互联网数据中心DR 供配电系统应用

［王洋］

1 DR 架构应用分析

1.1 DR 架构介绍

DR（Distribution Redundancy，分布式冗余）架构由N+1（N≥ 2）个配置相同的供配电单元组成，N+1 个单元同时工作，互为备用。将负载均分为N+1 组，每个供配电单元为本组负载和相邻负载供电，即1 号负载由第一组供电单元和第二组供电单元提供双路供电，2 号负载由第二组供电单元和第三组供电单元提供双路供电，以此类推，N+1 号负载由第N+1 组供电单元和第1 组供电单元提供双路供电。这样保证每组负载双路电源均引自不同组的供电单元。当任意一路供电单元发生故障时，剩余供电单元可承担所有负载供电。DR 分布式冗余供电架构如图1 所示。

图1 DR 供配电架构图

1.2 架构分析

为了便于具体分析，本文假设模型基于一个数据中心IT 总功率为6 000 kW，平均分布在12 个机房模块，单个模块IT 总功率500 kW。在此基础上进行具体应用架构和特性分析。

考虑到系统的复杂性和实施难度，目前主要以2+1的配置方式较多。即任意一组供电系统发生故障，另外两组供电系统可承担全部负荷。本文也主要以2+1 的DR 架构来进行分析。

根据假设模型，共规划两个IT 供电模块，每个供电模块由3 组供电单元组成，每个单元配置了1 台1 600 kVA 的10/0.4 kV 变压器、4 台500 kVA UPS 及对应的配电柜和辅助设施。单个供电模块的架构图如图2 所示。虽然针对IT 供电系统来说，由原来常用的2N 架构“降级”为N+1 架构，但是针对末端的IT 设备来说，仍然是来自不同系统的双路“2N”供电。

图2 IT 供电架构

图3 动力供电架构

1.3 可靠运行分析

DR 系统从架构上来说，比2N 系统更“节省”，但是仍可满足容错的特性。在负载平衡能够及时调配的情况下，末端的负载也可实现真正的双路供电。下面以一个IT供电模块为模型，从3 种典型的故障场景来说明DR 系统如何实现容错性。本文仅从理论角度进行分析，且仅考虑出现一次故障或检修的情况。

1.3.2 故障工作场景一

如图5 所示，假设故障一场景为1#供电单元中，第一组UPS 并机系统中一台UPS 因故障或检修离线运行，导致只有一台UPS 正常供电，已无法支撑两个机房模块共500 kW 的正常供电。在这种情况下，需要将由1 号供电单元第一组UPS 供电的其中一个机房模块供电切换到另外一路供电，降低该组UPS 的输出功率，从而保证系统的正常运行。

图5 故障一时负载情况

调整后1#供电单元第一组UPS 负载率保持在约56%；3#供电单元的第二组UPS 输出功率达到了750 kW，负载率达到了设计最高值约83%，其他供电系统均不受影响。其他类似场景均可参考此分析过程。

1.3.1 正常工作场景

将红外光谱的“指纹性”用于快速识别中药具有真实、整体、综合和宏观的特点与优势，这种方法的迅速推广和应用将对中药的质量标准研究具有十分重要的意义，这种方法可与传统的鉴别方法相结合，使中药材的鉴别更加完善、更加合理［14］。

系统正常工作时，单台UPS 输出功率250 kW，每个供电单元输出功率1 000 kW，负载率约56%。单个IT 机房在满载500 kW 情况下，由双路供电，每路承担250 kW分别引自不同的供电单元。正常工作场景下负载情况如图4 所示。

图4 正常工作时负载情况

1.3.3 故障工作场景二

如图6 所示，假设故障二的场景为1#供电单元中第一组UPS 全部因故障或检修离线运行，导致无法为机房模块正常供电。在这种情况下，需要将由1 号供电单元第一组UPS 供电的所有机房模块供电均切换到另外一路供电，从而保证系统的正常运行。

图6 故障二时负载平衡情况

调整后1#供电单元第一组UPS 已不带任何负载；由2#供电单元的第二组UPS 额外承担其一半负载，输出功率达到了750 kW；由3#供电单元的第二组UPS 额外承担其另一半负载，输出功率也达到了750 kW；这两组UPS 负载率均达到了设计最高值约83%，其他供电系统均不受影响，最终末端负载保证不间断运行。其他类似场景均可参考此分析过程。

1.3.4 故障工作场景三

如图7 所示，假设故障三的场景为1#供电单元整体因故障或检修离线运行，导致无法正常供电。在这种情况下，需要将由1 号供电单元供电的所有机房模块电源均切换到另外一路供电，从而保证系统的正常运行。

图7 故障三时工作情况

调整后1#供电单元已不带任何负载；由2#供电单元和3#供电单元额外均摊其原有负载，每组UPS 输出功率均达到750 kW，负载率均达到设计最高值约83%，其他供电系统均不受影响。在这种情况下，整个供电系统在减少了一路供电的情况下仍可保证系统满载不间断运行。其他类似场景均可参考此分析过程。

2 与2N 系统对比

GB50174-2017《数据中心设计规范》中要求，A 级数据中心供配电架构应满足容错要求。目前能够满足该要求且应用最广泛的架构是2N 架构。为了分析DR 系统在实际应用中的价值，本文主要从可用度、成本及其他方面对2N 和DR 架构进行对比。

2.1 2N 架构介绍

由两个供配电总线组成，两个总线同时工作，互为备用，任意一个总线均能满足全部负载的用电需要。正常运行时，两路总线各承担50%的用电负荷，当任意一路总线发生故障时，另一路总线可承担100%的负荷。2N 双总线供电架构如图8 所示。

图8 2N 供配电架构图

2.2 架构对比

2.2.1 可用性分析

可用性（可用度）定义为：系统在使用过程中（尤其在不间断连续使用的条件下），可以正常使用的时间与总时间之比。

系统可用性A（t）可分别用平均故障间隔时间（MTBF）和平均维修时间（MTTR）表示：

数据中心常用供配电系统可用度如表1 所示。

表1 主要供电系统和部件可用度A[1]

针对系统整体可用度计算方法如下：

由于篇幅限制，本文不对计算过程展开讨论，仅对结果进行讨论。两种架构针对末端IT 设备的可用度如表2所示。

表2 两种架构的可用度[2]

由表2 数据可知，2N 架构整体可用度略高于DR 架构。DR 架构可视作N+1 冗余，在整体冗余度上低于2N 架构，所以整体可用度略有降低。

2.2.2 成本分析

成本作为衡量数据中心建设及运营是否良好的重要指标之一。供配电系统相关投资占数据中心整体机电投资的60%以上，一个适合的供配电系统设计应该综合考虑可靠性和投资成本的平衡。下面我们按照上文提到的假设模型来分析DR 系统和2N 系统的建设投资成本。

根据假设模型，2N 架构配置主要分为4 个供电模块，共配置8 台2 500 kVA 变压器，其中6 台两两互为备用为IT 负荷供电，另外2 台互为备用，负责动力系统供电。每台IT 用变压器配置6 台500 kVA UPS,每3 台形成并机给末端IT 设备供电。IT 配电架构如图9 所示。动力变压器主要负责冷机、水泵、风机、照明等辅助设备供电，配置了3 台500 kVA UPS 保证冷冻泵和末端精密空调的不间断运行，具体配电架构如图10 所示。

图9 单个IT 供电模块架构图

图10 动力系统供电架构图

根据以上DR 和2N 架构模型，对系统进行具体配置。由于具体工程中，地区、品牌、配置以及工程做法都会对成本造成影响，本文仅考虑在尽量一致的场景下对成本进行定性分析对比，可作为架构选择的参考，不能作为指导具体的工程实施的依据。由于仅作定性分析，仅考虑大型设备成本，针对一些末端设备和材料成本较低，对总成本影响有限，本次分析不再计入。由于柴发系统基本一致，在这里也不做对比。

根据表3 和表4，2N 架构和DR 架构的主要设备配置和成本估算对比可知，主要设备投资成本DR 架构比2N 架构降低18%左右。

表3 2N 系统主要电气设备成本估算

表4 DR 系统主要电气设备成本估算

从表3 和表4 可看出，降低的成本主要是UPS 和电池的数量减少所带来的。UPS 和铅酸电池作为数据中心的关键设备，由于其自身特性使用寿命较短，同时考虑到工作的可靠性，基本UPS 设备需要10 年做一次更换，电池需要5 年做一次更换。那么按照数据中心运营15 年的寿命来看，电池需要更换两次，UPS 需要更换一次。2N 架构和DR 架构的设备更换成本如表5 所示。

表5 运行周期内设备更换成本对比

由表5 可知，在数据中心15 年运行周期内，DR 架构的设备更换成本比2N 架构节省了约30%。

从电力使用成本考虑，主要分为两个方面，一是电能损耗，二是容量占用费。随着节能设备的应用，数据中心主要供电设备由于负载率而导致的效率差距已经越来越小了，在负载率大于30%以上时可不用考虑此部分损耗差异[3]。

现在随着数据中心规模越来越大，绝大部分大型数据中心采用大工业用电模式，即电费是由电度电价和基本电价组成。基本电价乘以安装的变压器容量即为基本电费，按照北京地区基本电价32 元/kVA·月来计算，如表6 所示。

表6 基本电费对比表

2N 系统安装的变压器容量是DR 系统的约1.4 倍，平均每年需要多缴基本电费约215 万元。

3 结论

DR 系统在架构上是“N+1”配置，但是同样能够满足容错的要求。通过与2N 系统的对比，DR 系统因为降低了冗余度，导致可用度有部分降低；整体架构比2N 系统要复杂，对后期运维能力要求较高。但是DR 系统的建设成本较低，由于减少了冗余，占用空间也比2N 系统要少，在同样的条件下对外电的需求较少，同时比2N系统节省电费。

在目前数据中心大规模发展的形势下，资源和成本越来越为数据中心业主所关注，2N 系统对资源的高需求、低利用的弊端会越来越凸显。DR 系统作为高可靠性的“容错”系统，在满足可用性要求的前提下，更加降低成本，节约资源，可以作为数据中心规划、建设和运营者一个值得参考的选项。