現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

時(shí)間：2018-11-29作者：北京嘉銘恒達(dá)科技有限公司瀏覽：287

各種供電系統(tǒng)配置方法與性能比較

數(shù)據(jù)中心UPS供電系統(tǒng)所選用的設(shè)計(jì)方案會(huì)直接影響到所建的供電系統(tǒng)較終能否實(shí)現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)的目標(biāo)。長(zhǎng)久以來(lái),人們?cè)O(shè)計(jì)和建造UPS供電系統(tǒng)時(shí),把主要精力和關(guān)注的目標(biāo)放在對(duì)優(yōu)質(zhì)設(shè)備的選用上,卻忽視對(duì)供電方案的分析研究,其結(jié)果是,系統(tǒng)選用的設(shè)備是*的,而系統(tǒng)的可用性卻達(dá)不到設(shè)計(jì)預(yù)期的效果。

有多種供電方案已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心中使用,諸如并聯(lián)冗余、串聯(lián)冗余、分布式冗余、多路并聯(lián)總線、雙總線系統(tǒng)等,這些都是設(shè)計(jì)工程師或制造商賦予不同UPS配置方案的名稱(chēng)。這里將重點(diǎn)討論適用于數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)TIA等級(jí)III和等級(jí)IV的幾種典型的供電方案,并著重對(duì)可用性作出定量的分析比較。表3.3是各子系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備可用性的統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

集中式、區(qū)域式、分散式供電方案討論

數(shù)據(jù)中心用戶(hù)和設(shè)計(jì)者在規(guī)劃供電方案時(shí),通常忽略或不夠重視對(duì)方案的整體布局-集中式、局部式還是分散式的研究和討論。實(shí)際上因數(shù)據(jù)中心的規(guī)模不同、機(jī)房布局不同、維護(hù)水平不同、對(duì)可擴(kuò)展能力的要求不同等因素,供電布局方案有三種形式:

1

分散式供電方案

又稱(chēng)“點(diǎn)”式方案,其特點(diǎn)是在一個(gè)機(jī)房中,多個(gè)UPS系統(tǒng)分別地對(duì)各自的IT設(shè)備提供電源

2

集中式供電方案

整個(gè)機(jī)房只使用一臺(tái)或一套UPS系統(tǒng)為整個(gè)數(shù)據(jù)中心供電

3

區(qū)域式供電方案

分布式與集中式的折中,整個(gè)數(shù)據(jù)中心按機(jī)房布局或按IT設(shè)備功能被劃分為若干區(qū)域,每個(gè)區(qū)域由一臺(tái)UPS(或UPS并機(jī)系統(tǒng))集中地供電。

早期設(shè)計(jì)建造的數(shù)據(jù)中心多以集中式供電為主,造成這種現(xiàn)象的較主要的原因是用戶(hù)過(guò)分強(qiáng)調(diào)供電系統(tǒng)的維護(hù)。當(dāng)現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心對(duì)可用性、可擴(kuò)展性、易管理性、運(yùn)行成本等要求越來(lái)越高的情況下,就暴露出集中式供電的許多不利之處,何況在大功率數(shù)據(jù)中心中,集中式大功率供電系統(tǒng)需要多設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行,系統(tǒng)管理變得很復(fù)雜,維護(hù)工作難度越來(lái)越大,需要較高技術(shù)水平的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員從事維護(hù)工作。表3.4是三種供電布局優(yōu)缺點(diǎn)的比較。

典型的交流輸入不停電供電系統(tǒng)方案配置

很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái),人們認(rèn)為只要系統(tǒng)中配置了UPS設(shè)備,就可做到不間斷供電。實(shí)際上并非如此。UPS是靠電池儲(chǔ)能維持不間斷供電的,而電池能量是有限的,系統(tǒng)投入運(yùn)行后,電池容量是不允許再擴(kuò)容的。對(duì)于當(dāng)前要求必須連續(xù)運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心,UPS根本上不能保證系統(tǒng)不停電運(yùn)行,如果市電故障修復(fù)時(shí)間大于電池備用時(shí)間,系統(tǒng)照樣宕機(jī)。

特別是隨著IT功率密度的不斷提高,對(duì)于5kW功率密度的IT機(jī)架,市電停電后制冷系統(tǒng)也停止運(yùn)行,靠機(jī)房空間的冷量只能維持IT設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行1～2min,所以當(dāng)代的數(shù)據(jù)中心毫無(wú)例外的都要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮增加交流輸入的冗余配置。

        圖3.1是適合標(biāo)準(zhǔn)TIA等級(jí)III和等級(jí)IV的交流輸入系統(tǒng)框圖。


圖3.1電網(wǎng)市電+油機(jī)冗余輸入系統(tǒng)可用性模型

圖3.1,A1、A2、A3、A4、A5是設(shè)備的可用性,根據(jù)表3.2數(shù)據(jù),可計(jì)算出整個(gè)交流輸入系統(tǒng)的可用性為A=[1-(1-A5)×(1-A1×A2)]×A3×A4=0.99994101

油機(jī)是非常理想的交流能源,它與市電完全隔離,并且用戶(hù)可完全自主地配置和運(yùn)行維護(hù)。如果采用*二路市電代替油機(jī)(見(jiàn)圖中虛線所示),則要求兩路市電是完全獨(dú)立的,也就是說(shuō)兩路市電在發(fā)電、傳輸和運(yùn)行維護(hù)方面是完全隔離的,此時(shí)系統(tǒng)的可用性為A=[1-(1-A1×A2)2]×A3×A4=0.99994093

TIA等級(jí)III和等級(jí)IV的UPS的基本類(lèi)型

數(shù)據(jù)中心常用的UPS不停電供電系統(tǒng)的基本類(lèi)型有三種:“N”系統(tǒng)、并聯(lián)冗余“N+1”系統(tǒng)和并聯(lián)冗余“2N”系統(tǒng)。但是為了滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)TIA等級(jí)IV的要求,現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心大多采用了并聯(lián)冗余“2N”系統(tǒng),也稱(chēng)雙總線系統(tǒng)。

1

雙總線結(jié)構(gòu)

這里僅針對(duì)“2N”系統(tǒng)做些介紹和討論。圖3.2的典型結(jié)構(gòu)是完全獨(dú)立的較高可用級(jí)別的“2N”系統(tǒng),圖3.3則是“2N”系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),也成為“Δ2N”系統(tǒng)。

圖3.2典型的完全獨(dú)立的“2N”系統(tǒng)


圖3.3“Δ2N”系統(tǒng)

2

“2N”與“Δ2N”系統(tǒng)的共同點(diǎn)

①對(duì)雙輸入電源負(fù)載來(lái)說(shuō),兩條供電線路是冗余的;  

②具體到兩條線路中,市電(+變壓器)與油機(jī)、輸入ATS、UPS輸入配電、UPS系統(tǒng)、UPS輸出配電、列頭柜等所有環(huán)節(jié)和設(shè)備都是一一對(duì)應(yīng)冗余的;  

③兩條供電線路是完全隔離的,只有ATS才是兩條路徑共用的設(shè)備,但是這種類(lèi)型的設(shè)備是靠機(jī)械觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換的,所以仍有非常好的隔離功能;  

④兩個(gè)UPS系統(tǒng)完全獨(dú)立運(yùn)行,相互隔離,沒(méi)有同頻同相和同幅的要求;  

⑤*將負(fù)載轉(zhuǎn)換到旁路模式,即可對(duì)UPS、開(kāi)關(guān)裝置和其他配電設(shè)備進(jìn)行維護(hù);  

⑥兩種方案所有UPS的總?cè)萘渴窍嗤摹?/span>

3

“2N”與“Δ2N”系統(tǒng)的差別

①相對(duì)圖3.2的“2N”系統(tǒng)而言,圖3.3的“Δ2N”系統(tǒng)可選用容量較小的設(shè)備,對(duì)于相同容量的數(shù)據(jù)中心,兩個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備容量比為3:2,所以圖3.3的“Δ2N”系統(tǒng)對(duì)大容量數(shù)據(jù)中心“區(qū)域性”供電方案具有靈活性;

②對(duì)于整個(gè)數(shù)據(jù)中心而言,如果圖3.3的“Δ2N”系統(tǒng)的三路負(fù)載并不是孤立的,也就是說(shuō)三路負(fù)載中任意一路因供電故障而宕機(jī)時(shí),整個(gè)數(shù)據(jù)中心的三路負(fù)載的功能都會(huì)受到影響,那么對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)中心而言,“Δ2N”系統(tǒng)就變成了“2+1”冗余系統(tǒng),可靠性相對(duì)較低。

4

雙總線系統(tǒng)的缺點(diǎn)

①冗余組件數(shù)量多,成本高:借助這種設(shè)計(jì)方案,可以盡量排除每一個(gè)可能的單路徑故障點(diǎn)。不過(guò),排除的單路徑故障點(diǎn)越多,設(shè)計(jì)方案落實(shí)起來(lái)的代價(jià)(包括購(gòu)置成本、運(yùn)行成本、占據(jù)空間等)也越高昂?？梢哉f(shuō),這種系統(tǒng)是行業(yè)中較可靠也較昂貴的一種設(shè)計(jì);  

②由于未達(dá)到滿(mǎn)負(fù)載工作狀態(tài),供電設(shè)備容量利用率低,工作效率低。

5

 “2N”系統(tǒng)可用性

這里僅分析一下圖3.2所示“2N”系統(tǒng)的可用性

假定:A1、A2——分別為市電和高壓變壓器的可用性;

A3——UPS輸入配電、UPS輸出配電、列頭柜的可用性;

A4——轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)ATS的可用性;

A5——油機(jī)的可用性;

A6——UPS的可用性,這里采用單機(jī)UPS的可用性數(shù)據(jù)。


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