摘要：随着信息技术的发展，云计算数据中心的建设迅速崛起，供配电系统需要满足下一代绿色数据中心的设计要求与标准规范，在满足可用性、安全性的基础上，要更多考虑投资成本与节能性要求。从UPS供配电架构上分析适合数据中心的建设等级与优劣点，一路市电和一路高压直流系统逐渐成为供配电的主流方案，并且有高压直流替代UPS的趋势，未来架构发展有去UPS和高压直流化，将采用一路市电和备用柴油发电机的供电方式。在规划与设计上应重视供配电各个子系统的高效配合，加大节能技术、提高产品效率、降低损耗，采用标准化、模块化的技术，逐步向绿色数据中心发展。
关键词：数据中心；UPS配电架构；绿色节能；HVDC（高压直流）
随着互联网与云计算的发展，数据中心的数量、规模、功率密度不断增长。数据中心建设等级的不断提高，对于其安全性、可用性和经济性提出了很高的要求。供配电作为数据中心的“动力心脏”，支撑着整个系统的可靠运行，下一代绿色数据中心的供配电设计应满足安全可靠、技术先进、经济合理、节能环保、便于维护管理等要求。
1.数据中心供配电系统设计要点
1.1变配电系统
数据中心典型供配电系统一般分为三级配电，如图1所示。一级配电包含市电、高压配电柜、高压柴油发电机（或低压柴油发电机）、变压器、低压配电柜；二级配电包含UPS（不间断电源）输入柜、UPS、UPS输出柜、冷水机组、水泵、照明等；三级配电也称末端配电，包含精密列头配电柜、PDU（电源分配单元）等。一级配电系统又称高压配电系统，A级数据中心应采用两路独立的10kV高压电源，应来自两座不同的变电站，每路高压电源均能承担数据中心内的全部负荷；B级数据中心宜采用两路高压电源，可不设后备柴油发电机系统，当供电只有一路高压电源时，需要设置后备柴油发电机系统。按照数据中心等级和用电容量，采用10kV、20kV、35kV，甚至110kV供电，总负荷容量越高，采用更高等级供电电源的经济性越好。大、中型数据中心通常引入10kV市电，大型园区可能会直接引入110kV等级的电源。现阶段，主流大型数据中心采用两路10kV市电和备用柴油发电机的配电形式，随着市电环网可靠性的提高，大型数据中心有往一路市电和备用柴油发电机的配电方式发展。变压器宜采用D，Yn11型干式变压器。
图1 数据中心典型供配电系统
1.2备用电源系统
备用电源系统包括电池与柴油发电机两类。铅酸电池价格便宜、维护方便、寿命低，适合大量、集中布置的场合；铁锂电池动力性强、重量轻、寿命长，但价格较贵，适合少量、分散布置的场合。由于数据中心使用后备电池的几率很小，因此大、中型数据中心大多采用铅酸电池。A级数据中心采用两路市电或者B级数据中心采用一路市电时，均应配置后备柴油发电机系统，后备柴油发电机系统应能承担全部负荷的需要。后备柴油发电机系统基本容量应包括不间断电源系统、空调和制冷设备的基本容量。后备柴油发电机组的性能等级不低于G3级，A级数据中心发电机组应连续和不限时运行，发电机组的输出功率应满足数据中心最大平均负荷的需要；B级数据中心发电机组的输出功率按限时500h运行功率选择。柴油发电机组包含0.4kV低压油机与10kV高压油机两种，对于中、小型数据中心，单台发电机容量在2500kW以下，或发电机台数在10台以下时，可采用0.4kV低压发电机组；当单台发电机容量超过2500kW时，应采用10kV高压发电机组。0.4kV发电机组系统中性点应采用直接接地方式，10kV发电机组系统中性点应采用高电阻接地方式。大型数据中心通常选用10kV高压柴油发电机系统，主要因为输出电流小，经济性好，有利于并机。
1.3电源系统
电源系统分为交流与直流两种电源系统，交流不间断电源系统包括UPS及EPS（紧急电力供给），UPS又分为工频机、高频机和模块化机，工频机适用于对稳定性与安全性要求较高的数据中心，如地铁、机场、核电等领域；高频机适用于大、中型数据中心；模块化机房适用于功率密度低、小型机房或者移动网点，如银行等金融网点。对于中国庞大的分布式金融网点，模块化UPS的需要量正逐年增大。直流系统包括-48V、240V、336V系统。随着技术发展与240V、336V系统标准的建立并完善，HVDC系统的应用前景与市场份额将逐渐增大。目前应用较多的是通信与互联网行业，如电信、移动、百度、阿里巴巴、腾讯等公司。
1.4照明系统
主机房和辅助区一般照明的照度为300~500Lx，照明光源应采用高效节能荧光灯。工作区照明均匀度不应小于0.7，非工作区的照度不应低于工作区的1/3。主机房和辅助区备用照明的照度值不应低于一般照明照度的10%。有人值守的区域，备用照度值不应低于一般照明照度的50%。主机房通道疏散照明照度不应低于5Lx，其它区域通道疏散照度值不应低于1Lx。
1.5防雷接地系统
雷击危害分为直击雷和雷击造成的感应过电压。机房外部防雷采用接闪器、引下线和接地装置。防雷接地的引下线通常采用建筑柱子内的主钢筋，在数10kA乃至数100kA的大电流流过时，在其各点位置有不同电压降，随着建筑高度的降低，其阻值与电压降均会减小，所以数据中心设计的层数不要过高。对数据中心造成更多危害的是LEMP（雷电电磁脉冲），应采用多级保护、逐级限压的方式，通常的解决办法是装设SPD（浪涌保护器），在变配电室低压侧主进开关附近装设一级SPD，从变压器室至UPS室经过了一段距离，为了消除雷电电磁脉冲的影响，在UPS输入、输出配电柜装设二级SPD，PDU内应装设三级SPD。当产生雷击冲击电流（10/350μs）时，第一级抑制后，雷电残压在2500~4000V；第二级抑制后，残压在1500~2500V，此时产生的冲击电流（8/20μs）为剩余干扰；第三级抑制后，残压小于1500V。
2.A级数据中心的三种容错型供配电典型架构分析
2.1 传统容错型配电架构（2N）
容错型配电架构如图3a）~4d）所示，供电系统具有两路市电，两套完整的变压器和UPS系统，至少一套系统在正常工作。图3a）为两路简洁的配电架构，并无配置柴油发电机，可以满足B级数据中心的配电要求；图3b）加入了ATS，可以实现双路切换；图3c）采用一路市电和一路UPS配电架构，可实现故障时快速切换；图3d）架构中均加入了ATS和STS，大大提高了配电可靠性，但是也牺牲了一定的经济性。图3b）~图3d）可满足A级数据中心的配电要求，但图3c）配电架构投资性更小，经济性最好。
图32N型架构
2.2分布冗余架构（DR）
分布冗余架构（DR）由N（N≥3）个配置相同的供配电单元组成，N个供配电单元同时工作，将负载均分为N组，每个配电点单元为本组负载和相邻负载供电，形成“手拉手“供电方案。正常运行情况下，每个供配电单元的负荷率为66%。当一个运行单元发生故障，通过电源切换装置，备用单元继续负载供电。
2.3后备冗余架构（RR）
后备冗余架构（RR）由多个供电单元组成，其中一个单元做为N（6-12个）运行单元的备用，当一个运行单元发生故障，启动相对应的发电机组，当运行单元与相对应的发电机组同时发生故障时，通过电源切换装置（STS），备用电源继续负载供电。RR供配电架构如下图所示：
结论
经过对比
2N架构稳定性最高，建设成本最高，运行成本（电费）也最高，系统架构也最复杂，比较容易实现物理隔离、运维难度也最低。金融、政府等对稳定性要求最为严格的数据中心适于采用此种方案。
DR架构建设成本最低，运行成本（电费）居中，可用性、系统结构相对2N架构复杂，设备和线路无法实现物理隔离，运维难度居中。DR架构由于性价比高，可复制性强，会逐步成为国内大型IDC数据中心，云服务数据中心的主流配置。
RR架构建设成本适中，运行成本（电费）最低，但可用性、系统结构最为复杂，设备和线路也无法实现物理隔离，运维难度也最为复杂。RR架构由于有运行成本（电费）低、末端系统架构稳定，符合国外IDC数据中心的思想，国外主流数据中心现在普遍采用此种架构。
当前大、中型数据中心主流供配电系统架构为2N架构，2N型架构多采用两路UPS系统供电；对于互联网企业，多采用一路市电和一路UPS或者一路市电和一路高压系统供电，并配有柴油发电机组。在低碳节能、模块化、高可靠性上，DR架构最优。未来大、中型数据中心供配电架构，朝着DR架构的供配电系统方向发展。在规划与设计上，数据中心楼层不宜过高，3~4层比较合理，高度不应超过24米；低压交流配电应采用TN-S方式，总接地电阻不超过1Ω，低压交流配电系统宜采用限压型电涌保护器；采用多级保护时，各级浪涌保护器之间应保持适当的退耦距离或增设退耦器件；还应设计稳定可靠、投资合理、高效方便的运维管理系统，加强数据中心高水平运维人员的培养。
参考文献
[1]欧阳东.数据中心电气设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2012.
[2]王月，王甜甜，李洁，高巍.数据中心绿色化发展趋势及思考［J］.电信网技术，2016，（12）：45-48.
[3]岳玉，曹可建，郭亮.数据中心绿色技术及其发展研究［J］.中兴通讯技术，2015，21（5）：45-49.
论文作者:陈伟华
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年2期
论文发表时间:2019/6/14
标签：数据中心论文; 架构论文; 系统论文; 市电论文; 发电机论文; 供配电论文; 柴油论文; 《建筑学研究前沿》2019年2期论文;