一种改进的供电系统架构在数据中心的应用分析

朱发熙，张仁玉

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

数据中心是承载数据和算力的基础物理单元，是数字化社会重要的基础设施组成。受互联网经济发展的影响和数字经济、新基建等国家政策的支持，我国的数据中心建设连续多年保持高速增长[1,2]。

根据数据中心所带业务中断造成损失和影响程度的不同，将数据中心划分为A、B、C这3个等级[3]。其中，A级数据中心对安全可靠性要求最高，在目前市场上也最受客户青睐。A级数据中心常用供电系统架构有2N系统、RR系统以及DR系统，其中2N系统架构由于架构简单、容易实现物理隔离以及运维方便等特点而得到了广泛应用[4]。

根据供电部门的规定，单回路10 kV外市电的容量不能超过10 000 kV·A，当项目的总外市电容量需求超过10 000 kV·A但又不足20 000 kV·A时（例如市电容量需求为12 000 kV·A），这种情况下直接采用2N系统、DR系统以及RR系统架构外市电的配置会不经济。由于在这种规模下这些系统架构不能将单回路市电容量往供电允许的极限靠，即将单回路市电用足，因此需要引入更多的回路。本文提出一种改进的供电系统架构，该架构适用于市政供电间隔紧张或需要尽量提高外线容量利用率的场合。

1 改进的供电系统架构

以10 kV母线容量8 000 kV·A为例，典型的2N系统供电架构见图1。系统的10 kV部分和0.4 kV部分均由两个容量相同的供电单元组成，每个单元都能保障全部负载。正常运行时两个单元同时工作，互为备用，各带50%的负载，当其中一个单元故障时，另一个单元带全部的负载。

图1 典型的2N供电架构

改进的供电架构见图2，其10 kV部分由3个容量相同的供电单元组成，包括3路容量相同的外市电、3段配置相同的10 kV母线段。

图2 改进的供电架构

正常情况下，3段10 kV母线同时工作，每段10 kV母线均带50%负载。其变压器及以下部分同2N系统完全一致，即同一组变压器的A、B路均来源于独立的10 kV母线段。正常状态下，两台变压器同时运行，各带50%负载。当一台故障时，另外一台变压器带全载。在变压器低压侧设置母联，在任何时间两进线一母联3个断路器只能合其中的两个，采用自动切换方式。

当3路中的一路外市电故障后，对应的该段母线退出运行，通过低压母联投切，该段母线所带负荷由剩下的两路外市（母线）共同分担。当3路中的两路外市电故障后，故障的两路外线退出运行，剩余的一路外线依然正常工作。柴油发电机系统投入工作并给断电的两段母线提供电源，为数据中心的负载提供应急保障。

当所有3路外市电均断电时，柴油发电机系统给断电的3段母线提供电源。如果这时其中一路市电恢复，那么该路市电对应的10 kV母线由柴油发电机供电自动切换为市电供电，另外两段依然由柴油发电机供电。当两路市电恢复后，柴油发电机系统退出运行，由恢复供电的两路外线带全部负荷。当3路市电均恢复时，即转换为市电正常状态，3个10 kV供电单元同时供电，每个单元带50%的负载。

从图1可知，由两段8 000 kV·A的10 kV母线组成的2N系统能带的最大负荷是8 000 kV·A。从图2可知，由3段8 000 kV·A的10 kV母线组成的改进系统能带的最大负荷是12 000 kV·A。改进的供电系统架构中3段10 kV母线应由一套柴油发电机系统保障，这样柴油发电机组可以冗余互用，减少柴油发电机数量，并降低控制系统的难度，含柴油发电机系统的改进供电架构见图3。

图3 含柴油发电机系统的改进供电架构

由上分析，改进的供电系统架构中，任何一个单元（包括外线、母线、开关以及变压器）退出运行均不影响整个供电系统的运行，因此该供电架构不存在单点故障，满足A级机房对供电可靠性的要求。

2 应用分析

2.1 项目概况

某数据中心总建筑面积约为12 000 m2，单层面积约为3 000 m2，共4层。其中，一层主要是变配电房和其他配套用房，标准层主要是数据机房和电力电池室。数据中心总共规划了2 000个5 kW机柜，按照《数据中心设计规范》中的A级标准建设。采用引入10 kV市电的外电引入方案，根据工程所在地配网的现状，附近市政电网能提供4个有效间隔，单个间隔的市电容量为10 000 kV·A，前端市政电网电源引接点距离本项目约4 km。

2.2 供电方案选择

对数据中心内各类不同的用电设备进行分类，不同类别的设备选取合适的需要系数和同时系数，进行用电负荷统计，本工程的负荷估算如表1所示。

表1 用电负荷统计表

根据GB50174—2017《数据中心设计规范》和GB50052—2009《供配电系统设计规范》，A级数据中心中的IT设备、给IT设备配套制冷的设备（包括冷水机组、水泵、冷却塔以及机房专用空调）、消防设备以及机房监控系统等为一级负荷，其中IT设备、机房专用空调以及机房监控系统设备属于一级负荷中特别重要的负荷。根据用电负荷定性和表1的负荷统计表，本工程总共需要引入15 000 kV·A+15 000 kV·A的外市电，但是由于供电部门单回路10 kV外电不允许超过10 000 kV·A，如果按照2N架构，就需要引入4路7 500 kV·A外电或者2路10 000 kV·A外电+2路5 000 kV·A外电。以采用4路7 500 kV·A外电方案为例，本工程采用2N系统的供电架构如图4所示。

图4 基于2N系统的供电架构

按照改进的供电系统架构，本项目外市电只需要3路，10 kV母线也只需要3段。相较于常规的2N供电架构，能够节省1路外市电、1段10 kV母线以及1套柴油发电机和市电切换装置，本项目改进方案的供电系统架构详见图5。

图5 本项目基于改进系统的供电架构

两种架构的对比详见表2。

表2 新架构和2N架构的对比表

由于外线投资在整个供电系统中占比很大，因此节省外线投资能有效减少整个供电系统的投资。

3 结 论

本文对数据中心常用的2N供电系统架构中的10 kV部分进行了改进，提出了一种改进的数据中心供电系统架构。通过对该架构的分析研究可知，改进的数据中心供电系统架构的可靠性比2N供电系统架构略低，但同样不存在单点故障，能够满足A级数据中心对供电系统安全可靠性的要求。对某些特定规模的数据中心，在满足规范要求的前提下，采用改进的供电架构能够简化供电系统，减少外线的回路、10 kV母线段以及配电房面积，节约投资。此外，改进的供电系统架构特别适合市政电网间隔数量紧张的场合。