数据中心供电系统可靠性设计浅析

引言

随着我国"大数据""新基建"等发展新思路的推进,数据中心的建设也成为信息时代发展过程中必不可少的重要环节。

可靠性是数据中心运行过程中最重要的指标,而组成数据中心的各个系统的可靠性则直接影响着数据中心的整体可靠性,例如电气系统、通风与制冷系统、通信系统等。其中,电气系统作为数据中心的重要组成部分,在数据中心的电源供给、运维监测、消防安全等方面都起到了十分关键的作用。

本文依据《数据中心设计规范》(GB50174—2017)(以下简称《规范》),并结合某A级数据中心工程,从电气系统的角度出发,以高可靠性为设计原则,分析和总结了数据中心项目设计过程中保障供电可靠性的要点与方法。

1供电可靠性

根据《规范》,数据中心共划分为三个等级,每个等级的数据中心对供电电源都有较高要求,如表1所示。

由于数据中心对供电电源的要求较高,所以在数据中心项目的电气设计中,可靠性和稳定性是从始至终贯穿整个设计阶段的基本原则,这就要求所设计的供电系统有足够的、符合《规范》要求的容错或冗余能力。

数据中心项目设置的供电电源种类需根据《规范》并结合数据中心自身的级别来确定,等级越高的数据中心,其供电电源的种类就越多,系统容错或冗余性就越高。总的来说,数据中心项目的供电电源一般包括市电电源、应急备用电源和不间断电源。根据《规范》的相关规定,电气系统中的供电电源都需要根据数据中心的级别进行相应的架构设计,从而保证整个数据中心项目的可靠性。

从《规范》的附录A可知,不同级别的数据中心在供电电源的种类、容错或冗余架构、配电方式等方面均有区别。基于此,本文分别从市电电源、应急备用电源、不间断电源等方面,阐述数据中心项目中的供电可靠性设计。

2市电电源的可靠性设计

市电电源是数据中心运行的基础,数据中心级别越高则对市电电源的级别和配置要求越高。

2.1总体要求

依据《规范》,对三个级别的数据中心的市电电源要求分别如下:对于A级数据中心,必须由双重电源供电:B级数据中心,宜由双重电源供电:C级数据中心,由双回线路供电即可。

其中,双重电源和双回线路的电源配置对应不同级别的数据中心供电系统,在可靠性和稳定性上有着较大的区别。双重电源[2],可以是来自不同电网的电源,或者来自同一个电网但在运行时电路相互之间联系很弱,或者来自同一个电网但其间的电气距离较远,一个电源系统任意一处出现异常运行或发生短路故障时,另一个电源仍能不中断供电。双回线路,要求线路的数量为两回,但可以来自同一个电网或者来自同一个低压电源。同时,不论是A级或B级数据中心采用的双重电源,还是C级数据中心采用的双回线路,当其中一个回路中断供电时,其余线路均应能满足整个系统的供电要求。

这里需要注意一点,《规范》中提出B级数据中心宜由双重电源供电,但在市电无法提供双重电源时,可以一路市电电源搭配柴油发电机组(后备电源)的形式作为B级数据中心的供电电源。

2.2系统架构

依据《规范》,对三个级别的数据中心供电电源的容错或冗余架构应分别按表2设置。

这里的N是指系统的基本需求,例如整个数据中心的计算负荷为2400kw,需3台1000kVA的变压器,那么N=3。

这里还需要注意,"容错"和"冗余"是不同的概念。"容错"是指具有两套或两套以上的系统,在同一时刻,至少有一套系统在正常工作,在经受一次突发事故后,仍能满足数据中心正常运行的基本需求。"冗余"是指重复配置系统的一些或全部部件,当系统发生故障时,重复配置的部件介入并承担故障部件的工作,由此延长系统的平均故障间隔时间。例如,上文提到的例子,数据中心的计算负荷为2400kw,需3台1000kVA的变压器,如果设置6台1000kVA的变压器,那么就是满足容错要求的2N系统(2×3),对应于A级数据中心:如果设置4台1000kVA的变压器,那么就是满足冗余要求的N+1系统(3+1),对应于B级数据中心。所以,设计阶段必须根据数据中心的等级,依据《规范》来确定市电电源的架构,这样才能保证系统的可靠性和稳定性。

3应急备用电源的可靠性设计

应急备用电源是数据中心稳定运行不可缺少的电源设备。在现行的数据中心系统中,柴油发电机组体现出了其他备用电源难以比拟的可操作性,所以目前大部分数据中心的备用电源均采用柴油发电机组。

3.1柴油发电机组系统的架构

为了提高可靠性,数据中心内设置的柴油发电机组配置需要有一定的冗余。根据《规范》要求,A级数据中心应设置(N+X)的冗余(X=1~N),B级数据中心机房宜设置(N+1)的冗余。

这里需要注意,《规范》规定当B级数据中心由双重电源供电时,可不再设置应急备用电源,但当其只有一路市电电源时,则必须设置柴油发电机组作为备用电源。虽然《规范》中明确给出了B级数据中心设置柴油发电机组作为备用电源的条件,但并未给出此条件下柴油发电机组的燃料储存量。因为柴油发电机组是作为应急备用电源来为数据中心提供短暂的电源供给,所以结合目前电网的稳定性和快速维护特性,并借鉴《规范》中对A级数据中心发电机组储油量和TIA-942-B中对T2级(冗余型)数据中心发电机组储油量的规定,这里建议B级数据中心设置柴油发电机组作为备用电源时的燃料储存量应为满足12h运行。

3.2柴油发电机组的选择

发电机组参数的合理选择,需要从机组电压、机组性能等级、机组功率定额种类等方面考虑,这对于数据中心的电气可靠性来说非常重要。

(1)机组的电压选择。根据《规范》,数据中心中设置的柴油发电机组可选用0.4kV的低压机组,也可选择10kV的中压机组。一般来说,如果负荷容量较小且与发电机组距离较近,从配电系统的成本和实施难度上来权衡,可以采用低压机组:如果负荷容量较大,需要采用多台机组并机时,应采用10kV机组。在实际建设中,当柴油发电机的容量小于2500kw,且柴油发电机房与主机房距离小于500m时,可优先选用0.4kV的低压机组,否则应采用10kV的中压机组。

(2)机组的性能等级选择。根据《往复式内燃机驱动的交流发电机组第l部分:用途、定额和性能》(GB/T2820.1—2009),柴油发电机组定义了4个性能等级,如表3所示。

对于数据中心,应该选用G3或G4级别的柴油发电机组。

(3)机组的功率定额种类选择。选定性能等级后,需要选择发电机组的功率定额种类。根据规范,柴油发电机组的功率定额种类如表4所示。

对于上述4种功率,其大小关系为:EsP>L7P>PRP>C0P:它们的比值约为:EsP:L7P:PRP:C0P=l:0.92:0.85:0.78。

以上4种功率的选择,会直接影响数据中心的可靠性和成本投入。如果选择C0P作为发电机组的功率,虽然可靠性高,但成本会大大增加:如果选择EsP作为发电机组的功率,虽然成本降低了,但可靠性也受到影响。因此,结合可靠性和经济性,一般选用PRP(基本功率)作为数据中心柴油发电机组的功率指标,这样有利于提高机组的带载能力和过负荷能力。

4不间断电源的可靠性设计

为了保障数据中心运行的可靠性和稳定性,UPS电源被广泛应用于数据中心的电源系统。UPS电源的作用主要包括中断保护(可靠性)和防止电涌或持续电压尖峰对电子信息设备的影响(抗干扰性)。

4.1不间断电源系统的架构

根据规范要求,A级与B级数据中心的不间断电源配置需要采取容错或冗余措施,如表5所示。

同时,为了避免UPS超负荷工作,保证供电可靠性,也为了便于后期可以少量增加设备,UPS的容量会留有一定的余量:IT设备用UPS的基本容量不小于1.2倍的1T设备计算负荷,制冷设备用UPs的基本容量不小于1.3倍的制冷设备计算负荷。

4.2不间断电源系统的配电方式

在数据中心中,需要配置UPs系统的负荷主要包括1T设备和制冷设备(包括控制系统、末端冷冻水泵、空调末端风机等),这些设备不应与电子信息设备共用一组不间断电源系统,以减少对电子信息设备的干扰。

5具体项目分析

为了更加具体和直观地表达,本文以某项目为例,对数据中心的供电可靠性进行分析。

项目背景:国外某数据中心项目,作为国内某企业在海外当地的重要数据节点,一期规模72个机柜,按照国内A级机房要求设计与建设。

5.1市电电源的设计

为保证供电电源的可靠性,设计时必须基于《规范》的要求为数据中心选择和配置市电电源。因为本项目为A级数据中心,所以配置了双重电源。由于本项目在国外不发达地区,当地电网的电力供给不能提供满足"来自不同电网的电源"要求的双重电源,所以结合当地的供电情况适当降低了要求,但仍以满足《规范》要求为前提,选择了当地能够提供的双重电源:两路电源由相同的电网引来,但它们在电气运行过程中的联系非常弱。

本项目为A级数据中心,为满足《规范》和高可靠性的要求,市电电源和变压器的设计均需按照2Ⅳ架构来配置:首先,市电结合当地的情况引入了满足《规范》要求的双重电源,两路电源同时工作、互为备用,并在10kV侧采用单母线分段的主接线形式:其次,数据中心内同规格、同容量的变压器每两台为一组,其上级10kV电源来自不同的10kV母线段,两台变压器间设置低压母联开关,正常运行时每台变压器负荷率控制在50%以下,当其中一台变压器故障或检修时,由另一台变压器带起全部负荷。

5.2应急备用电源的设计

由于本项目总用电负荷容量适中,且柴油发电机房离主机房位置不远,故本项目采用0.4kV发电机组。

本项目为A级数据中心,按照《规范》要求,兼顾可靠性和经济性,柴油发电机组采用了Ⅳ＋1的冗余配置:共设置3台发电机组,其中2台为基本量,1台为冗余量,即2＋1的冗余配置。同时,本项目选择了G4性能等级的发电机组,并采用PRP作为其功率指标。

5.3不间断电源的设计

本项目为A级数据中心,经过计算,1T设备用UPs系统的基本容量为600kVA,UPs设备按2Ⅳ要求配置,按照每套UPs为600kVA计算,则此时设置2套600kVA的UPs共计1200kVA:其次,经过计算,辅助设备用UPs系统的基本容量为300kVA,辅助设备采用"一路市电＋一路U电"的配电方式,故其UPs采用基本容量300kVA即可。同时,不间断电源系统的电池容量按《数据中心供配电设计规程》(T/CECS486一2017)要求设置为15min。

6结语

数据中心是一个对供电可靠性和稳定性要求非常高的工程,数据中心项目中供电电源种类较多,包括市电电源、应急备用电源和不间断电源等。在设计时,基于高可靠性和稳定性原则,需要依据《规范》对数据中心的供电电源种类进行科学配置,同时也需要对不同的供电电源系统作出合理设计与规划,这样才能从根本上保证并提高数据中心的供电可靠性。