A级数据中心制冷系统配电方案探讨

朱 发 熙

(中通服咨询设计研究院有限公司, 江苏 南京 210019)

0 引 言

数据中心对安全可靠性要求很高,A级数据中心不能存在单点故障,在IT设备运行期间,基础设施应在一次意外事故(操作失误、设备故障、正常电源中断等)后或单系统设备维护或检修时仍能保证系统正常运行[1]。这对数据中心各组成系统的可靠性提出了很高要求,而制冷系统是数据中心众多子系统中的关键子系统[2]。A级数据中心制冷系统的冷冻机组、冷冻/却水泵、冷却塔以及机房专用空调都按照N+x冗余设置,其中x为冗余数量,x=1～N,即任意情况下只要不超过x台设备同时故障,就不会影响IT设备的正常运行[1]。

制冷系统的配电方案应契合系统运行逻辑,在满足规范的前提下需要兼顾可靠性和经济性,既不能因节省投资造成单点故障,降低制冷系统的安全可靠性,也不能过度强调某个子项的安全性。因为数据中心整体安全性是由各组成系统的“短板”决定的,单独拔高某一个子项不增加整体可靠性,反而会因过度设计造成不必要的投资浪费。

1 冷源系统配电方案

数据中心有多种冷却方式,按照制冷方法可以分为机械制冷和自然冷却,其中机械制冷又可以分为风冷冷冻水系统、风冷直膨空调系统、水冷冷冻水系统和集中冷却水系统等架构;自然冷却包括新风、空气板换、蒸发冷却以及液体冷却等技术。按制冷机组的电压等级来划分,又可分为10 kV和0.4 kV两种[2-3]。不同冷源形式其制冷系统架构不一样,对应的配电方案也不尽相同。

1.1 10 kV冷源配电方案

随着数据中心单体规模越来越大,单台制冷机组容量也在变大,当单台机组功率超过900 kW而又不高于1 200 kW时,宜采用高压供电;当单台机组功率大于1 200 kW时,应采用高压供电[4]。

常用的10 kV制冷机组配电方案有两种,为了阐述方便,下面以按3+1(3台主用,1台备用)空调系统进行说明。单台冷机设1台10 kV ATS方案如图1所示。单段10 kV母线带1台冷机方案如图2所示。

每台10 kV制冷机组前端加一台ATS,任意一段10 kV母线因故障退出运行,通过制冷机组前的ATS切换,另外一段母线能带全部10 kV制冷机组,不会影响10 kV制冷机组的正常供电,这种方案逻辑简单,但需要较多昂贵的10 kV ATS设备和10 kV出线柜,配电设备多了,相应配电用房的面积也需要增加。

图1 单台冷机设1台10 kV ATS方案

图2 单段10 kV母线带1台冷机方案

另一种常用方案把每台10 kV制冷机组分配到每一段10 kV母线上,这样任何一段母线出现故障,只有1台10 kV制冷机组会被影响,而由于空调按照N+1原则配置,任何1台设备退出运行,不影响系统正常运行,因此同样满足规范。这种方案的好处是不需要10 kV ATS设备,同时10 kV母线高压出线柜数量只需要前一种方案的一半,但是这种方案的应用场合有限制条件,那就是高压系统母线段的数量要超过10 kV制冷机组的台数,不然本方案无法采用。

对于N+1系统而言,1台冷机退出运行不影响整个系统正常运行,是可以接受的,因此可以综合前两种方案的特点,即单段母线带1台冷机和单台机组前加ATS,改造出一种新的既满足安全可靠性又降低投资的配电架构,N-1组设置10 kV ATS方案如图3所示。由图3可见,一段母线故障只影响1台冷机,其他的冷机可以通过ATS切换转到正常运行的母线保障供电,因此不会影响数据中心的安全可靠性,但显著减少了10 kV ATS的数量,相比图1的方案,ATS和高压出线柜减少了50%,3种10 kV冷机配电方案对比如表1所示。

图3 N-1组设置10 kV ATS方案

表1 3种10 kV冷机配电方案对比表

从表1可知,无ATS是最经济的,但在条件有限制不能采用该方案时,采用基于N-1原则配置ATS的方案相对较优。

N+x(x>1)系统因为x台设备同时故障不影响系统运行,可以将x台冷机作为一个整体对待,比如单段母线下挂x台冷机或者单台ATS下挂x台冷机,其配电架构与N+1系统类似。

1.2 低压冷源配电方案

制冷系统内有很多低压设备,包括制冷机组、冷却/冻水泵、冷却塔等,同样以3+1系统为例阐述这些设备的配电方案。

这类设备最常用的配电方案是单台设备配置1台ATS,单台设备带ATS方案如图4所示。这种架构有很多缺点,投资大,需要很多ATS设备和电缆,大量的ATS会给后期运维增加很大难度。因为冷水机组、冷却水泵和冷却塔是成组运行的,三者中任一设备因断电退出运行,整个循环就会中断,剩下的设备即便有电源保障也没有意义。因此如图4所示的架构可以采用成组配电的理念改进,单组设备带ATS方案如图5所示,由图5可见,这种方案可以大幅度减少ATS数量和电缆长度,降低建设投资。

利用前述N-1策略,可以在图5所示的基础上进一步改进,改进后的N-1组设置0.4 kV ATS方案如图6所示。由图6可见,在不影响整体安全可靠性的基础上,供电系统被进一步简化,ATS的数量被压缩到极致。低压冷源配电方案对比如表2所示。

图4 单台设备带ATS方案

表2 低压冷源配电方案对比

图6 改进后的N-1组设置0.4 kV ATS方案

从表2可知,成组配电理念可以简化配电架构,叠加N-1配置ATS策略,能在满足可靠性要求的基础上实现最大化节约建设成本,并降低后期运维的难度和工作量。

2 末端系统配电方案

根据空调末端设置位置的不同,可以把空调末端分为房间级、列间级和机柜级[5-6]。不同空调末端型式配电方案不同,但不管哪种型式,都需要两路独立电源,其中一路为市电电源,另一路为不间断电源,且这两路电源需来自两台互相独立且互为备用的变压器。

2.1 房间级空调配电方案

房间级空调一般设置在机房一侧或两侧专门的空调区域内,通过上送风或下送风方式给需要制冷的区域输送冷量。

对N+x系统,如果x取1,N+1配置的房间级空调配电架构图如图7所示,不能有超过1台空调同时断电,因此每台房间级空调需配置1台ATS,ATS前端两路电源要求分别来自本机房设置的市电总箱和UPS电总箱。有些房间级空调内部集成双电源转换设备,对于这类空调,直接送入一路市电和一路UPS电即可。

图7 N+1配置的房间级空调配电架构图

对x大于1的系统,采用单台空调设置ATS的方案,虽然满足规范,但这种配电架构并不经济。因为允许有不超过x台设备同时断电,可以x台设备共用1台ATS,这样可以有效减少ATS的数量,对于内部集成双电源转换设备的房间级空调,可以采用链式配电方案,将x台设备串在一起配电,节省前端总箱的出线开关和电缆。N+x(x>1)配置的房间级空调配电架构图如图8所示。

图8 N+x(x>1)配置的房间级空调配电架构图

2.2 列间级空调配电方案

不管是列间空调末端还是顶置空调末端,一般需要配套冷(热)通道封闭措施。在每个通道内配置N+x个末端,只要不超过x个列间级空调同时故障,就不影响单个通道内IT设备的正常工作。N+x列间级空调配电架构图如图9所示,单台ATS可以给不同通道内不大于x个设备同时供电,任何一台ATS故障,最多影响单个通道x台空调,因此并不会影响整个通道的正常运行。

图9 N+x配置列间级空调配电架构图

行业内最常用N+1系统,对图9的配电架构图进行简化,N+1配置列间级空调配电架构图如图10所示。

图10 N+1配置列间级空调配电架构图

2.3 机柜级空调配电方案

机柜级空调末端将冷量深入单个机柜内,其或安装于机柜前面或安装于背面,且与机柜结合为一体。

当前行业内主流的机柜级空调末端均可接受双路电源接入,因此只需在每个机房内设置2个相互独立的电源总箱,1个市电总箱和1个UPS电总箱,每个空调末端分别从2个总箱接入1路电源即可,机柜级空调配电架构图如图11所示。

图11 机柜级空调配电架构图

3 群控系统配电方案

群控系统是制冷系统的大脑,负责对制冷系统进行监视和控制,不仅可以显示系统内设备的运行状态,同时可以对各设备进行控制。为了确保群控系统供电安全,行业内目前的常用做法是采用一路市电加一路UPS电源保障,并在末端设置ATS,但实际上ATS切换的时间较长(远超过控制设备容许的10 ms),单路电源故障时电源转换过程中会影响控制系统运行,因此建议采用双路UPS保障,并在末端设置STS。

4 结 语

对于10 kV冷水主机,采用单段10 kV母线带1台主机的方式是最经济的,避免采用昂贵的10 kV ATS并且减少。10 kV出线柜和电缆的数量,但在条件不具备时,也可以采用N-1原则设置ATS的方式,减少10 kV ATS的数量,有效降低投资和运维工作量。

可以把低压的制冷机组、冷却水泵以及冷却塔等成组运行的设备集中配电,并按照N-1的方式设置ATS,同样可以有效地降低该部分的投资,并方便运维。

对于N+x配置的空调系统而言,当x大于1时,可以将x台设备编成一组共用1台ATS,减少了ATS数量,降低建设投资和运维工作量。

对于空调群控系统而言,建议采用双路UPS电源保障,并在末端配电箱设置STS,避免电源转换过程群控系统不能正常运行。