数据中心供配电系统架构及备用电源分析

数据中心供配电系统架构及备用电源分析

摘要：一个优秀的数据中心，核心在于运行的稳定性。而数据中心运营的主要

耗能为电能，电力费用占整个数据中心运维费用的50%以上，足以看出电气在数

据中心的重要位置。所以一个稳定、经济的供配电架构是数据中心优劣的重要指

标之一。笔者结合自身长期的数据中心行业经验，对现在常用数据中心的供配电

架构形式及数据中心不可或缺的备用电源柴油发电机组的应用进行简单分析。

关键词：数据中心；供配电系统；架构；备用电源

一、数据中心供配电系统架构

2017年国家发布了《数据中心设计规范》GB50174-2017，基于新形势下数据

中心行业的快速发展，电子信息机房以不能完全表达现在数据中心的体量，而改

名为数据中心设计规范。但是新版规范对于电气内容还是很谨慎的大部分保留着

原有规范的构架和逻辑，尤其在于数据中心等级的划分和供配电系统架构上。

笔者在与某些设计院和施工单位技术交流时，经常有些工程师将供配电系统

架构划分为N、N+1和2N等，我认为这是不专业和不严谨的。数据中心常用供

配电架构应该是由电源、变压器、UPS不间断电源及相关负载组成的一个完整系统。一个系统不能单纯的用某个N、N+1或2N来定义，而是由系统内的电源、

变压器、UPS等所有组成设备的配置形式来综合定义。

而供配电系统架构的整体定义应与数据中心的等级定义相结合，数据中心设

计规范的等级划分与国际广泛应用及认可的UPTIME标准相似，都采用结果导向。C级为基本形式，即正常情况下可安全稳定运行，任何设备或线路故障均可能导

致核心负载断电；B级为冗余形式，允许部分核心零部件正常损耗而不影响数据

中心的核心负载运行；A级为容错形式，允许任意单一故障而不影响数据中心的

核心负载运行。下面就常用的A级数据中心供配电架构进行分析（见图一）。

图一供配电系统架构

上述配电架构为A级数据中心常用配电架构，其中电源、变压器、UPS不间

断电源等核心设备均采用的2N配置形式。

其中市电电源采用的为2N双重电源供电，完全满足A级数据中心容错要求，同时还配置独立于双重电源之外的备用电源。此备用电源根据新版规范的要求，

除可采用柴油发电机组外，还可利用独立于两个正常电源之外的供电线路。需要

特别说明的是，这里与UPTIME的理念完全相反，UPTIME对于电源的定义，柴油

发电机为主要电源，即柴油发电机是必须配置的设备。上述配电架构在正常运行时，两路电源同时运行，互为备用，每路电源均带50%负载，当一路电源故障时，另一路能承载100%负载。所以正常情况下每路电源均带载不会超过50%。

变压器采用的也是2N配置形式，每两台变压器互为备用，电源取自两个不

同供电电源，每台变压器正常运行带载均不超过50%，当一路故障时，另一路能

承载100%负载。

UPS不间断电源系统作为数据中心供配电的核心设备，可以在市电故障时，

保障IT设备的不间断供电，避免严重的经济损失。所以在比较重要的行业数据中

心如金融会采用2N配置。由于UPS设备高昂的成本（2N配置UPS不间断电源系统约占数据中心机电工程总投资的7%），规范对部分满足条件的容错系统可以

采用基本N配置UPS，采用不间断电源系统与市电电源系统相结合的供电方式需

满足一部分要求（详见GB50173，3.2.2条）。

上述配电架构是大型数据中心常用的配电架构，系统设备配置上绝对的容错，当我们去判断一个容错供配电架构的合理性时，有一个非常简单的方法就是在架

构系统假设任意一个故障点，最后均由替代的供电线路完成对负载的供电，则该

系统就属于容错的配电架构系统。

其实对于一个数据中心稳定运行，只是一个合理的架构配置，并不代表就绝

对安全与稳定，在实际的运行维护当中，还存在着很多不确定因素，比如火灾等

不可抗力，所以UPTIME在等级划分的时候分为4级，Ⅰ~Ⅲ级与国家标准C~A级类似，但是Ⅳ级还考虑对于2N配置设备的物理隔离措施。此部分意见新规范也

有相应采纳。

二、数据中心供配电系统备用电源的选择

（一）备用电源对柴油发电机组性能的要求

柴油发电机组根据性能特点，一般划分为4级。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。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。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。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。考虑到数据中心对发电机组输出

频率、电压、波形的要求，发电机组在使用的时候其性能等级不能低于G3级。

（二）备用电源对柴油发电机组功率的要求

根据发电机组用途、定额、性能的要求，发电机组的输出功率可以分为四种，包含持续功率COP、基本功率PRP、限时运行功率LTP以及应急备用功率ESP四种。COP的运行没有规定时间的下限，是恒定负载持续供电的最大功率。PRP没

有运行时间的限制，能够为可变负载提供可持续供电功率的支持。LTP是恒定负

载供电，每年的运行时间不超过500h。ESP是可变负载供电形式，每年运行在

200h以下。规范要求A级柴油发电机组需按COP功率选项，B级可以按照LTP功率选型。设计选型时柴油发电机需求功率按照有功功率计算。

（三）容性负载对柴油发电机组的影响

电子信息设备属于非线性设备，除产生大量谐波外，其特性为“容性”，当市

电直接为电子信息设备供电时，数据中心的负载特性就呈现出“容性”。同时电子

信息设备是一种非线性设备，在应用的时候会产生大量的谐波。所以在数据中心

对柴油发电机选型时必须考虑容性负载对柴油发电机组的影响。可以在油机选型

时适当放大机组容量以抵消容性负载的影响，同时建议采用顺序投入负载的方式，优先投入动力设备等感性负载，再投入IT设备等容性负载，使负载之间无功功率

先行消化。

三、结语

考量供配电系统的优劣，最关键的指标是可靠性。合理设计供配电架构和备

用电源都是提高供电可靠性的必要措施。在满足可靠性的前提下，应统筹考虑建

设成本和运维成本，做到可靠性满足使用要求条件下的绿色节能。

参考文献：

[1]钟景华.数据中心供配电系统架构及备用电源的选择[J].建筑电气，2018.

[2]陈友意.数据中心供配电系统架构[J].引文版：工程技术，2016.