数据中心机房供配电系统的可靠性研究

2024-05-13王贤

通信电源技术 2024年4期

王贤

（湖北邮电规划设计有限公司，湖北武汉 430023）

0 引言

数据中心是现代计算机系统集群化运作的重要物质载体，在全球化、信息化发展过程中的作用十分重要。目前，随着用户市场需求的变化、技术的不断发展创新、数据中心分级的精细化，对数据中心的保障能力也提出了更高的要求。因此，研究数据中心供配电系统的稳定性，对于提高机房后备电源保障时间、提高数据中心保障等级、增强数据的安全性有着十分重要的意义。

1 基本概念

数据中心是信息化的计算机机房，为信息化建设提供基础配套支撑，为各种业务提供安全稳定的数据支撑。数据中心机房中安装有大量高性能的设备，包括路由器、交换机、服务器等，要求供配电系统必须提供安全、稳定、实时的电源支撑保障。供配电系统涉及市电、油机、不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）/高压直流系统、电池组、列头柜/小母线、电力电缆、防雷、防静电等诸多环节，在前期规划设计时就要综合考虑弹性扩容、维护便利性、冗余和容错能力、经济性等诸多因素。数据中心在选择供电系统配置时，应根据不同负荷等级要求去选择合理、经济的供电系统配置。现行标准主要是《数据中心设计规范》（GB 50174—2017），可根据该标准分级数据中心的电子信息系统机房，具体为A（容错配置）、B（冗余配置）、C（基本配置）。此外，数据中心的设计应该针对不同级别与不同情况确定不同的供配电系统要求，确保数据中心运转的可靠性和安全性[1]。

2 数据中心供配电系统存在的问题

传统数据中心机房的供配电系统涉及市电、油机、交流UPS、蓄电池组、列头柜等多个环节。本节主要就交流UPS、蓄电池组、列头柜等环节存在的问题做具体分析，并提出一些优化技术方案。

2.1 交流UPS 供电存在的问题

传统机房往往采用交流UPS 供电，但交流UPS电源系统目前存在着很多问题，如单点故障点无法解决、可靠性和效率不高等，具体总结如下。

2.1.1 系统可靠性低

安全供电存在单点故障瓶颈，UPS 系统的蓄电池不能直接给负载供电，而要先转换，即通过逆变模块转换成交流电后输出。在此过程中，交流UPS 供电系统存在静态开关、输出切换开关、逆变模块等多个可能发生故障的节点，这些节点若发生故障则可能导致系统掉电、宕机、瘫痪。其中，逆变模块为关键部分，不能出故障。另外，一旦UPS 主机发生过载保护切换到备机，备机由于发生瞬间浪涌也会同时将过载保护自动切换到旁路，严重时可导致多台UPS 设备同时宕机。UPS 在工作过程中要保证其输入和输出的稳定性与连续性，如果UPS出现异常情况或者出现故障，就需要及时对其进行维修和维护[2]。对于过去有人值守的机房尚可立即处理，但在无人值守机房，一旦UPS 主机发生宕机或故障，恢复时间长，危害性很大。

2.1.2 整体效率低

按照相关行业规范的规定，UPS 系统的负载率一般都限制在80%以下。如果是N+1 冗余模式或2N独立双系统模式，则单机负载率更低。另外，考虑到业务的远期发展规划，一般供电系统都按最终容量设计，使得单机实际负载率大多数时间只有20%～30%，整机效率较低。

2.1.3 维护及扩容难度大

交流UPS 扩容往往涉及多个因素，如UPS 系统的电压、频率、相位、相序等，而直流电源系统扩容只涉及电压参数。因此，交流UPS 每次在线扩容都存在风险，严重时甚至导致整个系统掉电瘫痪。另外，交流UPS 存在并机同步要求高、电器元件老化导致的系统中断、系统组成复杂的问题。

2.2 传统铅酸蓄电池性能差

UPS 作为数据中心供电质量的核心部分被重点关注，其中蓄电池又是整个供电系统的“最后一道屏障”，担负着市电停电后至油机启动前阶段的供电保障，需要很高的放电性能和稳定性。UPS 系统蓄电池的后备时间通常为15 ～30 min，具体参照不同级别数据中心对于后备电池的放电时长要求。目前，多数数据中心采用普遍浮充备用型铅酸蓄电池，电池容量与体积大、能量密度低、高功率放电性差、寿命短，这些问题都制约了绿色数据中心的发展[3]。

2.3 传统列头柜建设弹性不足

目前，数据中心机房建设往往采用“列头柜+电缆”的末端配电方式，存在弹性不足、难以灵活调配电力资源的问题，常出现因客户机架功耗变化，导致需要改造整个系统，带来改造工期长、难度高、投资大等问题，且因电缆数量多，易在进线口堆积，导致美观性较差。

3 提高供电可靠性的技术措施

3.1 高压直流供电技术

传统的交流UPS 由整流器、逆变器、蓄电池、静态开关等组成，是AC-DC-AC 模式，有2 个变换环节。一是整流滤波（AC-DC）环节，二是逆变（DC-AC）环节。而高压直流则减少了逆变的环节，结构简单，可靠性更高。交流UPS电源系统如图1所示，高压直流电源系统如图2 所示。

图1 交流UPS 电源系统

图2 高压直流电源系统

高压直流供电技术相对于传统交流UPS 供电具有以下优点。一是供电可靠性大大提高，采用直流供电，不经过交流逆变，蓄电池可直接给负载供电，保障供电的不间断。系统结构简单，不存在同步问题，直流系统就算脱离控制模块，只要能保持输出电压的稳定性，也能够并联输出电能。二是工作效率提高，省掉了逆变环节（减少损耗2%～5%），电源效率提高。整流模块并联简单，可大量并联使用，模块的使用率高达70%～80%，比交流UPS 系统高了近一倍。三是系统可维护性增强，交流UPS 系统同步并机技术复杂，整机维护依靠厂家，而高压直流供电系统的维护简单，维护人员对直流系统也较为熟悉，可以自己维护，如可自行更换模块等，同时节省投资及空间。

但是，高压直流系统也存在对配电开关的灭弧性能要求较高、电缆线径增加（240 V）、相关的连接器及接地安全要求更高、用户的认可度暂时不高等缺点。这些问题在工程应用中也需要加以关注。

3.2 数据中心智能小母线

传统的列头柜配电形式不能适应功率弹性需求，电力利用率不高。相比之下，数据中心智能小母线采用铝合金外壳及铜排结构，使用年限在30 年左右；扩展性较好，插接箱可滑动，随时在线扩容；走线简洁直观，占用空间小。

智能小母线的主要组成部分一般包括始端箱（也叫端口箱）、母线槽主干、插接箱（也叫分接箱）、槽体连接件、铜排连接件以及末端盖[4]。考虑到供电安全性、可靠性、灵活扩展性、改造施工周期及投资经济程度等因素，可参考以下供电方案：一是一对多母线（出线选择最大电流开关，连接大电流密集母线，树干式供电，一根密集母线对应多个末端）+始端箱+小母线的方案；二是预留走线架（出线选择小电流开关，连接小电流电缆，放射式供电，一个开关对应一个末端）+始端箱+小母线的方案。

3.3 高功率电池

蓄电池是整个供电系统中最重要的组成之一，是供电系统的最后屏障，担负着市电停电后及油机启动前阶段的供电保障，对系统的稳定性起着至关重要的作用。

据不完全统计，规划设计的大型数据中心电池室占地面积往往占到总建筑面积的3%～10%。蓄电池技术的不断创新，如高功率铅酸蓄电池和铁锂电池等新型电池的应用，为蓄电池室的布局优化提供了解决思路。

其中，高功率铅酸蓄电池在新的数据中心机房建设中被广泛采用，它和普通铅酸蓄电池的部件组成与工作原理没有本质差异，但改进了结构设计、优化了工艺部分，性能大大提升。其15 min 充放电功率密度比普通电池提升了至少30%，效能的提升使得高功率铅酸蓄电池可以用较少的数量就满足后备放电需求，有效节省安装空间约30%。由于电池数量或容量的减少，可以有效降低电池的充入电量，配备的空调数量也会相应减少。同时，高功率铅酸蓄电池还具有高功率放电性能好、安全可靠性高、使用寿命长、产品一致性好等优点，适用于30 min 及以内高功率后备放电、环境温度为（25±5）℃的应用场景，如数据中心、通信机房等系统。

3.4 分布式电源技术

对于中小型数据中心而言，占地面积一般较小，特别是一些中小企业，数据中心都部署在办公楼内。在数据中心建设供电系统时，除了要考虑安全可靠、高效节能外，更需要综合考虑UPS 合理布局、高效利用机房面积、按需部署等，以降低企业的建设成本和运营成本。

分布式供电系统部署在IT 机柜中，其体积和重量都小于集中式UPS 供电系统，并且采用锂电池作为储能设备的分布式电源系统可以与IT 设备部署在同一区域，大大降低UPS 对楼面承重的要求。无须单独规划UPS 室和电池室，有效提升空间利用率；前期无须复杂规划，电源随IT 机柜统一部署，并且实现了电源与IT 设备的联动。一旦出现市电中断等异常情况，系统将在电池的电能耗尽之前自动关闭，防止异常关机导致系统数据丢失。

3.5 供电设备预制化和标准化

随着供电设备与技术的飞速发展，预制化和标准化也成为一大趋势，预制化供配电模组就是一种全新建设方式。设备在工厂进行预制和模块装运，然后在现场进行快速组装，这样就能够根据实际的需求，选取相应的模块，拼装成整体模组方案，主要有以下优势：

一是能够集成配电系统的各功能单元，所有组件由工厂预制、统一编码且拆卸与搬运灵活，在机柜、空调、电源、电池、配电等设备陆续到场前进行组装，简化供配电系统架构，提升用电效率以及系统可靠性[5]。二是传统的建设模式中，设备标准型号不统一，须现场进行电缆连接；而模组化标准设计采用工厂预制的铜排并柜连接，铜排的制作工艺、寿命及阻抗优于电缆连接，还可缩短整体工期、简化工程、实现快速部署。三是预制化模组可以内置智能监控管理系统，对系统进行统一的集中式管理，实时掌握系统的运行状况，可靠性较高。四是传统方式往往采用不同型号、风格的设备拼装，美观性较差，而预制化模组采用统一外观设计，美观性好。五是建设效率高，节约占地面积，经济性好。