煤矿模块化数据中心机房供电设计与研究

［摘 要］文章以某煤矿数据中心机房供电设计为例，探讨了模块化供电方式在实际应用中的背景、设计内容及优势。研究表明，模块化供电方式不仅确保了煤矿数据中心机房的安全稳定运行，还有效解决了位置偏僻、供电质量低等问题。

［关键词］模块化；数据机房；供电设计

［中图分类号］TP308 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）04–0076–03

1 模块化数据中心机房供电优势

模块化数据中心具有灵活、易扩充等优点。采用模块化的设计方法，电力供应系统能够快速布署，高效运行，便于维护，为企业带来更大的商业发展机遇。

（1）模块化供电网络可以通过预整合、预测试来降低网络建设的复杂度，降低建设周期，提高新建数据中心的运行速度。此外，当电力消耗不断上升时，只需加入更多的电源模组，就能扩大供应容量，而不必重新构建整体的电源架构。

（2）模块化电源一般采用先进、有效的电源变换技术，以提高能量利用效率，降低能量浪费。这样既可以减少能耗，又可以减少环境污染。

（3）模块化的设计使得供电系统可以方便地对某一种功率模块进行维修或更换，与常规供电方式相比，降低了维修风险，缩短了数据中心的停工期。且模块化供电方式按实际需要进行供电，既可以避免过多的投入，又可以最大限度地优化维修费用，具有明显的性价比。

（4）在软件模块化设计中，要考虑冗余因素，提高系统的可靠性。当某个模块发生故障时，其他模块仍能正常运行，从而保证了数据中心的持续供电。

总体来说，模块化数据中心机房具有更大的灵活性，电源供应系统可以根据不同的环境情况进行设计，以更好地满足不断变化的布署需求。

2 案例分析

2.1 背景简介

煤矿数据中心机房是煤矿安全的指挥中枢，与普通的信息室不同，其有完整的调度指挥系统和监测系统。因为煤矿所处的位置通常比较偏僻，所以供电质量比较低，再加上煤矿的生产设备比较多，部分功率比较大的设备的启动和关闭，都会造成供电系统较大的电压波动。因此，调度供电系统主要由干线供电（包括双回路供电）、恒压供电系统、 UPS 系统和后端的配电系统组成，以确保数据中心机房设备的安全性。干线供电系统采用双回路设计，确保一条线路故障时，另一条能立即接管，保障供电连续性，降低潜在风险。恒压供电系统自动调整电压输出，确保设备在稳定电压环境下运行，延长设备寿命。UPS 系统为数据中心提供紧急电力支持，在市电中断或不稳定时，迅速切换至电池供电，确保设备正常运行，为管理员提供故障排查时间。后端配电系统根据设备需求合理分配电力，确保供电均衡高效，同时提供过载和短路保护，防止设备损坏和火灾风险。针对机房规模庞大、用电负荷大的特点，采用模块化UPS双总线供电方式，以增强系统的可靠性与容错性。

2.2 模块化数据中心机房供电设计

模块化数据中心通过对核心部件进行标准化设计，使其能够根据需要进行快速扩充和配置。对于模组化的资料中心而言，电源设计是保证模组化资料中心连续可靠运作的重要因素。某煤矿模块化数据中心机房供电设计如图1 所示。

2.2.1 电源容量

在该矿模块化数据中心机房中，每个模块化UPS系统都拥有精心设计的电池组和逆变器，这些核心部件的布置和功能，为整个供电系统的可靠性和稳定性提供了坚实的基础。

（1）从电池组布局上看，各UPS 组件均配备有独立的电池组，以储存电能或当系统出现故障或不稳定时作为应急备用。这就意味着，当发生停电时，模块化数据中心机房内的重要设备仍可依赖于此，以保证数据资产的安全性与可靠性。这些电池组都是经过仔细挑选和配置的，具有充足的能量和较快的充电速率，既能满足对后备电源的需求，又能在电网恢复正常供电之后，为下次应急救援做好准备。

（2）在逆变器配置方面，各模块UPS 均配置1 台独立的逆变电源。逆变器是将蓄电池中储存的直流电能转化为稳定的交流电能的核心部件。这一重要特性保证了该装置在断电时仍可持续运转，可防止因功率不足而造成的服务中断及资料遗失。本项目拟通过对逆变器进行优化设计，使其输出的交流电能既能满足数据中心对电能品质及稳定运行的要求，又能保障其在任意时间内的稳定供电。通过合理的配置，使UPS系统具有较强的独立供电能力，可以在电网发生故障或其他电源波动时，快速可靠地向UPS提供后备电源。通过本项目的研究，可以有效保障模块化数据中心的正常运营，减少电源失效对运营的影响，保证模块化数据中心的安全性和完整性。

2.2.2 电源质量

UPS 作为一种重要的供电方式，可以在电网停电或者电压波动的情况下，为设备的正常运转提供快速供电。UPS 是由蓄电池、静态开关、逆变装置等构成的系统，在监测到电网断电后，将自动切换到后备电源，从而使整个模块化数据中心的设备能够正常工作。不间断电源的设计与备份性能直接影响着整个模块化数据中心的运营稳定与设备安全，必须根据具体的应用需求，对其进行合理规划与配置。UPS 的配电回路（每个配电开关有一个回路）要按照不同的分布设置，如微型计算机、伺服器要有1 个独立的双回路供电，其他计算机则是一条带3～4 个插座的回路，并且固定在地上。将UPS的电源单独输送至主机房的配电箱（终端），具有可靠性高、操作简便等优点。

该机房将电力需求划分为两个独立的区域，即A区和B 区，每个区域配备1 个模块化UPS 供电系统。每个模块化不间断电源系统都是由多个组件构成，每个组件都具有独立的电池、逆变器，保证了电源的稳定，避免了故障的发生。并在此基础上，利用功率开关设备对两个分区进行冗余切换，达到双路供电的保护机理。在机房内，每个模组化的不间断电源系统都经过仔细设计，以应付电源变动及意外事故。每个模组中都含有1 个单独的电池组，当电网发生故障时，可以为系统提供持续、稳定的后备电源。另外，每个模组均装有1 个反相器，用以将储存于蓄电池之直流电转为交流电，以供伺服器与网路装置用电。在正常情况下，两套UPS 并联工作，以保证模块化数据中心机房的供电可靠性。但是，当其中一个组件出现故障时，另外一个组件会自动承担全部的负荷，从而保证系统的连续性，从而防止系统出现停电。同时，采用双总线供电方式和功率开关设备，提高了供电系统的可靠性。当某一地区的不间断电源出现故障时，其他地区的不间断电源可以进行无缝供电，从而保证了数据中心内设备的正常运转。

2.2.3 分布式电源供应

分布式供能是将供能部件与用电设备保持一定距离的供电模式。在传统的集中式供电模式下，电力必须由1 个中心点向各用电设备传输，易损耗电能，导致能源浪费。

针对现有供电模式存在的不足，本项目提出分布式供能方案，通过将供能单元设置在用户附近，从而缩短电能传输路径，降低电能损耗，降低电能损耗，提升能量传输的可靠性。其中，配电网单元（PDU）起着至关重要的作用。PDU 是集电源管理、功率测试、远程监测与控制于一体的配电装置。采用PDU 技术，可将电能直接送至用电设备，缩短了传输距离，减少了能量消耗，减少了线路阻抗损失。利用分布式供电方式，可以有效地提高输电效率，减少输电线路的损耗。另外，由于采用了短距离供电方式，可以减小供电电压的畸变，提高供电品质和稳定度，减少电气设备的损伤。

另外，每个PDU 均具有远程监视与控制的功能，因此能够对各机柜的功率消耗、电压、频率等参数进行实时监控，从而能够及时地对各机柜进行故障诊断与维修，有助于实时把握各机柜的功率消耗状况，适时进行功率调配，提升能效，实现节能环保。另外，在故障维修中，分布式供电策略能为用户提供精确的电力消耗及故障诊断信息，有助于迅速定位故障点，缩短停电周期。

2.2.4 并行运行与容错能力

正常情况下，2 套不间断电源并联运行，可保证模块化数据中心机房的供电。并联运行的设计确保了电源系统既能适应大功率装置的需要，又能使负荷分布均匀，不会出现单机负荷过大的问题。同时，模块化的设计使得计算机室可以根据业务的发展增加附加的UPS 模块，从而提高系统的处理能力，提高系统的冗余性。但是，即便是平行运作，当某个模组失效时，另外一个模组仍可自动承担全部负荷。在此基础上，通过对电源品质及模块的运行状况进行实时监控，在出现故障时，系统能自动对故障模块进行隔离，同时备份开关设备能及时将负荷转移至运行中的模块。该方案可保证电力供应的持续稳定，并可降低单一模组失效所造成的业务中断及资料遗失之危险。同时，模块化双总线供电方式也使整个系统具备了很好的弹性和可扩充性，可以满足各种数据中心的需要，并能满足各种负荷的需要。在此基础上，可依据特定的机房负荷状况，增减模组数目，以达到所需的电源容量。这一柔性设计有助于数据中心更好地适应日益增加的能量需求，同时也保证了电力供应系统的容量和备用容量能够满足实际需要。

3 结束语

模块化数据中心供电系统凭借其灵活易扩展、降低建设复杂度、提高能量利用效率及系统可靠性高等显著优势，在煤矿数据中心机房等关键设施中发挥着至关重要的作用。通过模块化UPS 系统、双总线供电、分布式电源供应等创新设计，不仅确保了数据中心机房的稳定运行，也为企业的数据安全提供了坚实保障。模块化供电方式的成功应用，不仅展现了现代供电技术的先进性，也为未来数据中心的发展提供了重要借鉴。

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