廣和應(yīng)用將對(duì)中藥的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究具有十分重要的意義，這種方法可與傳統(tǒng)的鑒別方法相結(jié)合，使中藥材的鑒別更加完善、更加合理［14］。

系統(tǒng)正常工作時(shí)，單臺(tái)UPS 輸出功率250 kW，每個(gè)供電單元輸出功率1 000 kW，負(fù)載率約56%。單個(gè)IT 機(jī)房在滿載500 kW 情況下，由雙路供電，每路承擔(dān)250 kW分別引自不同的供電單元。正常工作場(chǎng)景下負(fù)載情況如圖4 所示。

圖4 正常工作時(shí)負(fù)載情況

1.3.3 故障工作場(chǎng)景二

如圖6 所示，假設(shè)故障二的場(chǎng)景為1#供電單元中第一組UPS 全部因故障或檢修離線運(yùn)行，導(dǎo)致無(wú)法為機(jī)房模塊正常供電。在這種情況下，需要將由1 號(hào)供電單元第一組UPS 供電的所有機(jī)房模塊供電均切換到另外一路供電，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖6 故障二時(shí)負(fù)載平衡情況

調(diào)整后1#供電單元第一組UPS 已不帶任何負(fù)載；由2#供電單元的第二組UPS 額外承擔(dān)其一半負(fù)載，輸出功率達(dá)到了750 kW；由3#供電單元的第二組UPS 額外承擔(dān)其另一半負(fù)載，輸出功率也達(dá)到了750 kW；這兩組UPS 負(fù)載率均達(dá)到了設(shè)計(jì)最高值約83%，其他供電系統(tǒng)均不受影響，最終末端負(fù)載保證不間斷運(yùn)行。其他類似場(chǎng)景均可參考此分析過(guò)程。

1.3.4 故障工作場(chǎng)景三

如圖7 所示，假設(shè)故障三的場(chǎng)景為1#供電單元整體因故障或檢修離線運(yùn)行，導(dǎo)致無(wú)法正常供電。在這種情況下，需要將由1 號(hào)供電單元供電的所有機(jī)房模塊電源均切換到另外一路供電，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖7 故障三時(shí)工作情況

調(diào)整后1#供電單元已不帶任何負(fù)載；由2#供電單元和3#供電單元額外均攤其原有負(fù)載，每組UPS 輸出功率均達(dá)到750 kW，負(fù)載率均達(dá)到設(shè)計(jì)最高值約83%，其他供電系統(tǒng)均不受影響。在這種情況下，整個(gè)供電系統(tǒng)在減少了一路供電的情況下仍可保證系統(tǒng)滿載不間斷運(yùn)行。其他類似場(chǎng)景均可參考此分析過(guò)程。

2 與2N 系統(tǒng)對(duì)比

GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求，A 級(jí)數(shù)據(jù)中心供配電架構(gòu)應(yīng)滿足容錯(cuò)要求。目前能夠滿足該要求且應(yīng)用最廣泛的架構(gòu)是2N 架構(gòu)。為了分析DR 系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值，本文主要從可用度、成本及其他方面對(duì)2N 和DR 架構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。

2.1 2N 架構(gòu)介紹

由兩個(gè)供配電總線組成，兩個(gè)總線同時(shí)工作，互為備用，任意一個(gè)總線均能滿足全部負(fù)載的用電需要。正常運(yùn)行時(shí)，兩路總線各承擔(dān)50%的用電負(fù)荷，當(dāng)任意一路總線發(fā)生故障時(shí)，另一路總線可承擔(dān)100%的負(fù)荷。2N 雙總線供電架構(gòu)如圖8 所示。

圖8 2N 供配電架構(gòu)圖

2.2 架構(gòu)對(duì)比

2.2.1 可用性分析

可用性（可用度）定義為：系統(tǒng)在使用過(guò)程中（尤其在不間斷連續(xù)使用的條件下），可以正常使用的時(shí)間與總時(shí)間之比。

系統(tǒng)可用性A（t）可分別用平均故障間隔時(shí)間（MTBF）和平均維修時(shí)間（MTTR）表示：

數(shù)據(jù)中心常用供配電系統(tǒng)可用度如表1 所示。

表1 主要供電系統(tǒng)和部件可用度A[1]

針對(duì)系統(tǒng)整體可用度計(jì)算方法如下：

由于篇幅限制，本文不對(duì)計(jì)算過(guò)程展開(kāi)討論，僅對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論。兩種架構(gòu)針對(duì)末端IT 設(shè)備的可用度如表2所示。

表2 兩種架構(gòu)的可用度[2]

由表2 數(shù)據(jù)可知，2N 架構(gòu)整體可用度略高于DR 架構(gòu)。DR 架構(gòu)可視作N+1 冗余，在整體冗余度上低于2N 架構(gòu)，所以整體可用度略有降低。

2.2.2 成本分析

成本作為衡量數(shù)據(jù)中心建設(shè)及運(yùn)營(yíng)是否良好的重要指標(biāo)之一。供配電系統(tǒng)相關(guān)投資占數(shù)據(jù)中心整體機(jī)電投資的60%以上，一個(gè)適合的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該綜合考慮可靠性和投資成本的平衡。下面我們按照上文提到的假設(shè)模型來(lái)分析DR 系統(tǒng)和2N 系統(tǒng)的建設(shè)投資成本。

根據(jù)假設(shè)模型，2N 架構(gòu)配置主要分為4 個(gè)供電模塊，共配置8 臺(tái)2 500 kVA 變壓器，其中6 臺(tái)兩兩互為備用為IT 負(fù)荷供電，另外2 臺(tái)互為備用，負(fù)責(zé)動(dòng)力系統(tǒng)供電。每臺(tái)IT 用變壓器配置6 臺(tái)500 kVA UPS,每3 臺(tái)形成并機(jī)給末端IT 設(shè)備供電。IT 配電架構(gòu)如圖9 所示。動(dòng)力變壓器主要負(fù)責(zé)冷機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)、照明等輔助設(shè)備供電，配置了3 臺(tái)500 kVA UPS 保證冷凍泵和末端精密空調(diào)的不間斷運(yùn)行，具體配電架構(gòu)如圖10 所示。

圖9 單個(gè)IT 供電模塊架構(gòu)圖

圖10 動(dòng)力系統(tǒng)供電架構(gòu)圖

根據(jù)以上DR 和2N 架構(gòu)模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行具體配置。由于具體工程中，地區(qū)、品牌、配置以及工程做法都會(huì)對(duì)成本造成影響，本文僅考慮在盡量一致的場(chǎng)景下對(duì)成本進(jìn)行定性分析對(duì)比，可作為架構(gòu)選擇的參考，不能作為指導(dǎo)具體的工程實(shí)施的依據(jù)。由于僅作定性分析，僅考慮大型設(shè)備成本，針對(duì)一些末端設(shè)備和材料成本較低，對(duì)總成本影響有限，本次分析不再計(jì)入。由于柴發(fā)系統(tǒng)基本一致，在這里也不做對(duì)比。

根據(jù)表3 和表4，2N 架構(gòu)和DR 架構(gòu)的主要設(shè)備配置和成本估算對(duì)比可知，主要設(shè)備投資成本DR 架構(gòu)比2N 架構(gòu)降低18%左右。

表3 2N 系統(tǒng)主要電氣設(shè)備成本估算

表4 DR 系統(tǒng)主要電氣設(shè)備成本估算

從表3 和表4 可看出，降低的成本主要是UPS 和電池的數(shù)量減少所帶來(lái)的。UPS 和鉛酸電池作為數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵設(shè)備，由于其自身特性使用壽命較短，同時(shí)考慮到工作的可靠性，基本UPS 設(shè)備需要10 年做一次更換，電池需要5 年做一次更換。那么按照數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)15 年的壽命來(lái)看，電池需要更換兩次，UPS 需要更換一次。2N 架構(gòu)和DR 架構(gòu)的設(shè)備更換成本如表5 所示。

表5 運(yùn)行周期內(nèi)設(shè)備更換成本對(duì)比

由表5 可知，在數(shù)據(jù)中心15 年運(yùn)行周期內(nèi)，DR 架構(gòu)的設(shè)備更換成本比2N 架構(gòu)節(jié)省了約30%。

從電力使用成本考慮，主要分為兩個(gè)方面，一是電能損耗，二是容量占用費(fèi)。隨著節(jié)能設(shè)備的應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心主要供電設(shè)備由于負(fù)載率而導(dǎo)致的效率差距已經(jīng)越來(lái)越小了，在負(fù)載率大于30%以上時(shí)可不用考慮此部分損耗差異[3]。

現(xiàn)在隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模越來(lái)越大，絕大部分大型數(shù)據(jù)中心采用大工業(yè)用電模式，即電費(fèi)是由電度電價(jià)和基本電價(jià)組成。基本電價(jià)乘以安裝的變壓器容量即為基本電費(fèi)，按照北京地區(qū)基本電價(jià)32 元/kVA·月來(lái)計(jì)算，如表6 所示。

表6 基本電費(fèi)對(duì)比表

2N 系統(tǒng)安裝的變壓器容量是DR 系統(tǒng)的約1.4 倍，平均每年需要多繳基本電費(fèi)約215 萬(wàn)元。

3 結(jié)論

DR 系統(tǒng)在架構(gòu)上是“N+1”配置，但是同樣能夠滿足容錯(cuò)的要求。通過(guò)與2N 系統(tǒng)的對(duì)比，DR 系統(tǒng)因?yàn)榻档土巳哂喽龋瑢?dǎo)致可用度有部分降低；整體架構(gòu)比2N 系統(tǒng)要復(fù)雜，對(duì)后期運(yùn)維能力要求較高。但是DR 系統(tǒng)的建設(shè)成本較低，由于減少了冗余，占用空間也比2N 系統(tǒng)要少，在同樣的條件下對(duì)外電的需求較少，同時(shí)比2N系統(tǒng)節(jié)省電費(fèi)。

在目前數(shù)據(jù)中心大規(guī)模發(fā)展的形勢(shì)下，資源和成本越來(lái)越為數(shù)據(jù)中心業(yè)主所關(guān)注，2N 系統(tǒng)對(duì)資源的高需求、低利用的弊端會(huì)越來(lái)越凸顯。DR 系統(tǒng)作為高可靠性的“容錯(cuò)”系統(tǒng)，在滿足可用性要求的前提下，更加降低成本，節(jié)約資源，可以作為數(shù)據(jù)中心規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)者一個(gè)值得參考的選項(xiàng)。