不同等级数据中心供电系统和配电系统的配置架构

2024-01-30陈柯羽

通信电源技术 2023年20期

陈柯羽

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

1 不同等级数据中心的差异性

数据中心作为现代社会信息处理和存储的核心设施，其设计、运营以及维护的复杂性不容小视。为了衡量和分类数据中心的基础设施功能性与可靠性，美国电信行业协会（Telecommunications Industry Association，TIA）和Uptime Institute 等机构提出了数据中心等级（Tier）的概念[1]。根据这种划分，数据中心可以被归为4 个等级：Tier I、Tier II、Tier III 和Tier IV，每个等级都有其特有的设计、冗余以及可靠性要求。

Tier I 数据中心是最基本的等级，通常没有冗余的设备或系统，仅适用于处理非关键的业务任务。这类数据中心可能会面临较高的停机风险，因为任何设备的故障都可能导致服务中断。供电系统和配电系统的配置相对简单，可靠性与能效相对较低。

Tier II 数据中心在某些关键设备和系统上有冗余设计，可以提供更高的可靠性和维护性。然而，这类数据中心仍然可能在某些系统更新或维护期间面临停机的风险。它们的供电系统和配电系统比Tier I 数据中心更复杂，提供了更好的能效和可靠性。

Tier III 数据中心在所有关键设备和系统上都有冗余设计，可以在不影响服务的情况下进行系统维护和更新。它们的供电系统和配电系统设计更为复杂，可靠性与能效进一步提高。此外，Tier III 数据中心还提供了双路电源，进一步提高了系统的冗余性和可靠性。

Tier IV 数据中心是最高等级，拥有全面冗余的设备和系统，以及强大的故障容忍能力，其供电系统和配电系统是最复杂的，可提供最高的可靠性与能效。此外，Tier IV 数据中心还设计有多种故障转移路径，可以在任何设备或系统故障的情况下，无缝切换到备用设备或系统，以保证服务的连续性。

数据中心的等级提升，不仅意味着其供电系统和配电系统的复杂性与冗余性增加，而且还意味着其运行和维护的成本提高。因此，数据中心的设计者和运营者需要根据业务的关键性、可接受的服务中断时间、预算和能源效率等因素来决定适合的数据中心等级[2]。总体来说，不同等级的数据中心在供电系统和配电系统的设计、配置以及运营方面有显著的差异。这些差异直接影响了数据中心的可靠性、冗余性、可维护性和能效。

2 不同等级数据中心供电系统和配电系统的配置架构

2.1 Tier I 数据中心的供电系统和配电系统

Tier I 数据中心是基础设施最简单的数据中心等级。这种类型的数据中心通常只有一个路径为其所有IT 设备提供电力。由于没有冗余设计，任何电力系统的故障都可能导致服务中断。其供电系统通常包括一个主配电板，直接从供电网获取电力，然后通过分配线路向所有IT 设备供电。在配电系统方面，一般使用基础的配电设备，如配电板和电缆。由于系统简单，维护相对容易，但可靠性和能效相对较低。

2.2 Tier II 数据中心的供电系统和配电系统

Tier II 数据中心在供电系统上具有一定的冗余设计，包括备用发电机和不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）。这些设备可以在市电断电时提供临时电力，避免服务中断。然而，这些设备仍然通过单一路径连接到IT 设备，因此在进行设备维护或升级时，仍然可能需要暂时停机。在配电系统方面，除了基础的配电设备，还可能包括一些冗余的设备，如备用配电板和电缆。

2.3 Tier III 数据中心的供电系统和配电系统

Tier III数据中心的供电系统具有完全的冗余设计。除了备用发电机和不间断电源，还包括双路电源系统，可以在一条路径故障时，通过另一条路径向IT 设备供电，从而提供更高的可靠性[3]。此外，这些路径设计成互相独立的，可以在不影响服务的情况下进行设备维护和升级。在配电系统方面，除了基础和冗余的配电设备，还包括自动转换开关（Automatic Transfer Switching，ATS）和电源分配单元（Power Distribution Unit，PDU），用于自动切换电源路径与精确控制电力分配。

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2.4 Tier IV 数据中心的供电系统和配电系统

Tier IV 数据中心是供电系统最复杂和可靠的数据中心等级，不仅具有全面的冗余设计，而且包括多种故障转移路径，可以在任何设备或系统故障的情况下，无缝切换到备用设备或系统。此外，所有设备和系统都设计为容错，即使在设备或系统故障的情况下，也能继续提供服务。在配电系统方面，除了基础和冗余的配电设备、ATS 以及PDU，还包括静态转换开关（Static Transfer Switch，STS）和配电管理系统（Distribution Management System，DMS），用于自动、快速且精确地切换电源路径和管理电力分配[4]。

供电系统的设计和配置对数据中心的运行至关重要。在Tier I 数据中心，由于没有冗余设计，电力系统的任何故障都可能导致服务中断。而在Tier II 数据中心，尽管有备用发电机和UPS，但由于仍然只有单一路径，因此在进行设备维护或升级时，可能需要暂时停机。综上所述，不同等级的数据中心在供电系统和配电系统的配置架构、冗余设计以及可靠性方面具有显著差异，这些差异不仅直接影响了数据中心的运行，也对其设计和维护提出了不同的要求与挑战。

3 不同等级数据中心供电系统和配电系统的对比分析

3.1 可靠性对比

数据中心的可靠性主要取决于其供电系统和配电系统的设计与配置。在这个方面，Tier IV 数据中心具有最高的可靠性，因为其供电系统和配电系统都有全面的冗余设计与多种故障转移路径。Tier III 数据中心的可靠性次之，其供电系统有双路设计，可以在一条路径故障时，通过另一条路径向IT 设备供电。而Tier II 和Tier I 数据中心的可靠性相对较低，因为它们的供电系统只有单一路径，任何电力系统的故障都可能导致服务中断。

3.2 冗余设计对比

冗余设计是提高数据中心可靠性的重要方式。在供电系统方面，Tier IV 和Tier III 数据中心都有全面的冗余设计，包括备用发电机、不间断电源以及双路电源系统。而在Tier II 数据中心，只有备用发电机和不间断电源，没有双路电源系统。在配电系统方面，Tier IV和Tier III数据中心除了基础和冗余的配电设备，还包括自动转换开关和电源分配单元，用于自动切换电源路径和精确控制电力分配[5]。而在Tier II 和Tier I 数据中心，配电系统的冗余设计较少。

3.3 维护性对比

数据中心的维护性主要取决于其供电系统和配电系统的设计与配置。在这个方面，Tier IV 和Tier III数据中心具有较高的维护性，因为它们的供电系统和配电系统都设计为可以在不影响服务的情况下进行设备维护与升级。而在Tier II 和Tier I 数据中心，由于其供电系统只有单一路径，因此在进行设备维护或升级时，可能需要暂时停机。

3.4 能效对比

数据中心的能效主要取决于其供电系统和配电系统的设计与配置。在这个方面，Tier IV 和Tier III数据中心的能效通常优于Tier II 和Tier I 数据中心。这是因为高等级数据中心的供电系统和配电系统通常使用更先进的技术与设备，如高效的不间断电源和电源分配单元，以及精确的电力管理系统，可以减少电力损耗和提高能源利用率。然而，高等级数据中心的运行和维护成本也更高。