數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)淺析

引言

隨著我國"大數(shù)據(jù)""新基建"等發(fā)展新思路的推進(jìn),數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也成為信息時(shí)代發(fā)展過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。

可靠性是數(shù)據(jù)中心運(yùn)行過程中最重要的指標(biāo),而組成數(shù)據(jù)中心的各個(gè)系統(tǒng)的可靠性則直接影響著數(shù)據(jù)中心的整體可靠性,例如電氣系統(tǒng)、通風(fēng)與制冷系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。其中,電氣系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的重要組成部分,在數(shù)據(jù)中心的電源供給、運(yùn)維監(jiān)測(cè)、消防安全等方面都起到了十分關(guān)鍵的作用。

本文依據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50174—2017)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》),并結(jié)合某A級(jí)數(shù)據(jù)中心工程,從電氣系統(tǒng)的角度出發(fā),以高可靠性為設(shè)計(jì)原則,分析和總結(jié)了數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中保障供電可靠性的要點(diǎn)與方法。

1供電可靠性

根據(jù)《規(guī)范》,數(shù)據(jù)中心共劃分為三個(gè)等級(jí),每個(gè)等級(jí)的數(shù)據(jù)中心對(duì)供電電源都有較高要求,如表1所示。

由于數(shù)據(jù)中心對(duì)供電電源的要求較高,所以在數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的電氣設(shè)計(jì)中,可靠性和穩(wěn)定性是從始至終貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)階段的基本原則,這就要求所設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)有足夠的、符合《規(guī)范》要求的容錯(cuò)或冗余能力。

數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目設(shè)置的供電電源種類需根據(jù)《規(guī)范》并結(jié)合數(shù)據(jù)中心自身的級(jí)別來確定,等級(jí)越高的數(shù)據(jù)中心,其供電電源的種類就越多,系統(tǒng)容錯(cuò)或冗余性就越高?？偟膩碚f,數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的供電電源一般包括市電電源、應(yīng)急備用電源和不間斷電源。根據(jù)《規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定,電氣系統(tǒng)中的供電電源都需要根據(jù)數(shù)據(jù)中心的級(jí)別進(jìn)行相應(yīng)的架構(gòu)設(shè)計(jì),從而保證整個(gè)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的可靠性。

從《規(guī)范》的附錄A可知,不同級(jí)別的數(shù)據(jù)中心在供電電源的種類、容錯(cuò)或冗余架構(gòu)、配電方式等方面均有區(qū)別?；诖?本文分別從市電電源、應(yīng)急備用電源、不間斷電源等方面,闡述數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中的供電可靠性設(shè)計(jì)。

2市電電源的可靠性設(shè)計(jì)

市電電源是數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的基礎(chǔ),數(shù)據(jù)中心級(jí)別越高則對(duì)市電電源的級(jí)別和配置要求越高。

2.1總體要求

依據(jù)《規(guī)范》,對(duì)三個(gè)級(jí)別的數(shù)據(jù)中心的市電電源要求分別如下:對(duì)于A級(jí)數(shù)據(jù)中心,必須由雙重電源供電:B級(jí)數(shù)據(jù)中心,宜由雙重電源供電:C級(jí)數(shù)據(jù)中心,由雙回線路供電即可。

其中,雙重電源和雙回線路的電源配置對(duì)應(yīng)不同級(jí)別的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng),在可靠性和穩(wěn)定性上有著較大的區(qū)別。雙重電源[2],可以是來自不同電網(wǎng)的電源,或者來自同一個(gè)電網(wǎng)但在運(yùn)行時(shí)電路相互之間聯(lián)系很弱,或者來自同一個(gè)電網(wǎng)但其間的電氣距離較遠(yuǎn),一個(gè)電源系統(tǒng)任意一處出現(xiàn)異常運(yùn)行或發(fā)生短路故障時(shí),另一個(gè)電源仍能不中斷供電。雙回線路,要求線路的數(shù)量為兩回,但可以來自同一個(gè)電網(wǎng)或者來自同一個(gè)低壓電源。同時(shí),不論是A級(jí)或B級(jí)數(shù)據(jù)中心采用的雙重電源,還是C級(jí)數(shù)據(jù)中心采用的雙回線路,當(dāng)其中一個(gè)回路中斷供電時(shí),其余線路均應(yīng)能滿足整個(gè)系統(tǒng)的供電要求。

這里需要注意一點(diǎn),《規(guī)范》中提出B級(jí)數(shù)據(jù)中心宜由雙重電源供電,但在市電無法提供雙重電源時(shí),可以一路市電電源搭配柴油發(fā)電機(jī)組(后備電源)的形式作為B級(jí)數(shù)據(jù)中心的供電電源。

2.2系統(tǒng)架構(gòu)

依據(jù)《規(guī)范》,對(duì)三個(gè)級(jí)別的數(shù)據(jù)中心供電電源的容錯(cuò)或冗余架構(gòu)應(yīng)分別按表2設(shè)置。

這里的N是指系統(tǒng)的基本需求,例如整個(gè)數(shù)據(jù)中心的計(jì)算負(fù)荷為2400kw,需3臺(tái)1000kVA的變壓器,那么N=3。

這里還需要注意,"容錯(cuò)"和"冗余"是不同的概念。"容錯(cuò)"是指具有兩套或兩套以上的系統(tǒng),在同一時(shí)刻,至少有一套系統(tǒng)在正常工作,在經(jīng)受一次突發(fā)事故后,仍能滿足數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行的基本需求。"冗余"是指重復(fù)配置系統(tǒng)的一些或全部部件,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),重復(fù)配置的部件介入并承擔(dān)故障部件的工作,由此延長(zhǎng)系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間。例如,上文提到的例子,數(shù)據(jù)中心的計(jì)算負(fù)荷為2400kw,需3臺(tái)1000kVA的變壓器,如果設(shè)置6臺(tái)1000kVA的變壓器,那么就是滿足容錯(cuò)要求的2N系統(tǒng)(2×3),對(duì)應(yīng)于A級(jí)數(shù)據(jù)中心:如果設(shè)置4臺(tái)1000kVA的變壓器,那么就是滿足冗余要求的N+1系統(tǒng)(3+1),對(duì)應(yīng)于B級(jí)數(shù)據(jù)中心。所以,設(shè)計(jì)階段必須根據(jù)數(shù)據(jù)中心的等級(jí),依據(jù)《規(guī)范》來確定市電電源的架構(gòu),這樣才能保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

3應(yīng)急備用電源的可靠性設(shè)計(jì)

應(yīng)急備用電源是數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行不可缺少的電源設(shè)備。在現(xiàn)行的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中,柴油發(fā)電機(jī)組體現(xiàn)出了其他備用電源難以比擬的可操作性,所以目前大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的備用電源均采用柴油發(fā)電機(jī)組。

3.1柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的架構(gòu)

為了提高可靠性,數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)置的柴油發(fā)電機(jī)組配置需要有一定的冗余。根據(jù)《規(guī)范》要求,A級(jí)數(shù)據(jù)中心應(yīng)設(shè)置(N+X)的冗余(X=1~N),B級(jí)數(shù)據(jù)中心機(jī)房宜設(shè)置(N+1)的冗余。

這里需要注意,《規(guī)范》規(guī)定當(dāng)B級(jí)數(shù)據(jù)中心由雙重電源供電時(shí),可不再設(shè)置應(yīng)急備用電源,但當(dāng)其只有一路市電電源時(shí),則必須設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。雖然《規(guī)范》中明確給出了B級(jí)數(shù)據(jù)中心設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源的條件,但并未給出此條件下柴油發(fā)電機(jī)組的燃料儲(chǔ)存量。因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)組是作為應(yīng)急備用電源來為數(shù)據(jù)中心提供短暫的電源供給,所以結(jié)合目前電網(wǎng)的穩(wěn)定性和快速維護(hù)特性,并借鑒《規(guī)范》中對(duì)A級(jí)數(shù)據(jù)中心發(fā)電機(jī)組儲(chǔ)油量和TIA-942-B中對(duì)T2級(jí)(冗余型)數(shù)據(jù)中心發(fā)電機(jī)組儲(chǔ)油量的規(guī)定,這里建議B級(jí)數(shù)據(jù)中心設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源時(shí)的燃料儲(chǔ)存量應(yīng)為滿足12h運(yùn)行。

3.2柴油發(fā)電機(jī)組的選擇

發(fā)電機(jī)組參數(shù)的合理選擇,需要從機(jī)組電壓、機(jī)組性能等級(jí)、機(jī)組功率定額種類等方面考慮,這對(duì)于數(shù)據(jù)中心的電氣可靠性來說非常重要。

(1)機(jī)組的電壓選擇。根據(jù)《規(guī)范》,數(shù)據(jù)中心中設(shè)置的柴油發(fā)電機(jī)組可選用0.4kV的低壓機(jī)組,也可選擇10kV的中壓機(jī)組。一般來說,如果負(fù)荷容量較小且與發(fā)電機(jī)組距離較近,從配電系統(tǒng)的成本和實(shí)施難度上來權(quán)衡,可以采用低壓機(jī)組:如果負(fù)荷容量較大,需要采用多臺(tái)機(jī)組并機(jī)時(shí),應(yīng)采用10kV機(jī)組。在實(shí)際建設(shè)中,當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)的容量小于2500kw,且柴油發(fā)電機(jī)房與主機(jī)房距離小于500m時(shí),可優(yōu)先選用0.4kV的低壓機(jī)組,否則應(yīng)采用10kV的中壓機(jī)組。

(2)機(jī)組的性能等級(jí)選擇。根據(jù)《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組第l部分:用途、定額和性能》(GB/T2820.1—2009),柴油發(fā)電機(jī)組定義了4個(gè)性能等級(jí),如表3所示。

對(duì)于數(shù)據(jù)中心,應(yīng)該選用G3或G4級(jí)別的柴油發(fā)電機(jī)組。

(3)機(jī)組的功率定額種類選擇。選定性能等級(jí)后,需要選擇發(fā)電機(jī)組的功率定額種類。根據(jù)規(guī)范,柴油發(fā)電機(jī)組的功率定額種類如表4所示。

對(duì)于上述4種功率,其大小關(guān)系為:EsP>L7P>PRP>C0P:它們的比值約為:EsP:L7P:PRP:C0P=l:0.92:0.85:0.78。

以上4種功率的選擇,會(huì)直接影響數(shù)據(jù)中心的可靠性和成本投入。如果選擇C0P作為發(fā)電機(jī)組的功率,雖然可靠性高,但成本會(huì)大大增加:如果選擇EsP作為發(fā)電機(jī)組的功率,雖然成本降低了,但可靠性也受到影響。因此,結(jié)合可靠性和經(jīng)濟(jì)性,一般選用PRP(基本功率)作為數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)組的功率指標(biāo),這樣有利于提高機(jī)組的帶載能力和過負(fù)荷能力。

4不間斷電源的可靠性設(shè)計(jì)

為了保障數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性,UPS電源被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的電源系統(tǒng)。UPS電源的作用主要包括中斷保護(hù)(可靠性)和防止電涌或持續(xù)電壓尖峰對(duì)電子信息設(shè)備的影響(抗干擾性)。

4.1不間斷電源系統(tǒng)的架構(gòu)

根據(jù)規(guī)范要求,A級(jí)與B級(jí)數(shù)據(jù)中心的不間斷電源配置需要采取容錯(cuò)或冗余措施,如表5所示。

同時(shí),為了避免UPS超負(fù)荷工作,保證供電可靠性,也為了便于后期可以少量增加設(shè)備,UPS的容量會(huì)留有一定的余量:IT設(shè)備用UPS的基本容量不小于1.2倍的1T設(shè)備計(jì)算負(fù)荷,制冷設(shè)備用UPs的基本容量不小于1.3倍的制冷設(shè)備計(jì)算負(fù)荷。

4.2不間斷電源系統(tǒng)的配電方式

在數(shù)據(jù)中心中,需要配置UPs系統(tǒng)的負(fù)荷主要包括1T設(shè)備和制冷設(shè)備(包括控制系統(tǒng)、末端冷凍水泵、空調(diào)末端風(fēng)機(jī)等),這些設(shè)備不應(yīng)與電子信息設(shè)備共用一組不間斷電源系統(tǒng),以減少對(duì)電子信息設(shè)備的干擾。

5具體項(xiàng)目分析

為了更加具體和直觀地表達(dá),本文以某項(xiàng)目為例,對(duì)數(shù)據(jù)中心的供電可靠性進(jìn)行分析。

項(xiàng)目背景:國外某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目,作為國內(nèi)某企業(yè)在海外當(dāng)?shù)氐闹匾獢?shù)據(jù)節(jié)點(diǎn),一期規(guī)模72個(gè)機(jī)柜,按照國內(nèi)A級(jí)機(jī)房要求設(shè)計(jì)與建設(shè)。

5.1市電電源的設(shè)計(jì)

為保證供電電源的可靠性,設(shè)計(jì)時(shí)必須基于《規(guī)范》的要求為數(shù)據(jù)中心選擇和配置市電電源。因?yàn)楸卷?xiàng)目為A級(jí)數(shù)據(jù)中心,所以配置了雙重電源。由于本項(xiàng)目在國外不發(fā)達(dá)地區(qū),當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電力供給不能提供滿足"來自不同電網(wǎng)的電源"要求的雙重電源,所以結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓╇娗闆r適當(dāng)降低了要求,但仍以滿足《規(guī)范》要求為前提,選擇了當(dāng)?shù)啬軌蛱峁┑碾p重電源:兩路電源由相同的電網(wǎng)引來,但它們?cè)陔姎膺\(yùn)行過程中的聯(lián)系非常弱。

本項(xiàng)目為A級(jí)數(shù)據(jù)中心,為滿足《規(guī)范》和高可靠性的要求,市電電源和變壓器的設(shè)計(jì)均需按照2Ⅳ架構(gòu)來配置:首先,市電結(jié)合當(dāng)?shù)氐那闆r引入了滿足《規(guī)范》要求的雙重電源,兩路電源同時(shí)工作、互為備用,并在10kV側(cè)采用單母線分段的主接線形式:其次,數(shù)據(jù)中心內(nèi)同規(guī)格、同容量的變壓器每?jī)膳_(tái)為一組,其上級(jí)10kV電源來自不同的10kV母線段,兩臺(tái)變壓器間設(shè)置低壓母聯(lián)開關(guān),正常運(yùn)行時(shí)每臺(tái)變壓器負(fù)荷率控制在50%以下,當(dāng)其中一臺(tái)變壓器故障或檢修時(shí),由另一臺(tái)變壓器帶起全部負(fù)荷。

5.2應(yīng)急備用電源的設(shè)計(jì)

由于本項(xiàng)目總用電負(fù)荷容量適中,且柴油發(fā)電機(jī)房離主機(jī)房位置不遠(yuǎn),故本項(xiàng)目采用0.4kV發(fā)電機(jī)組。

本項(xiàng)目為A級(jí)數(shù)據(jù)中心,按照《規(guī)范》要求,兼顧可靠性和經(jīng)濟(jì)性,柴油發(fā)電機(jī)組采用了Ⅳ＋1的冗余配置:共設(shè)置3臺(tái)發(fā)電機(jī)組,其中2臺(tái)為基本量,1臺(tái)為冗余量,即2＋1的冗余配置。同時(shí),本項(xiàng)目選擇了G4性能等級(jí)的發(fā)電機(jī)組,并采用PRP作為其功率指標(biāo)。

5.3不間斷電源的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目為A級(jí)數(shù)據(jù)中心,經(jīng)過計(jì)算,1T設(shè)備用UPs系統(tǒng)的基本容量為600kVA,UPs設(shè)備按2Ⅳ要求配置,按照每套UPs為600kVA計(jì)算,則此時(shí)設(shè)置2套600kVA的UPs共計(jì)1200kVA:其次,經(jīng)過計(jì)算,輔助設(shè)備用UPs系統(tǒng)的基本容量為300kVA,輔助設(shè)備采用"一路市電＋一路U電"的配電方式,故其UPs采用基本容量300kVA即可。同時(shí),不間斷電源系統(tǒng)的電池容量按《數(shù)據(jù)中心供配電設(shè)計(jì)規(guī)程》(T/CECS486一2017)要求設(shè)置為15min。

6結(jié)語

數(shù)據(jù)中心是一個(gè)對(duì)供電可靠性和穩(wěn)定性要求非常高的工程,數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中供電電源種類較多,包括市電電源、應(yīng)急備用電源和不間斷電源等。在設(shè)計(jì)時(shí),基于高可靠性和穩(wěn)定性原則,需要依據(jù)《規(guī)范》對(duì)數(shù)據(jù)中心的供電電源種類進(jìn)行科學(xué)配置,同時(shí)也需要對(duì)不同的供電電源系統(tǒng)作出合理設(shè)計(jì)與規(guī)劃,這樣才能從根本上保證并提高數(shù)據(jù)中心的供電可靠性。