數據中心機房供配電系統的可靠性研究

王 賢

（湖北郵電規劃設計有限公司，湖北 武漢 430023）

0 引 言

數據中心是現代計算機系統集群化運作的重要物質載體，在全球化、信息化發展過程中的作用十分重要。目前，隨著用戶市場需求的變化、技術的不斷發展創新、數據中心分級的精細化，對數據中心的保障能力也提出了更高的要求。因此，研究數據中心供配電系統的穩定性，對于提高機房后備電源保障時間、提高數據中心保障等級、增強數據的安全性有著十分重要的意義。

1 基本概念

數據中心是信息化的計算機機房，為信息化建設提供基礎配套支撐，為各種業務提供安全穩定的數據支撐。數據中心機房中安裝有大量高性能的設備，包括路由器、交換機、服務器等，要求供配電系統必須提供安全、穩定、實時的電源支撐保障。供配電系統涉及市電、油機、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）/高壓直流系統、電池組、列頭柜/小母線、電力電纜、防雷、防靜電等諸多環節，在前期規劃設計時就要綜合考慮彈性擴容、維護便利性、冗余和容錯能力、經濟性等諸多因素。數據中心在選擇供電系統配置時，應根據不同負荷等級要求去選擇合理、經濟的供電系統配置?，F行標準主要是《數據中心設計規范》（GB 50174—2017），可根據該標準分級數據中心的電子信息系統機房，具體為A（容錯配置）、B（冗余配置）、C（基本配置）。此外，數據中心的設計應該針對不同級別與不同情況確定不同的供配電系統要求，確保數據中心運轉的可靠性和安全性[1]。

2 數據中心供配電系統存在的問題

傳統數據中心機房的供配電系統涉及市電、油機、交流UPS、蓄電池組、列頭柜等多個環節。本節主要就交流UPS、蓄電池組、列頭柜等環節存在的問題做具體分析，并提出一些優化技術方案。

2.1 交流UPS 供電存在的問題

傳統機房往往采用交流UPS 供電，但交流UPS電源系統目前存在著很多問題，如單點故障點無法解決、可靠性和效率不高等，具體總結如下。

2.1.1 系統可靠性低

安全供電存在單點故障瓶頸，UPS 系統的蓄電池不能直接給負載供電，而要先轉換，即通過逆變模塊轉換成交流電后輸出。在此過程中，交流UPS 供電系統存在靜態開關、輸出切換開關、逆變模塊等多個可能發生故障的節點，這些節點若發生故障則可能導致系統掉電、宕機、癱瘓。其中，逆變模塊為關鍵部分，不能出故障。另外，一旦UPS 主機發生過載保護切換到備機，備機由于發生瞬間浪涌也會同時將過載保護自動切換到旁路，嚴重時可導致多臺UPS 設備同時宕機。UPS 在工作過程中要保證其輸入和輸出的穩定性與連續性，如果UPS出現異常情況或者出現故障，就需要及時對其進行維修和維護[2]。對于過去有人值守的機房尚可立即處理，但在無人值守機房，一旦UPS 主機發生宕機或故障，恢復時間長，危害性很大。

2.1.2 整體效率低

按照相關行業規范的規定，UPS 系統的負載率一般都限制在80%以下。如果是N+1 冗余模式或2N獨立雙系統模式，則單機負載率更低。另外，考慮到業務的遠期發展規劃，一般供電系統都按最終容量設計，使得單機實際負載率大多數時間只有20%～30%，整機效率較低。

2.1.3 維護及擴容難度大

交流UPS 擴容往往涉及多個因素，如UPS 系統的電壓、頻率、相位、相序等，而直流電源系統擴容只涉及電壓參數。因此，交流UPS 每次在線擴容都存在風險，嚴重時甚至導致整個系統掉電癱瘓。另外，交流UPS 存在并機同步要求高、電器元件老化導致的系統中斷、系統組成復雜的問題。

2.2 傳統鉛酸蓄電池性能差

UPS 作為數據中心供電質量的核心部分被重點關注，其中蓄電池又是整個供電系統的“最后一道屏障”，擔負著市電停電后至油機啟動前階段的供電保障，需要很高的放電性能和穩定性。UPS 系統蓄電池的后備時間通常為15 ～30 min，具體參照不同級別數據中心對于后備電池的放電時長要求。目前，多數數據中心采用普遍浮充備用型鉛酸蓄電池，電池容量與體積大、能量密度低、高功率放電性差、壽命短，這些問題都制約了綠色數據中心的發展[3]。

2.3 傳統列頭柜建設彈性不足

目前，數據中心機房建設往往采用“列頭柜+電纜”的末端配電方式，存在彈性不足、難以靈活調配電力資源的問題，常出現因客戶機架功耗變化，導致需要改造整個系統，帶來改造工期長、難度高、投資大等問題，且因電纜數量多，易在進線口堆積，導致美觀性較差。

3 提高供電可靠性的技術措施

3.1 高壓直流供電技術

傳統的交流UPS 由整流器、逆變器、蓄電池、靜態開關等組成，是AC-DC-AC 模式，有2 個變換環節。一是整流濾波（AC-DC）環節，二是逆變（DC-AC）環節。而高壓直流則減少了逆變的環節，結構簡單，可靠性更高。交流UPS電源系統如圖1所示，高壓直流電源系統如圖2 所示。

圖1 交流UPS 電源系統

圖2 高壓直流電源系統

高壓直流供電技術相對于傳統交流UPS 供電具有以下優點。一是供電可靠性大大提高，采用直流供電，不經過交流逆變，蓄電池可直接給負載供電，保障供電的不間斷。系統結構簡單，不存在同步問題，直流系統就算脫離控制模塊，只要能保持輸出電壓的穩定性，也能夠并聯輸出電能。二是工作效率提高，省掉了逆變環節（減少損耗2%～5%），電源效率提高。整流模塊并聯簡單，可大量并聯使用，模塊的使用率高達70%～80%，比交流UPS 系統高了近一倍。三是系統可維護性增強，交流UPS 系統同步并機技術復雜，整機維護依靠廠家，而高壓直流供電系統的維護簡單，維護人員對直流系統也較為熟悉，可以自己維護，如可自行更換模塊等，同時節省投資及空間。

但是，高壓直流系統也存在對配電開關的滅弧性能要求較高、電纜線徑增加（240 V）、相關的連接器及接地安全要求更高、用戶的認可度暫時不高等缺點。這些問題在工程應用中也需要加以關注。

3.2 數據中心智能小母線

傳統的列頭柜配電形式不能適應功率彈性需求，電力利用率不高。相比之下，數據中心智能小母線采用鋁合金外殼及銅排結構，使用年限在30 年左右；擴展性較好，插接箱可滑動，隨時在線擴容；走線簡潔直觀，占用空間小。

智能小母線的主要組成部分一般包括始端箱（也叫端口箱）、母線槽主干、插接箱（也叫分接箱）、槽體連接件、銅排連接件以及末端蓋[4]。考慮到供電安全性、可靠性、靈活擴展性、改造施工周期及投資經濟程度等因素，可參考以下供電方案：一是一對多母線（出線選擇最大電流開關，連接大電流密集母線，樹干式供電，一根密集母線對應多個末端）+始端箱+小母線的方案；二是預留走線架（出線選擇小電流開關，連接小電流電纜，放射式供電，一個開關對應一個末端）+始端箱+小母線的方案。

3.3 高功率電池

蓄電池是整個供電系統中最重要的組成之一，是供電系統的最后屏障，擔負著市電停電后及油機啟動前階段的供電保障，對系統的穩定性起著至關重要的作用。

據不完全統計，規劃設計的大型數據中心電池室占地面積往往占到總建筑面積的3%～10%。蓄電池技術的不斷創新，如高功率鉛酸蓄電池和鐵鋰電池等新型電池的應用，為蓄電池室的布局優化提供了解決思路。

其中，高功率鉛酸蓄電池在新的數據中心機房建設中被廣泛采用，它和普通鉛酸蓄電池的部件組成與工作原理沒有本質差異，但改進了結構設計、優化了工藝部分，性能大大提升。其15 min 充放電功率密度比普通電池提升了至少30%，效能的提升使得高功率鉛酸蓄電池可以用較少的數量就滿足后備放電需求，有效節省安裝空間約30%。由于電池數量或容量的減少，可以有效降低電池的充入電量，配備的空調數量也會相應減少。同時，高功率鉛酸蓄電池還具有高功率放電性能好、安全可靠性高、使用壽命長、產品一致性好等優點，適用于30 min 及以內高功率后備放電、環境溫度為（25±5）℃的應用場景，如數據中心、通信機房等系統。

3.4 分布式電源技術

對于中小型數據中心而言，占地面積一般較小，特別是一些中小企業，數據中心都部署在辦公樓內。在數據中心建設供電系統時，除了要考慮安全可靠、高效節能外，更需要綜合考慮UPS 合理布局、高效利用機房面積、按需部署等，以降低企業的建設成本和運營成本。

分布式供電系統部署在IT 機柜中，其體積和重量都小于集中式UPS 供電系統，并且采用鋰電池作為儲能設備的分布式電源系統可以與IT 設備部署在同一區域，大大降低UPS 對樓面承重的要求。無須單獨規劃UPS 室和電池室，有效提升空間利用率；前期無須復雜規劃，電源隨IT 機柜統一部署，并且實現了電源與IT 設備的聯動。一旦出現市電中斷等異常情況，系統將在電池的電能耗盡之前自動關閉，防止異常關機導致系統數據丟失。

3.5 供電設備預制化和標準化

隨著供電設備與技術的飛速發展，預制化和標準化也成為一大趨勢，預制化供配電模組就是一種全新建設方式。設備在工廠進行預制和模塊裝運，然后在現場進行快速組裝，這樣就能夠根據實際的需求，選取相應的模塊，拼裝成整體模組方案，主要有以下優勢：

一是能夠集成配電系統的各功能單元，所有組件由工廠預制、統一編碼且拆卸與搬運靈活，在機柜、空調、電源、電池、配電等設備陸續到場前進行組裝，簡化供配電系統架構，提升用電效率以及系統可靠性[5]。二是傳統的建設模式中，設備標準型號不統一，須現場進行電纜連接；而模組化標準設計采用工廠預制的銅排并柜連接，銅排的制作工藝、壽命及阻抗優于電纜連接，還可縮短整體工期、簡化工程、實現快速部署。三是預制化模組可以內置智能監控管理系統，對系統進行統一的集中式管理，實時掌握系統的運行狀況，可靠性較高。四是傳統方式往往采用不同型號、風格的設備拼裝，美觀性較差，而預制化模組采用統一外觀設計，美觀性好。五是建設效率高，節約占地面積，經濟性好。

4 結 論

數據中心供配電系統是保證數據中心正常運行的關鍵環節，隨著信息化業務的飛速發展，用戶對于數據中心機房的供配電有了更高的要求，需要更穩定、有效的供電系統。因此，應從UPS/高壓直流系統、電池組、列頭柜/小母線、整體預制化和標準化等方面對現有的供電模式進行深入優化，切實提高供電系統的可靠性。