不同等级数据中心的供配电系统设计

申 星，云昭洁，李海涛，魏 亮

（1.烽火通信科技股份有限公司，湖北 武汉 430000；2.湖北省科技信息研究院，湖北 武汉 430000）

0 引 言

随着云计算、大数据等技术的发展，数据中心正朝着集约化、规模化以及节能化等方向发展，并且随着关键业务的云上部署，人们对数据中心供电可靠性的要求越来越高。因此，如何在控制数据中心总拥有成本（Total Cost of Ownership，TCO）的情况下兼顾数据中心的可用性、节能性以及经济性成为当前数据中心供配电系统设计的关键。以数据中心设计规范为依据，参考笔者建设的大型数据中心供配电系统实例，针对数据中心供配电系统设计进行分析。

1 数据中心供配电系统要求

1.1 不同等级要求

《数据中心电信基础设施标准》（ANSITIA-942—2005）根据建筑结构、柴油发电机及后备燃油、供电电源、UPS及后备蓄电池、精密空调等的配置数量与架构对数据中心进行定义并分为4级，其中Ⅰ级数据中心为基本型（Basic），Ⅱ级数据中心为冗余型（Redundant Components），Ⅲ级数据中心为可在线维护型（Concurrently Maintainable），Ⅳ级数据中心为容错型（Fault Tolerant）[1]。而根据国家标准《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）中关于数据中心的分级定义规定，电子信息系统机房应划分为A、B、C三级，设计时根据数据中心的使用性质、数据丢失或网络中断在经济和社会中造成的损失或影响程度确定所属级别[2]。总体而言，A级机房介于Ⅲ级和Ⅳ级之间，B级机房相当于Ⅱ级，C级机房相当于Ⅰ级。Ⅳ级数据中心对于建筑结构等方面的要求很高，例如不同功能区域的物理隔离等，建设成本较高。综合考虑经济性和可用性等，目前国内建设的中大型数据中心主要为A级。

1.2 负荷要求

由于数据中心的负荷决定着供电电源的电压、容量、架构等关键参数选择，因此合理准确计算数据中心负荷成为数据中心供配电系统设计的首要任务。为了保证IT设备的正常工作，需要提供不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）、精密空调、照明等配套基础设施。数据中心的实际有用负荷为IT设备负荷，而数据中心总负荷为IT设备负荷与配套基础设施负荷之和。

1.2.1 IT设备负荷

IT设备数量及功率明确时，按设备数据统计。IT设备不明确时，按机柜平均负荷功率统计。机柜数量不明确时，可按机房面积平均负荷估计。此外，负荷分配需要注意三相负荷平衡，采用需要系数法计算负荷功率，并进行单相负荷与三相负荷的换算。

1.2.2 配套基础设施负荷

UPS负荷（含IT设备负荷）为：

式中：SUPS为UPS负荷（只考虑主用设备负荷）；SIT为IT设备视在功率；SCH为蓄电池充电视在功率；PIT为IT设备有功功率；η为UPS效率；cosφ为UPS输出功率因数；k为充电系数（经验取值范围0.15～0.25）。

精密空调荷为：

式中：SCd为精密空调负荷，Ied为精密空调额定电流。计算精密空调的总负荷时，只考虑主用设备的负荷。此外，照明及其他负荷按需要系数法计算。

2 数据中心供电系统

2.1 市电电源

目前，数据中心建设呈现集约化发展趋势，对于电力容量的需求也越来越大，选择合理的供电电源至关重要。各级电压送电能力如表1所示[3]。

表1 各级电压送电能力

根据电力容量需求和配置条件成本，综合考虑后选择数据中心市电电源的供电电压级别。根据数据中心规模的不同，采用不同的高压系统架构。按照电力容量，可以分为超大型数据中心、大型数据中心、中型数据中心以及小型数据中心。

超大型数据中心的总负荷在10 000 kVA以上，电源进线电压一般为35～110 kV，经过两次降压。一般设置总变电站，先将35～110 kV电压降为6～10 kV，再将6～10 kV电压降为用电设备所需的电压220/380 V。工程项目中，数据中心供电系统采用的最高电压一般不超过35 kV[4]。大型数据中心的总负荷为1 000～10 000 kVA，电源进线电压一般为6～10 kV，先由高压配电室集中，再由高压配电线路直接分配给变压器。中型数据中心的总负荷为100～1 000 kVA，通常变配电站规模不大，采用6～10 kV电压降为用电设备提供所需要的电压。小型数据中心的总负荷低于100 kVA，采用220/380 V低压配电可以满足设备的供配电需求。

笔者建设的某省级政务云数据中心电力负荷为2 000 kVA、某央企全球云数据中心电力负荷为6 000 kVA，均采用两路不同的10 kV市电电源引入。其中某央企全球云数据中心电力负荷虽然比要求的10 kV电缆线路的送电容量略高，但综合考虑电缆设备成本及负荷容量，此项目仍然采用10 kV电源。

2.2 应急电源

数据中心一般采用柴油发电机组作为应急电源，应急电源配置需满足不同等级数据中心对供电可用性的要求。

A级数据中心需提供两路应急电源，其中应急电源采用冗余配置，每一路应急电源的供电容量满足UPS设备、空调制冷设备的基本容量需求。柴油发电机组作为应急电源时，可以采用单母线接入，如图1所示。此外，也可以采用双母线接入，如图2所示。

图1 柴油发电机单母线接入

图2 柴油发电机双母线接入

B级数据中心在只有一路供电电源时应配置一路应急电源，应急电源的供电容量满足UPS设备、空调制冷设备的基本容量需求。

C级数据中心由于UPS后备供电时间一般可以满足设备信息存储需要，因此通常情况下不单独配置应急电源。

3 数据中心配电系统

数据中心的配电系统主要是结合UPS系统进行设计，《数据中心电信基础设施标准》（ANSI-TIA-942—2005）按照供配电系统可用性的不同将数据中心分为4个等级，而《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）将数据中心分为A、B、C这3个等级。随着国内数据中心行业的发展，最新的国家数据中心建设标准更加符合国内数据中心的实际情况，加上国际标准的部分规定对于建筑结构或者配套电力等条件要求非常严苛，因此目前国内建设的数据中心主要参考国家标准。不同等级数据中心供配电系统要求如表2所示。

表2 不同等级数据中心供配电系统要求

A级数据中心用于机房负载非常重要的场合，UPS系统按照容错系统配置，即拥有两套及两套以上的系统在工作，至少可以承受住一次突发设备的故障和人为操作失误等问题。目前针对容错UPS系统的配电架构也在不断演进，除了标准2N架构外，还衍生了分布式容错架构、后备式容错架构等[5]。例如，笔者建设的某省级政务云数据中心采用2N架构，如图3所示。

图3 A级数据中心2N配电架构

某央企全球云数据中心采用分布式容错架构（3N架构），如图4所示。

图4 A级数据中心3N配电架构

B级数据中心按照冗余系统配置，并机冗余是N+1台同型号、同功率的UPS并联，负载功率最大为N台UPS的输出功率。当任何一台UPS故障并自动退出后，剩余的N台UPS可以继续给负载提供电源。B级数据中心典型配电系统架构如图5所示。

图5 B级数据中心典型配电架构

C级数据中心配置简单，具备基本的数据保护功能，没有采取容错或冗余配置，目前主要用于国内一些小机房或站点机房。C级数据中心典型配电系统架构如图6所示。

图6 C级数据中心典型配电架构

4 结 论

随着云计算、大数据时代的到来，大中型数据中心建设成为主流趋势，并对数据中心供配电系统的可靠性提出了更高的要求。通过介绍数据中心供配电系统建设要求，结合笔者建设实例，重点针对数据中心的供电系统和配电系统进行分析阐述，对于数据中心供配电系统设计及建设具有重要参考意义。