数据中心供配电系统架构及备用电源的选择

2017年5月4日，住房和城乡建设部发布了GB 50174 - 2017《数据中心设计规范》，2018年1月1日正式实施，原GB 50174 - 2008《电子信息系统机房设计规范》同时废止。本文将结合新版GB 50174 - 2017《数据中心设计规范》，对数据中心供配电系统架构及备用电源的选择进行论述。

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数据中心

供配电系统架构

关于数据中心供配电系统架构，GB 50174 - 2017《数据中心设计规范》在附录“电气”中规定：A级数据中心应满足容错要求，可采用2N系统，也可采用其他避免单点故障的系统配置。

A级数据中心供配电系统主要有3种架构：2N、DR、RR。

1.1

供配电系统架构介绍

2N系统

由两个供配电单元组成，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。2N供配电系统架构见图1。

DR系统（Distribution Redundancy分布冗余）

由N（N ≥ 3）个配置相同的供配电单元组成，N个单元同时工作。将负载均分为N组，每个供配电单元为本组负载和相邻负载供电，形成“手拉手”供电方式。正常运行情况下，每个供配电单元的负荷率为66 %。当一个供配电系统发生故障，其对应负载由相邻供配电单元继续供电。DR供配电系统架构见图2。

RR系统（Reserve Redundancy后备冗余）

由多个供配电单元组成，其中一个单元作为其它运行单元的备用。当一个运行单元发生故障，通过电源切换装置，备用单元继续为负载供电。RR供配电系统架构见图3。

1.2

3种架构对比

可用性对比

采用电气分析软件ETAP16对2N、DR、RR 3种架构的可用度进行分析，分析结果如表1所示。

表1 2N供配电系统构架

从可用度数值来看，2N、DR、RR 3种架构的可用性大致相同，2N系统可用性最高。

成本对比

建设成本、运行成本（电费）对比分析如表2所示（假设2N系统为100）。

图2 DR供配电系统架构

建设成本2N系统最高，DR系统比2N系统低8. 6 %，RR系统比2N系统低8. 1 %；运行成本RR系统最高，DR系统最低。

系统架构、物理隔离、运维难度对比

系统架构、物理隔离、运维难度对比分析如表3所示。

表3 系统架构、物理隔离、运维难度对比分析

2N系统架构简单明了，容易实现物理隔离，日常运行维护难度最低；RR系统架构最复杂，日常运行维护难度很高，设备切换需要依靠自动控制系统完成，手动控制难度很大，需要很强大的运行维护团队进行运维保障。

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数据中心

备用电源的选择

关于数据中心备用电源， GB 50174 - 2017第8. 1. 12条规定：A级数据中心应由双重电源供电，并应设置备用电源。备用电源宜采用独立于正常电源的柴油发电机组，也可采用供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路。当正常电源发生故障时，备用电源应能承担数据中心正常运行所需要的用电负荷。

备用电源是保障A级数据中心正常运行的必要条件，独立于正常电源的发电机组和供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路都可以作为备用电源。由于柴油发电机组在可操作性上优于其他备用电源，故大部分数据中心采用柴油发电机组作为备用电源。

当采用柴油发电机组作为备用电源时，GB 50174 - 2017规定：后备柴油发电机组的性能等级不应低于G3级；A级数据中心发电机组应连续和不限时运行，发电机组的输出功率应满足数据中心最大平均负荷的需要。B级数据中心发电机组的输出功率可按限时500 h运行功率选择。

2.1

对柴油发电机组的性能要求

在国家标准GB / T 2820. 1 - 2009《往复式内燃机驱动的交流发电机组 第1部分：用途、定额和性能》中将发电机组的性能分为G1、G2、G3、G4 4种性能等级：

a. G1级：连接的负载只规定基本电压和频率参数，适用于照明和简单的电气负载。

b. G2级：电压特性与电网类似，当负载发生变化时，允许暂时的电压和频率的偏差。适用于照明、水泵、风机等。

c. G3级：连接的设备对发电机组的电压、频率和波形有严格要求。适用于电信负载和晶闸管控制的设备。

d. G4级：连接的设备对发电机组的电压、频率和波形有特别严格要求。适用于数据处理设备和计算机系统。

由于数据中心对发电机组的输出频率、电压和波形有严格要求，故要求发电机组的性能等级不应低于G3级。G3级要求柴油发电机组突加50 % 负载时，频率降小于7 %，电压降小于15 %。实际运行时，数据中心的柴油发电机组往往突加100 % 负载，因此选择柴油发电机组的标准应高于G3级。数据中心发电机组的性能要求见图4。

2.2

对柴油发电机组的功率要求

在国家标准GB / T 2820. 1 - 2009《往复式内燃机驱动的交流发电机组 第1部分：用途、定额和性能》中将发电机组的输出功率分为4种：持续功率（COP）、基本功率（PRP）、限时运行功率（LTP）和应急备用功率（ESP）：

a. COP（持续功率）：无运行时间限制，为恒定负载持续供电的最大功率。

b. PRP（基本功率）：无运行时间限制，为可变负载持续供电的最大功率。

c. LTP（限时运行功率）：为恒定负载供电，年运行时间

d. ESP（应急备用功率）：为可变负载供电，年运行小时数

表4 柴油发电机4种功率对比

表4是柴油发电机4种功率的对比，任何一台柴油发电机都可以标定为4种功率中的一种，但由于各生产厂家对4种功率的标定值有差异，国家没有统一的测试机构，故不能明确4种功率的差值，只能定性4种功率之间的关系，见图5。

从图5可以看出，COP标定的输出功率值最低，ESP标定的输出功率值最高。举例来说，对于同一台柴油发电机，铭牌可以标注COP = 1 000 kW，也可以标注PRP = 1 300 kW、LTP = 1 400 kW、ESP = 1 500 kW。因此，A级数据中心要求柴油发电机组的输出功率选择COP功率，或选择70 % 的PRP功率。

本文有删减，全文载于《建筑电气》2018年第1期，详文请见杂志。

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