赵燕河

数据中心供配电系统方案简述

赵燕河

（漳州科华技术有限责任公司，福建 漳州 363000）

介绍了数据中心分级、数据中心供电电源的技术要求，并根据供电系统建设时的不同形式，简要阐述了数据中心供配电系统方案。

UPS；冗余配电；电源；数据中心

在数据中心供配电系统中，配置不间断电源的目的是防止因市电停电或市电异常造成计算机设备、通信设备等负载设备的停机或发生误动作，避免数据中心系统因掉电或供电异常而造成无法预估的损失。不间断电源UPS是数据中心供配电系统不间断供电的重要保障，将直接影响数据中心的可靠性；另外，数据中心中UPS的损耗较大，所以，降低能耗并提高可靠性已成为数据中心供配电系统的技术发展方向。不同客户对微模块数据中心供配电方案的需求不同，数据中心供应商需要对供配电方式有正确的认识和灵活运用。

1　数据中心机房分级

据国标GB 50174标准要求，电子信息系统机房应划分为 A、B、C三个等级，在设计时应考虑机房使用性质、管理需求及其在社会与经济中的重要性来定义所属级别。

A级机房定义：电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失或公共场所秩序严重混乱。

B级机房定义：电子信息系统运行中断将造成较大的经济损失或公共场所秩序混乱。

C级机房定义：保证电子信息系统不间断运行。

GB 50174—2008《电子信息系统机房设计规范》与国际标准TIA—942《数据中心的电信基础设施标准》中，数据中心机房分级如表1所示。

2　供配电方案

2.1 N系统

N系统满足基本需求，没有冗余UPS设备，其优点为系统简单，硬件配置成本低廉；UPS工作为满负荷，因此效率较高；其缺点是可用性低，当UPS发生故障，负载将转换到旁路供电，无保护电源；在UPS、电池等设备维护期间，负载处于无保护电源状态；存在多个单故障点。N系统基本原理如图1所示。

表1 数据中心机房分级标准及技术要求

GB 50174—2008分级A级B级C级 TIA—942分级Tier 4Tier 3Tier 2Tier 1 系统性能双系统同时运行双系统一用一备单系统冗余配置单系统基本配置 供电电源2个电源供电2个电源供电2个电源供电2回电源供电 变压器冗余M（1+1）M（1+1）M（1+1）N UPS冗余及时间2N，30 minN+1，30 minN+1，30 minN，15 min 柴油发电机冗余及储油量N+1，96 hN+1，72 hN，24 hN，8 h 机房专用空调冗余2NN+XN+1N

图1 N系统基本原理图

2.2 N+X系统

相对于“N”系统，“N+X”系统在UPS配置上有了一定冗余，系统可靠性有所提高，同时带来了系统配置成本增加、系统负荷率的降低以及效率降低。N+X系统稳定且成本提升不大，因此在数据中心得到了广泛应用，但是该系统在UPS输出端仍然存在单故障点，实际项目中由此造成的系统宕机屡见不鲜。所以，相应出现了一种“市电+U电”的供电架构，即在N+X系统基础上做了改进，UPS设备配置不变，将服务器等双电源设备中1路改由市电直接供电，消除了单点故障，可靠性较N+1系统大大提高，同时，UPS系统损耗降低为原先的50%。UPS系统整体效率提升至95%以上。

N+X系统基本原理如图2所示。

图2 N+X系统基本原理图

2.3 2N系统

为了消除单点故障，高等级（A级）数据中心通常采用2N冗余系统。该系统一般是由至少2套UPS组成双路双电源系统，从前端双电源输入到UPS输出再到IT负载，整个电气回路完全是独立隔离的。简单而言，任意回路出现单点故障都不会对系统造成供电故障，正常运行时，每个回路承担约50%的总负荷，因为双路双电源是整个系统，UPS端其空调等设备需要配置双路电源输入，整个系统涉及系统级设计与规划。采用2N冗余系统可用性得到明显提高。2N冗余系统的缺点也非常明显，即设备配置多、成本高，通常情况下效率比N+X系统更低。

2N系统的基本原理如图3所示。

图3 2N系统的基本原理

2.4 UPS ECO模式

双转换在线式UPS配置有静态旁路，正常情况下负载由旁路供电，交流输入中断后再切换至逆变由电池供电的运行模式，被称为ECO模式，即经济运行模式。ECO模式虽然带来了效率的提升，但其代价是IT负载由市电供电，UPS必须不断监视市电状态，并在发现问题且当该问题尚未影响负载时，迅速切换到逆变器供电，其实际操作起来需要承担一定的风险。

2.5 HVDC电源系统

目前常用的是240 V高压直流供电系统，它与传统双转换在线式UPS系统的主要区别是取消了逆变环节，其蓄电池挂接在直流母线，与整流器并联，同时为IT设备供电。由于直流电源拓扑简单，因此故障率较传统UPS有所降低；一般都采用模块化设计，可实现在线维护。

IT设备电源模块的前端一般是桥式整流电路，从原理上分析，输入由AC220 V替换为DC240 V时，IT设备仍然可以正常工作。DC240 V系统浮充电压为270 V，对现有IT设备的兼容性最好，其缺点是配电线路的损耗较大，电源转换效率较低。目前已有数以十万计的IT设备运行在DC240 V系统下，其可行性得到较好的实践检验。其效率可以通过元件的选择以及采用离线架构弥补，将电源与负荷就近布置也可抵消配电线路的损耗。综合考虑，240 V HVDC目前是数据中心系统中应用最广泛的高压直流电源系统。与双变换在线式UPS应用类似，高压直流目前也以在线应用为主。所谓在线，是指交流电能始终经HVDC整流后为IT设备供电，通常有6%以上的损耗；所谓离线，是指正常情况下市电直供IT设备，HVDC仅为蓄电池提供浮充，市电中断后，转由蓄电池供电，在这种架构下，正常情况为IT设备供电的电能不经过HVDC转换，此部分损耗几乎可以忽略。因此，节能效果显著。

3　结束语

通过以上分析可知，选择的最佳方案为选择与数据中心机房分级及各系统业务相匹配的供电系统方案。由于UPS设备本身工作原理复杂，UPS运作中也会发生故障，一旦UPS故障，将会对整个数据中心的运行造成不良后果。然而，通过UPS设备冗余可以提高整个供配电系统的可靠性，这便有了N、N+X、2N等多种在线式，供配电方案以及 ECO离线式供配电方案。虽电源设备冗余可以提高数据中心供配电系统的可靠性，但它也带来了成本和能耗的增加。另外，为了避免传统UPS设备故障率高和UPS设备冗余带来的成本、能耗高等问题，国内很多数据中心规模部署了240 V直流电源系统。所以，如何正确应用不同的供配电方案，为客户提供安全、可靠、节能的绿色电源为首要任务。

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TP308

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.055

2095－6835（2020）08－0126－02

〔编辑：张思楠〕