数据中心低压配电系统设计

文｜世源科技工程有限公司 李 杰

进年来，随着国内数据中心业务的飞速发展，同时，大部分数据中心均承载着非常重要的数据业务的存储，业务对供电的可靠性和可用性要求越来越高。

在数据中心的供配电系统设计中，满足规范的前提下，对机房设备的供电方案有很多种，无论中压系统、低压系统（包括UPS系统）均有不同的配电形式，这就需要设计人员做一些方案比较，针对不同要求、不同情况做出最合理的供配电方案。本文只针对数据中心低压配电系统进行一些论述，为大家做一个参考。

1 变压器配置方案

1.1 N系统

此系统为一对一的形式，即单独一台变压器单独出线，系统如图1所示。

图1

这种系统优点是系统简单；节省造价。缺点是可靠性低，因为设备没有备用，当设备检修或设备线路故障时将中断供电，在国家标准《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174-2008）内我们可以看到，此系统只适用于C级机房。

1.2 N（1+1）系统

此系统为变压器互为备用形式，即平时各自带不超过变压器额定容量50%的负载运行，当某一台变压器故障或检修时，通过闭合母联开关，由另一台变压器负担全部负载，系统如图2所示。

图2

这种系统缺点是造价及基本电费高；变压器平时负荷率较低，绝大部分时间变压器负荷率均不超过50%。优点是系统简单；供电可靠性高；若允许合环倒闸，则可实现不停电检修和维护；操作简单。在国家标准《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174-2008）内我们可以看到，此系统适用于A、B级机房。

在实际设计中，经常把这种系统两台变压器和变压器后供电设备进行物理分隔，即放置于相邻的两个房间内，房间之间做足够的防火措施，只通过母线将两台变压器之间做联络。这样，当某一个房间有火灾发生时，可以将火灾房间内设备停止供电，而另一个房间内的设备可以继续以小于100%负荷率进行供电。目前这种形式在数据中心低压配电系统中被广泛应用。

1.3 N+1系统

此系统为某一台变压器同时作为另外几台变压器的备用，系统如图3所示。

图3

这种系统优点是因为变压器数量减少，所以可以减少基本电费；且变压器负荷率比较合理，除备用变压器平时无负载外，其余变压器平时均可按正常合理值设计容量。缺点是可靠性比N（1+1）略低；每台变压器前均需设置中压ATS或中压互锁断路器。

笔者认为此系统适用于单层面积较大，即变压器均设置在同层的情况，因为目前数据中心内变压器容量较大，变压器间母线容量也较大，大容量低压母线跃层设置并不十分合理，而且增加了投资和维护成本。

同时，在目前的国家标准《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174-2008）内并没有对此系统进行描述，即严格按照目前国标规定，C级机房使用浪费，A、B级机房使用又不满足标准。据笔者所知，这种系统在国外使用较多，在合理配置UPS系统的前提下，可以满足（美国国家标准学会2005年批准颁布的《数据中心电信基础设施标准》TIA 942标准，本标准由美国电信产业协会和TIA技术工程委员会编写）内TIER 4级机房（此标准机房最高等级）的使用要求，且TIA 942内未针对变压器做出具体规定。

综上所述，笔者认为除非是使用方要求使用此系统，目前不建议国内机房设计中采用这种低压配电系统。

2 UPS配置方案

2.1 N系统

此系统没有备用UPS，即满足UPS负荷率70%左右的情况下，计算需要N台UPS即设置N台UPS，系统如图4所示。

图4

这种系统优点是系统简单、维护简单；UPS效率高；投资低。缺点是需增加负载控制装置，以避免单台UPS负载过高；IT设备均由同一组UPS供电，存在单点故障；UPS没有备用，可靠性低。在国家标准内此系统只适用于C级机房。

2.2 N+X冗余系统（X＝1～N）

此系统有1～N台备用UPS，即满足UPS负荷率70%左右的情况下，计算需要N台UPS，设置N+X（X＝1～N）台UPS，系统图与N系统一致（如图4所示），只是增加了X台备用UPS。

这种系统优点是系统简单、维护简单；投资较低。缺点是需增加负载控制装置，以避免单台UPS负载过高；IT设备均由同一组UPS供电，存在单点故障；UPS有备用，UPS均正常时效率较低，可靠性高于N系统。在国家标准内此系统适用于B级机房。

目前，在多数数据中心设计中，我们一般采用一台备用，即N+1台UPS。

2.3 2N或2（N+1）冗余系统

此系统为两组UPS互为备用系统，平时每台UPS负载率均小于50%，当一组UPS故障或维护时，另一组UPS可以承担全部负载，系统如图5所示。

图5

这种系统优点是系统简单、维护简单；可靠性高；无单点故障。缺点是投资高、UPS均正常时效率较低；在国标内此系统适用于A级机房。

在实际设计中，经常把这种系统与变压器N（1+1）系统结合使用，即两组UPS放置于不同的两个房间内。当某一个房间有火灾发生时，可以将火灾房间内设备停止供电，而另一个房间内的设备可以继续以小于100%负荷率进行供电。目前这种型式在数据中心UPS配电系统中被广泛应用。

2.4 DR动态冗余系统

此系统为N组（N＞2）UPS互为备用系统，平时UPS负载率均可以大于50%，当其中一组UPS故障或维护时，另外N-1组UPS可以平均将此组UPS所带负载承担下来，系统如图6所示。

图6

这种系统优点是可靠性高；无单点故障；UPS均正常时效率较高；投资较2N系统减少。缺点是系统相对复杂。

笔者认为在实际设计中，这种系统适用于单层面积较大的数据中心，否则，跃层电缆过多将会造成维护困难；而容量较小的机房没有必要设置多组UPS。同时，因为现在很多IDC机房（互联网数据中心，就是电信部门利用已有的互联网通信线路、带宽资源，建立标准化的电信专业级机房环境，为企业、政府提供服务器托管、租用以及相关增值等方面的全方位服务。）均为分期设置，即土建部分先建造到位，先按预期的电量预留好配电间的面积，但是只先购置一部分用电设备，当业务量逐渐增加时，才会分期购置其余用电设备，这种情况下，就不适合用此系统。

2.5 RR后备式冗余系统

此系统为N组（N＞2）UPS互为备用系统，平时UPS负载率均可以按UPS最高效率设计，当其中一组UPS故障或维护时，即可使用备用一组UPS将此组UPS所带负载承担下来，系统如图7所示。

这种系统优点是可靠性高；无单点故障；UPS均正常时效率高。缺点是投资高；系统复杂。

此系统可靠性略低于2N和2（N+1）系统，笔者认为此系统设置时过于复杂，不利于后期维护，且在实际使用中，与DD系统相同，有部分局限性，在目前设计中此种系统使用较少。

3 结束语

国内数据中心目前处于一个高速发展的阶段，大量数据中心项目在规划、设计、使用当中，确定合理的供配电方案，可以使系统更可靠，同时，可靠的系统必定需要足够的设备支持，所以如何在尽可能节省投资的前提下满足规范和使用要求，这就需要设计人员确定出最合理的设计方案。随着设备的发展，可能会有更合理、更可靠的系统出现，这将是一个需要长期探讨的课题。笔者在此仅希望通过列举目前常用的低压配电系统，为各位同行提供一些可供对比的方案，希望会对大家有所帮助。

图7

1 《电子信息系统机房设计规范 》（GB 50174-2008）.中国计划出版社，2009