引言

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

可靠性是數(shù)據(jù)中心運行過程中最重要的指標,而組成數(shù)據(jù)中心的各個系統(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、運維監(jiān)測、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)計規(guī)范》(GB50174—2017)(以下簡稱《規(guī)范》),并結(jié)合某A級數(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)計原則,分析和總結(jié)了數(shù)據(jù)中心項目設(shè)計過程中保障供電可靠性的要點與方法。

1供電可靠性

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

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

數(shù)據(jù)中心項目設(shè)置的供電電源種類需根據(jù)《規(guī)范》并結(jié)合數(shù)據(jù)中心自身的級別來確定,等級越高的數(shù)據(jù)中心,其供電電源的種類就越多,系統(tǒng)容錯或冗余性就越高。總的來說,數(shù)據(jù)中心項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)中心的級別進行相應(yīng)的架構(gòu)設(shè)計,從而保證整個數(shù)據(jù)中心項目的可靠性。

從《規(guī)范》的附錄A可知,不同級別的數(shù)據(jù)中心在供電電源的種類、容錯或冗余架構(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)中心項目中的供電可靠性設(shè)計。

2市電電源的可靠性設(shè)計

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

2.1總體要求

依據(jù)《規(guī)范》,對三個級別的數(shù)據(jù)中心的市電電源要求分別如下:對于A級數(shù)據(jù)中心,必須由雙重電源供電:B級數(shù)據(jù)中心,宜由雙重電源供電:C級數(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應(yīng)不同級別的數(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,或者來自同一個電網(wǎng)但在運行時電路相互之間聯(lián)系很弱,或者來自同一個電網(wǎng)但其間的電氣距離較遠,一個電源系統(tǒng)任意一處出現(xiàn)異常運行或發(fā)生短路故障時,另一個電源仍能不中斷供電。雙回線路,要求線路的數(shù)量為兩回,但可以來自同一個電網(wǎng)或者來自同一個低壓電源。同時,不論是A級或B級數(shù)據(jù)中心采用的雙重電源,還是C級數(shù)據(jù)中心采用的雙回線路,當其中一個回路中斷供電時,其余線路均應(yīng)能滿足整個系統(tǒng)的供電要求。

這里需要注意一點,《規(guī)范》中提出B級數(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,可以一路市電電源搭配柴油發(fā)電機組(后備電源)的形式作為B級數(shù)據(jù)中心的供電電源。

2.2系統(tǒng)架構(gòu)

依據(jù)《規(guī)范》,對三個級別的數(shù)據(jù)中心供電電源的容錯或冗余架構(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,例如整個數(shù)據(jù)中心的計算負荷為2400kw,需3臺1000kVA的變壓器,那么N=3。

這里還需要注意,"容錯"和"冗余"是不同的概念。"容錯"是指具有兩套或兩套以上的系統(tǒng),在同一時刻,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,當系統(tǒng)發(fā)生故障時,重復(fù)配置的部件介入并承擔故障部件的工作,由此延長系統(tǒng)的平均故障間隔時間。例如,上文提到的例子,數(shù)據(jù)中心的計算負荷為2400kw,需3臺1000kVA的變壓器,如果設(shè)置6臺1000kVA的變壓器,那么就是滿足容錯要求的2N系統(tǒng)(2×3),對應(yīng)于A級數(shù)據(jù)中心:如果設(shè)置4臺1000kVA的變壓器,那么就是滿足冗余要求的N+1系統(tǒng)(3+1),對應(yīng)于B級數(shù)據(jù)中心。所以,設(shè)計階段必須根據(jù)數(shù)據(jù)中心的等級,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

應(yīng)急備用電源是數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運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,所以目前大部分數(shù)據(jù)中心的備用電源均采用柴油發(fā)電機組。

3.1柴油發(fā)電機組系統(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)電機組配置需要有一定的冗余。根據(jù)《規(guī)范》要求,A級數(shù)據(jù)中心應(yīng)設(shè)置(N+X)的冗余(X=1~N),B級數(shù)據(jù)中心機房宜設(shè)置(N+1)的冗余。

這里需要注意,《規(guī)范》規(guī)定當B級數(shù)據(jù)中心由雙重電源供電時,可不再設(shè)置應(yīng)急備用電源,但當其只有一路市電電源時,則必須設(shè)置柴油發(fā)電機組作為備用電源。雖然《規(guī)范》中明確給出了B級數(shù)據(jù)中心設(shè)置柴油發(fā)電機組作為備用電源的條件,但并未給出此條件下柴油發(fā)電機組的燃料儲存量。因為柴油發(fā)電機組是作為應(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)定性和快速維護特性,并借鑒《規(guī)范》中對A級數(shù)據(jù)中心發(fā)電機組儲油量和TIA-942-B中對T2級(冗余型)數(shù)據(jù)中心發(fā)電機組儲油量的規(guī)定,這里建議B級數(shù)據(jù)中心設(shè)置柴油發(fā)電機組作為備用電源時的燃料儲存量應(yīng)為滿足12h運行。

3.2柴油發(fā)電機組的選擇

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

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

(2)機組的性能等級選擇。根據(jù)《往復(fù)式內(nèi)燃機驅(qū)動的交流發(fā)電機組第l部分:用途、定額和性能》(GB/T2820.1—2009),柴油發(fā)電機組定義了4個性能等級,如表3所示。

對于數(shù)據(jù)中心,應(yīng)該選用G3或G4級別的柴油發(fā)電機組。

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

對于上述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)電機組的功率,雖然可靠性高,但成本會大大增加:如果選擇EsP作為發(fā)電機組的功率,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)濟性,一般選用PRP(基本功率)作為數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機組的功率指標,這樣有利于提高機組的帶載能力和過負荷能力。

4不間斷電源的可靠性設(shè)計

為了保障數(shù)據(jù)中心運行的可靠性和穩(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(可靠性)和防止電涌或持續(xù)電壓尖峰對電子信息設(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級與B級數(shù)據(jù)中心的不間斷電源配置需要采取容錯或冗余措施,如表5所示。

同時,為了避免UPS超負荷工作,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)備計算負荷,制冷設(shè)備用UPs的基本容量不小于1.3倍的制冷設(shè)備計算負荷。

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)末端風機等),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),以減少對電子信息設(shè)備的干擾。

5具體項目分析

為了更加具體和直觀地表達,本文以某項目為例,對數(shù)據(jù)中心的供電可靠性進行分析。

項目背景:國外某數(shù)據(jù)中心項目,作為國內(nèi)某企業(yè)在海外當?shù)氐闹匾獢?shù)據(jù)節(jié)點,一期規(guī)模72個機柜,按照國內(nèi)A級機房要求設(shè)計與建設(shè)。

5.1市電電源的設(shè)計

為保證供電電源的可靠性,設(shè)計時必須基于《規(guī)范》的要求為數(shù)據(jù)中心選擇和配置市電電源。因為本項目為A級數(shù)據(jù)中心,所以配置了雙重電源。由于本項目在國外不發(fā)達地區(qū),當?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?shù)氐墓╇娗闆r適當降低了要求,但仍以滿足《規(guī)范》要求為前提,選擇了當?shù)啬軌蛱峁┑碾p重電源:兩路電源由相同的電網(wǎng)引來,但它們在電氣運行過程中的聯(lián)系非常弱。

本項目為A級數(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)計均需按照2Ⅳ架構(gòu)來配置:首先,市電結(jié)合當?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、同容量的變壓器每兩臺為一組,其上級10kV電源來自不同的10kV母線段,兩臺變壓器間設(shè)置低壓母聯(lián)開關(guān),正常運行時每臺變壓器負荷率控制在50%以下,當其中一臺變壓器故障或檢修時,由另一臺變壓器帶起全部負荷。

5.2應(yīng)急備用電源的設(shè)計

由于本項目總用電負荷容量適中,且柴油發(fā)電機房離主機房位置不遠,故本項目采用0.4kV發(fā)電機組。

本項目為A級數(shù)據(jù)中心,按照《規(guī)范》要求,兼顧可靠性和經(jīng)濟性,柴油發(fā)電機組采用了Ⅳ＋1的冗余配置:共設(shè)置3臺發(fā)電機組,其中2臺為基本量,1臺為冗余量,即2＋1的冗余配置。同時,本項目選擇了G4性能等級的發(fā)電機組,并采用PRP作為其功率指標。

5.3不間斷電源的設(shè)計

本項目為A級數(shù)據(jù)中心,經(jīng)過計算,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計算,則此時設(shè)置2套600kVA的UPs共計1200kVA:其次,經(jīng)過計算,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,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)中心是一個對供電可靠性和穩(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)計時,基于高可靠性和穩(wěn)定性原則,需要依據(jù)《規(guī)范》對數(shù)據(jù)中心的供電電源種類進行科學配置,同時也需要對不同的供電電源系統(tǒng)作出合理設(shè)計與規(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。