A级数据中心配电系统架构探讨

2023-07-27任小佳

现代建筑电气 2023年5期

关键词：异构示意图数据中心

任小佳

(上海建筑设计研究院有限公司, 上海 200041)

0 引言

数据中心的信息通信是一个分等级的供电保障体系,不同的设备有不同的供电要求。未来的市场是一种细分的市场,各种不同的供电取决于不同的供电需求,发展的趋势是在数据中心建设中配电系统占地面积小、系统可靠性高、经济性好,从而提高整个系统可用性。

1 数据中心的配电设计特征

依据GB 50174—2017《数据中心设计规范》A级数据中心的基础设施宜按容错系统配置,在电子信息系统运行期间,基础设施应在一次意外事故后或单系统设备维护或检修时仍能保证电子信息系统正常运行[1]。

为了满足A级数据中心的容错能力,在单路电源发生故障时,另外一路的备用电源可以保证全部负荷的分配,也就是说,变压器的负荷率在50%以下。

A级数据中心配电系统中的配电室应进行物理隔离,两路配电路由在高需求的地方也要进行物理隔离,且不交叉,不同路由。

A级数据中心常用配电系统架构有2N系统(容错)、DR系统(分布冗余)、RR系统(后备冗余)。通常配电架构采用经典的2N配电架构。本文主要探讨2N架构和在2N基础上演变的新型配电架构。

2 数据中心配电经典2N架构

2.1 一组IT变压器的2N架构

2N系统架构示意图如图1所示。该结构包括两个双电源和柴油发电机组,机房内IT机柜分别由A/B两路不同的市电电源、配电变压器、不间断电源(UPS)进行供电,每个单元均能满足全部负载的用电需要,两个单元同时工作,互为备用。正常运行时,每个单元向负载提供50%的电能。当其中一个单元故障停止运行时,另一个单元向负载提供100% 的电能,此时运行的变压器的负载率为100%。

图1 2N系统架构示意图

一组IT变压器配电联络路由示意图如图2 所示。一组IT变压器通过母联连接,配电路由进行物理隔离,可满足A机房容错要求,通常作为数据中心平面布置方案。

图2 一组IT变压器配电联络路由示意图

2.2 数据中心两组IT变压器的2N架构

两组IT变压器的2N体系架构是一种典型的2N配电架构。两组IT变压器的2N系统架构示意图如图3所示。同一组IT变压器都是从A/B两个10 kV母线引过来的。两台变压器分别设于不同的配电室,同一个IT模块的变压器设置母联开关。正常运行时,每个单元向负载提供50% 的电能;当一个单元故障停止运行时,另一个单元向负载提供100%的电能,此时运行的变压器的负载率为100%。

图3 两组IT变压器的2N系统架构示意图

两组IT变压器通过母联连接,配电路由物理隔离,满足A机房容错要求,通常这作为数据中心平面布置方案。两组IT变压器配电联络路由示意图如图4 所示。

图4 两组IT变压器配电联络路由示意图

3 数据中心配电系统“异构”架构

两组原本可以完全不相干的配电系统以联络的方式将两组配电系统联络起来,暂且把它称之为“异构”架构。

3.1 “异构”母联切换配电系统

两组IT变压器的“异构”系统架构示意图如图5所示。两组IT变压器“异构”配电系统联络路由示意图如图6所示。“异构”是2N配电架构演变而来的,即将变压器的低压母联切换开关设置为变压器A1与变压器B2切换,变压器A2与变压器B1切换。正常运行时,每个单元向负载提供50%的电能;当一个单元故障停止运行时,如变压器A1单元链路故障或检修,模块一的IT负载由变压器B1和变压器B2单元各向负载提供50%的电能,模块二的IT负载由变压器A2和变压器B2单元各向负载提供50%的电能;变压器A2、B1、B2的运行负载率分别50%、50%、100%。IT负载依然是由两台不同路由的变压器供电,增强IT供电的可靠性。

图5 两组IT变压器的“异构”系统架构示意图

图6 两组IT变压器“异构”配电系统联络路由示意图

3.2 “异构”ATS切换配电系统

两组IT变压器的“异构”ATS切换架构图如图7所示。此方案不再设置低压母联开关,而是由两组不同的市电电源经过ATS切换完成后给UPS上端供电。正常运行时,每个单元向负载提供50%的电能;当一个单元故障停止运行时,如变压器A1单元故障或检修时,模块一的IT负载由变压器B1和变压器B2单元各向负载提供50%的电能,模块二的IT负载由变压器A2和变压器B2单元各向负载提供50%的电能。此时,变压器A2、B1、B2的运行负载率分别50%、50%、100%。IT负载依然是由两路不同的变压器供电。这种通过ATS切换方式更可靠,缺点是造价高、占地面积大。

图7 两组IT变压器的“异构”ATS切换架构图

两组IT变压器“异构”ATS切换架构平面路由示意图如图8所示。体现了ATS切换母线路由。ATS切换的方式比低压母联切换方式多一条母线,在设备上也需要多配置低压配电柜和ATS,此架构造价比较高,适用于金融机构等场所。

图8 两组IT变压器“异构”ATS切换

4 融合电力模块2N架构配电方案

融合电力模块式系统架构是通过顶部母排依次将变压器、进线母联柜、SVG柜、UPS、维修旁路柜、输出馈线柜等连接,同时配备管理系统。

本地智能管理系统把变压器、低压柜/馈线柜、UPS等设备的监控信息进行汇聚,在本地监控屏幕上统一显示电力模块各单元的电流、电压、频率、电能、谐波、负载率、开关状态、UPS状态及各节点温度,供用户直观地识别系统运行状态,并把信息上报给远端网管,供网管显示3D视图、电压/电流/电能等运行参数、链路图及故障影响分析、开关在线整定、开关健康度预测、UPS电容/风扇寿命检测、各节点温度预测及AI异常预警等,极大地提升系统运维效率[2]。

传统的数据中心配电系统与融合电力模块配电平面布置对比如图9所示。以4台UPS并机配置为例,融合电力模块减少了配电柜的数量,将UPS和配电系统高度融合,极大地节约配电室空间。

图9 传统的数据中心配电系统与融合电力

传统数据中心配电原理如图10所示。融合电力模块配电原理如图11所示。由图10和图11可知,融合电力模块取消了UPS的输入开关、静态旁路开关及UPS的输出开关。依据IEC 60364-4-43—1997标准及GB 16895.5—2012标准,分支回路长度不大于3 m内加保护器件[3]。

图10 传统数据中心配电原理

图11 融合电力模块配电原理

融合的电力模块通过高密UPS模块+极简隔离开关+熔断器将UPS输入输出配电与UPS融合成一柜,实现单柜满配开关。GB 16895.5—2012中关于保护器件设计的要求如图12所示。主回路S1通过保护电器P1提供保护,S1的长度不受限;对应来说,融合的电力模块的柜顶输入主铜排,受进线断路器保护,因此输入主铜排S1长度不受限制。此时分支回路从起点O至分支保护电器P2点B,这段长度S2≤3 m,供电回路短路保护仍可以提供短路保护直到P2装设处,符合标准。