數據中心供配電系統可靠性的研究

楊詩偉

（江蘇省新通智能交通科技發展有限公司，江蘇 南京 210006）

近年來，數據中心在我國得到廣泛應用，而供配電系統運行可靠性直接影響整體數據中心的應用水平，因此需要準確評價數據中心供配電系統的可靠性，并利用合理的方式增強其安全性。

1 數據中心供配電系統可靠性的評價措施

目前，雖然在已知供配電系統軟件故障概率的情況下，能夠簡易性使用網絡法實施可靠性的評價工作，但是數據中心供配電系統可靠性評估的網絡規模很小、元器件的數量很少、故障數據的內容不足，不能精準明確原件的故障率和發生位置，因此就要使用原件故障率多元證據，將各類證據相互合成獲取十分準確的故障率估測區間，而由于數據中心供配電系統元件屬于市場中非常成熟的產品，每種元件的故障數據信息來源差異性很低，屬于具有一致性特點的沖突不足證據，所獲得的結果也無法準確評估供配電系統的可靠性，因此建議在系統可靠性評估期間針對證據理論進行改進處理，明確分析問題所在，以證據距離作為基礎對證據合成公式進行改進，確保沖突不足證據合成結構負荷可靠性評估的要求。也可以將馬爾科夫理論中的UPS電源并機冗余系統輸出端停電數字模型作為基礎，分析UPS電源單機設備在實際運作過程中的不同平穩狀態概率情況，了解冗余系統輸出端故障失效問題的規律，創建與停電失效相互契合的數學模型，便于準確進行系統可靠性的評估處理。

2 數據中心供配電系統可靠性的提升措施

2.1 合理控制用電負荷

要想確保相關的供配電系統運行可靠性，就應重點統計劃分用電負荷與性質，主要因為用電負荷的統計直接影響變壓器設備、發電機設備機組的裝機容量，用電負荷性質的科學劃分直接影響供配電系統的構成。其一，在統計工作中應研究動力負荷的情況，統計分析空調制冷設備、冷卻水與冷凍水循環泵設備、空調機組設備、新風機組設備、給排水泵體設備、電梯設備、風機設備等各種類型用電設備的額定容量數據信息。同時還需統計分析照明的用電負荷，整合收集每個房間或功能區域對照明照度的要求數據、電源插座的數據、盤管的數據、特殊空間功能用電設備單位容量數據等，另外還需統計研究大型計算機設備或是網絡設備的單臺用電負荷數值，最后結合具體的用電需求科學計算用電負荷指標。其二，重點針對用電負荷的性質進行劃分處理。結合我國供配電系統設計規范的標準要求，將大型計算機設備、網絡設備劃分成為一級用電負荷的部分；二級用電負荷的部分則是一般照明設備，客體設備與生活水泵設備，消防方面的消火栓泵設備、噴灑泵設備、消防電梯與控制中心中的報警控制器設備、應急照明系統、監控系統等；三級用電負荷的部分則是送風機設備。合理進行用電負荷與性質劃分處理之后，應結合要求控制各類電器的用電量，避免因為用電負荷的不合理控制和調整出現問題，為各類設備提供可靠性的供配電支持。

2.2 科學設置供電電源

（1）選擇10 kV高壓電源將高壓供電電源的部分設置成為兩路的部分，分別由110 kV或者是220 kV的不同上級變電站供電，兩路電源同步運行，相互備用，一旦某路電源出現了故障問題，就可以切換成為另外一路電源，避免出現供配電可靠性的問題；

（2）在220 V與380 V的低壓電源設置的過程中，可以將其分成正常供配電、應急供配電的兩種形式，其中正常供配電的部分需要引進兩臺變壓器設備，在低壓側母線相互之間設置相應的母聯斷路器部件，使用單母線分段分列的形式運作，而對于應急母線的階段則與應急聯絡轉換開關相互連接，使其能夠與主母線之間正常聯絡，如果兩段變壓器母線出現失電的現象，也就是兩路市電都有故障問題，就可以啟動應急性的聯絡轉換開關，直接將其切換到應急電源部分，借助柴油機進行發電，增強供配電的可靠性。設置的應急供電電源，則需要設置柴油發電機設備和機組。按照我國相關規定要求、規范要求等，為保證一級負荷、重要負荷的供配電處于連續性的狀態，除了其中的兩路市電，需要設置和正常電源之間相互獨立的應急電源，也就是第三路電源。并且我國在相關規范標準中提出，一級負荷、重要負荷供配需要保證在利用雙重電源供電的基礎上，設置應急類型的電源部分，杜絕將其和其他類型的負荷相互接入，在對機械設備供配電電源進行切換的階段，應急電源需要保證滿足設備供配電的需求。在此情況下需結合應急電源的特點與情況，設計與正常電源之間相互獨立的發電機組設備、專業性的饋電線路系統、蓄電池設備、干電池設備、柴油發電機設備等，利用雙電源在緩緩開關裝置實現不同電源的切換處理，確保能夠為數據中心大型計算機設備、網絡設備等提供可靠的供配電服務。

（3）合理設置連續性運行不會出現間斷問題的電源裝置UPS，結合國家規范標將供電中斷的時間控制在毫秒級別，使用蓄電池靜止類型不會出現間斷現象的供電設備。在設置不間斷連續性應用的電源設備過程中，需要應用在中斷供電時間在15秒鐘以上的供配電領域，能夠快速性自動啟動相應的發電機組設備，并且自動運行的反應動作時間能夠滿足可靠性供配電的

基本需求，同時還需要設計具有自動化投入裝置，可以與正常電源相互獨立的專用饋電線路系統，將中斷供電的時間控制為毫秒級，確保能夠為數據中心的大型計算機設備和網絡設備持續性供電，增強供配電的連續性。另外，可設計“1+1”類型的井機冗余形式連續性的供配電電源系統，此類系統在應用期間能夠為數據中心的設備提供可靠度較高的供配電服務，并且兩臺單機設備和系統的可利用性會有所提升，允許用戶在操作期間無須確保外部維修旁路開關、關鍵負載連續性供電的情況下，就可以進行兩臺單機設備與井機輸出開關柜設備的維護處理[1]。

2.3 提升供電的持續性

2.3.1 高壓供配電系統

（1）此類系統在設計的過程中應明確主要要求，將兩路10 kV電源與不同的上級變電站之間相互連接，通過單母線分段的形式處理，設置母聯斷路器設備，在日常運行的過程中兩段母線分別運作，一旦出現故障問題就可以手動切換，避免影響供電的連續性和持續性，只有在主進斷路器之內某臺設備斷開之后，才能進行母聯斷路器的關閉處理。

（2）應使用真空斷路器設備，設置25 kA或者是31.5 kA的斷路器設備，在10 kV的開關柜內部區域設置氧化鋅避雷器設備，起到過電壓的良好保護作用。同時還要使用電動彈簧蓄能操作系統設置真空斷路器的設備，引進鉛鋅免維護電池柜，在其中進行直流處理、繼電保護處理、信號電源的控制處理。

（3）選擇設置過電流保護功能、速斷功能、零序電流保護功能、變壓器高溫報警等功能的變壓器柜設備，同時利用微機綜合性的保護方式實現繼電保護的目的[2]。在設置繼電保護過程中，應重點關注低壓側主進斷路器設備與母聯斷路器設備的電氣和機械連鎖處理，對母聯斷路器設備應該采用手動與自動兩種投入措施，自動投入措施還需設置自投自負、自投手負、自投停用狀態。低壓母聯斷路器設備自投還需設定零到一秒鐘的延時時間，在低壓側主進斷路器由于過載原因或是短路原因出現故障分閘現象，就不能允許母聯斷路器的自動化關合。對于不重要的復合回路斷路器設備，應按照實際情況設置失壓脫扣器，在某臺變壓器或某路市電出現故障的情況下，母連斷路器就可以自動化投入，不重要的負荷回路也會失去壓力自動斷開，這樣能夠保證一級負荷供電與二級負荷供電的持續性，另外一臺變壓器設備的負載也不會超出允許范圍。

2.3.2 低壓供配電系統的設置

首先，在兩臺變壓器設備的低壓側母線之間設置母聯斷路器設備，將其和主進斷路器設備相互整合，創建電氣聯鎖與機械設備的聯鎖，采用自動化與手動性投入的方式，自動化投入措施需要設置自動化投入自動化處理、自動化投入與手動處理、自動化投入與停用三種狀態，將自動化投入的時間控制在1秒鐘之內，如果低壓側的主進斷路器設備由于過載因素或是短路故障因素出現分閘的現象，不能自動化將母聯斷路器關合。那么對于不重要的負荷回路斷路器而言，需要設置失壓脫扣器裝置，在某路市電或者是某臺變壓器設備發生故障情況下，母聯電路器就能夠自動化投入運行，不重要的負荷回路也會出現失壓的現象，自動斷開，確保一級負荷、二級負荷供電的持續性，不會對供配電的穩定性造成影響；其次，對于主進斷路器設備、母聯斷路器設備、饋出回路斷路器設備，都需要設置過載長延時保護、短延時保護、速斷保護，這樣可以通過合理的保護措施預防發生延時問題、供電間斷問題；最后，所設置的無功補償形式，需要將低壓集中自動化補償方式與分散補償方式有機整合，在每個變配電站的低壓側都必須設置集中功率因數自動化補償設備，確保補償以后的功率因數能夠控制在0.96以上。如果存在氣體放電光源燈具設備，那么就要在其中設置運行效率較高的電子鎮流器部件，起到分散補償的作用，保證在補償以后各個燈具的功率因數能夠維持在0.96以上。

2.4 強化供配電的監控力度

為確保數據中心的供配電系統運行可靠性符合標準，應強化監控力度，事前預測可能會發生的問題、提前規避故障現象或是影響系統可靠性的因素，保證整體系統良好運作。①創建智能化的供配電監控系統平臺，實時化收集整合高壓配電與低壓配電的電氣、控制、故障報警、通信等數據，保證可以全面采集與顯示此類數據，便于準確了解供配電系統是否存在可靠性的隱患。在此期間應積極創建完善的智能化供配電系統綜合監控與統一管理架構，采用現代化的遙測、遙控、遙信、遙感、無人值班、少人值班等技術，將其與樓宇自動化控制系統相互整合，遠程進行各類供配電系統和設備的監控。②使用現代化的計算機綜合監控平臺創建開放性較高、靈活性較強的通信結構與監控機制，遠程設置相應的終端部分，綜合性完成變電站方面的監視、報警、測量等任務，設計上位監控站、現場測量系統與PLC系統，采用人機交互界面綜合監控、分析供配電可靠性情況和問題，一旦發現隱患必須及時應對處理，保證系統運作的可靠性程度符合標準。③積極運用高壓計量的措施，在每路電源進線外部設置供電部門所提供的專門計量裝置設備，并且需要在每個變電站低壓電源進線的位置與景觀照明饋線回路的位置合理設置計量方面的基礎設施，便于嚴格進行電氣計量監控。④積極創建電力監控系統平臺，按照數據中心供配電系統的特點，創建智能化的監控系統，對實時性收集和顯示的高壓配電設備與低壓配電設備電氣參數數據值進行動態化控制，一旦發現故障問題可快速警報，同時還能強化通信方面的管理力度，全面采集其中的信號，增強動態化監控管理水平。在此期間應積極運用分層分布類型的網絡結構體系，綜合進行高壓與低壓配電系統的智能化監控，集中統一開展管理工作，完善其中的四遙功能和無人值班功能，加強與樓宇自動化控制系統之間的整合力度，充分整合遠程控制和就地監控等模式，滿足節能要求并提升監控工作的有效性。考慮到在電力監控的過程中使用現代化的網絡綜合監控系統，通信結構非常靈活、監控系統具有開放的特點，能夠利用終端進行遠程控制有效完成監視工作、測量工作和報檢工作，為保證整體監控工作的水平，應將系統劃分成為兩個層次：其一是現場綜合測量設備與PLC層次，將其設置在高壓與低壓開關柜內部，全面采集保護開關柜等信號數據和電量數據；其二是上位監控站，可以收集第一層次的數據信息，集中化開展管理工作，增強所有系統的監控和管理效果。

3 結束語

綜上所述，數據中心供配電系統可靠性具有重要的意義，因此在實際工作中應結合數據中心的供配電需求與系統情況，做好可靠性的評估工作，同時按照系統可靠性運行的需求，做好低壓與高壓供電的線路配置工作，提升供電的持續性，嚴格控制用電負荷，確保利用綜合性的手段和技術方式進行供配電系統可靠性的監控分析，提前預測和預防問題，維護系統的可靠性程度。