不同等級數據中心的供配電系統設計

申 星，云昭潔，李海濤，魏 亮

（1.烽火通信科技股份有限公司，湖北 武漢 430000；2.湖北省科技信息研究院，湖北 武漢 430000）

0 引 言

隨著云計算、大數據等技術的發展，數據中心正朝著集約化、規模化以及節能化等方向發展，并且隨著關鍵業務的云上部署，人們對數據中心供電可靠性的要求越來越高。因此，如何在控制數據中心總擁有成本（Total Cost of Ownership，TCO）的情況下兼顧數據中心的可用性、節能性以及經濟性成為當前數據中心供配電系統設計的關鍵。以數據中心設計規范為依據，參考筆者建設的大型數據中心供配電系統實例，針對數據中心供配電系統設計進行分析。

1 數據中心供配電系統要求

1.1 不同等級要求

《數據中心電信基礎設施標準》（ANSITIA-942—2005）根據建筑結構、柴油發電機及后備燃油、供電電源、UPS及后備蓄電池、精密空調等的配置數量與架構對數據中心進行定義并分為4級，其中Ⅰ級數據中心為基本型（Basic），Ⅱ級數據中心為冗余型（Redundant Components），Ⅲ級數據中心為可在線維護型（Concurrently Maintainable），Ⅳ級數據中心為容錯型（Fault Tolerant）[1]。而根據國家標準《數據中心設計規范》（GB 50174—2017）中關于數據中心的分級定義規定，電子信息系統機房應劃分為A、B、C三級，設計時根據數據中心的使用性質、數據丟失或網絡中斷在經濟和社會中造成的損失或影響程度確定所屬級別[2]。總體而言，A級機房介于Ⅲ級和Ⅳ級之間，B級機房相當于Ⅱ級，C級機房相當于Ⅰ級。Ⅳ級數據中心對于建筑結構等方面的要求很高，例如不同功能區域的物理隔離等，建設成本較高。綜合考慮經濟性和可用性等，目前國內建設的中大型數據中心主要為A級。

1.2 負荷要求

由于數據中心的負荷決定著供電電源的電壓、容量、架構等關鍵參數選擇，因此合理準確計算數據中心負荷成為數據中心供配電系統設計的首要任務。為了保證IT設備的正常工作，需要提供不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）、精密空調、照明等配套基礎設施。數據中心的實際有用負荷為IT設備負荷，而數據中心總負荷為IT設備負荷與配套基礎設施負荷之和。

1.2.1 IT設備負荷

IT設備數量及功率明確時，按設備數據統計。IT設備不明確時，按機柜平均負荷功率統計。機柜數量不明確時，可按機房面積平均負荷估計。此外，負荷分配需要注意三相負荷平衡，采用需要系數法計算負荷功率，并進行單相負荷與三相負荷的換算。

1.2.2 配套基礎設施負荷

UPS負荷（含IT設備負荷）為：

式中：SUPS為UPS負荷（只考慮主用設備負荷）；SIT為IT設備視在功率；SCH為蓄電池充電視在功率；PIT為IT設備有功功率；η為UPS效率；cosφ為UPS輸出功率因數；k為充電系數（經驗取值范圍0.15～0.25）。

精密空調荷為：

式中：SCd為精密空調負荷，Ied為精密空調額定電流。計算精密空調的總負荷時，只考慮主用設備的負荷。此外，照明及其他負荷按需要系數法計算。

2 數據中心供電系統

2.1 市電電源

目前，數據中心建設呈現集約化發展趨勢，對于電力容量的需求也越來越大，選擇合理的供電電源至關重要。各級電壓送電能力如表1所示[3]。

表1 各級電壓送電能力

根據電力容量需求和配置條件成本，綜合考慮后選擇數據中心市電電源的供電電壓級別。根據數據中心規模的不同，采用不同的高壓系統架構。按照電力容量，可以分為超大型數據中心、大型數據中心、中型數據中心以及小型數據中心。

超大型數據中心的總負荷在10 000 kVA以上，電源進線電壓一般為35～110 kV，經過兩次降壓。一般設置總變電站，先將35～110 kV電壓降為6～10 kV，再將6～10 kV電壓降為用電設備所需的電壓220/380 V。工程項目中，數據中心供電系統采用的最高電壓一般不超過35 kV[4]。大型數據中心的總負荷為1 000～10 000 kVA，電源進線電壓一般為6～10 kV，先由高壓配電室集中，再由高壓配電線路直接分配給變壓器。中型數據中心的總負荷為100～1 000 kVA，通常變配電站規模不大，采用6～10 kV電壓降為用電設備提供所需要的電壓。小型數據中心的總負荷低于100 kVA，采用220/380 V低壓配電可以滿足設備的供配電需求。

筆者建設的某省級政務云數據中心電力負荷為2 000 kVA、某央企全球云數據中心電力負荷為6 000 kVA，均采用兩路不同的10 kV市電電源引入。其中某央企全球云數據中心電力負荷雖然比要求的10 kV電纜線路的送電容量略高，但綜合考慮電纜設備成本及負荷容量，此項目仍然采用10 kV電源。

2.2 應急電源

數據中心一般采用柴油發電機組作為應急電源，應急電源配置需滿足不同等級數據中心對供電可用性的要求。

A級數據中心需提供兩路應急電源，其中應急電源采用冗余配置，每一路應急電源的供電容量滿足UPS設備、空調制冷設備的基本容量需求。柴油發電機組作為應急電源時，可以采用單母線接入，如圖1所示。此外，也可以采用雙母線接入，如圖2所示。

圖1 柴油發電機單母線接入

圖2 柴油發電機雙母線接入

B級數據中心在只有一路供電電源時應配置一路應急電源，應急電源的供電容量滿足UPS設備、空調制冷設備的基本容量需求。

C級數據中心由于UPS后備供電時間一般可以滿足設備信息存儲需要，因此通常情況下不單獨配置應急電源。

3 數據中心配電系統

數據中心的配電系統主要是結合UPS系統進行設計，《數據中心電信基礎設施標準》（ANSI-TIA-942—2005）按照供配電系統可用性的不同將數據中心分為4個等級，而《數據中心設計規范》（GB 50174—2017）將數據中心分為A、B、C這3個等級。隨著國內數據中心行業的發展，最新的國家數據中心建設標準更加符合國內數據中心的實際情況，加上國際標準的部分規定對于建筑結構或者配套電力等條件要求非常嚴苛，因此目前國內建設的數據中心主要參考國家標準。不同等級數據中心供配電系統要求如表2所示。

表2 不同等級數據中心供配電系統要求

A級數據中心用于機房負載非常重要的場合，UPS系統按照容錯系統配置，即擁有兩套及兩套以上的系統在工作，至少可以承受住一次突發設備的故障和人為操作失誤等問題。目前針對容錯UPS系統的配電架構也在不斷演進，除了標準2N架構外，還衍生了分布式容錯架構、后備式容錯架構等[5]。例如，筆者建設的某省級政務云數據中心采用2N架構，如圖3所示。

圖3 A級數據中心2N配電架構

某央企全球云數據中心采用分布式容錯架構（3N架構），如圖4所示。

圖4 A級數據中心3N配電架構

B級數據中心按照冗余系統配置，并機冗余是N+1臺同型號、同功率的UPS并聯，負載功率最大為N臺UPS的輸出功率。當任何一臺UPS故障并自動退出后，剩余的N臺UPS可以繼續給負載提供電源。B級數據中心典型配電系統架構如圖5所示。

圖5 B級數據中心典型配電架構

C級數據中心配置簡單，具備基本的數據保護功能，沒有采取容錯或冗余配置，目前主要用于國內一些小機房或站點機房。C級數據中心典型配電系統架構如圖6所示。

圖6 C級數據中心典型配電架構

4 結 論

隨著云計算、大數據時代的到來，大中型數據中心建設成為主流趨勢，并對數據中心供配電系統的可靠性提出了更高的要求。通過介紹數據中心供配電系統建設要求，結合筆者建設實例，重點針對數據中心的供電系統和配電系統進行分析闡述，對于數據中心供配電系統設計及建設具有重要參考意義。