数据中心最优配电架构 ——"四路成环"配电架构

本文发表于《现代建筑电气》第2020.10期,转自机电大巫师

1 A级数据中心配电设计特点

根据《数据中心设计规范》GB50174的规定A级数据中心配电设计要求具有容错能力，发生单点故障时，系统能够继续可靠运行。
A级数据中心配电具有以下特点：

特点1：配电系统采用2N配电架构；

特点2：为满足容错性，单路电源故障时互为备用的另一路电源能够保证满足所有负载的配电需求，即变压器的负载率低于50%；

特点3：2N系统的配电间要求进行物理隔离，在要求较高的场所互为备用的2路配电路由也需要进行物理隔离，不交叉、不同路由；

特点4：从降低PUE和成本考虑，变压器尽量靠近机房模块间，减少配电传输损耗。

由于上述特点的限制，不同的平面布局和配电系统方案对系统的可靠性和经济性都有较大影响。

本文将通过多种平面布局和配电方案的对比，寻找出可靠性、灵活性、经济性更好的组合方案，以期对配电架构和平面布局方案有指导作用。

2 一组IT变压器的A级数据中心平面布局方案

图1为一组IT配电变压器的典型2N配电架构，路双重市电和柴发机组备用电源，列头柜RPPA和RPPB分别由A/B两路不同的市电电源、配电变压器、UPS进行供电。

图1：一组IT变压器的2N系统架构示意图

为满足A级数据中心配电特点，配电路由采取物理隔离、并尽可能缩短配电路由，下面就该系统架构的三种平面布局方案进行探讨。

注：后续讨论均为IT变压器与机房模块间在同一楼层平面布局为前提。为了简化平面方案，按一组变压器支撑一个机房模块间进行简化处理。

平面布局方案1：

如图2所示，配电出线与列头柜队列垂直。
列头柜RPPA和RPPB分别由配电房A1和配电房B1配出，为满足物理隔离，路由不交叉，通过走廊从模块间两侧进线至列头柜。

列头柜RPPA和RPPB分别由配电房A1和配电房B1配出，至列头柜的A/B路的路由长度之和约为模块间长度的2倍（配电房内长度除外）。

图2：一组IT变压器配电路由示意图
【出线与列头柜垂直】

平面布局方案2：

如图3所示，配电出线与列头柜队列平行。
同样，为满足物理隔离，路由不交叉，通过走廊从模块间两侧进线至列头柜。

列头柜RPPA和RPPB分别由配电房A1和配电房B1配出，至列头柜的A/B路的路由长度之和约为模块间的周长（配电房内长度除外），其配电长度大于平面布局方案1。

图3：一组IT变压器配电路由示意图
【出线与列头柜平行】

平面布局方案3：

如图4所示，配电房在模块间两侧。
列头柜RPPA和RPPB分别由配电房A1和配电房B1配出，至列头柜的A/B路的路由长度之和约为模块间的长度（配电房内长度除外），其配电长度最短。

在需要进行低压母联的应用中，由于母联母线长度过长，通常不考虑该种形式的平面布局方案。

图4：一组IT变压器配电路由示意图

【配电房在模块间两侧】

3 两组IT变压器的A级数据中心平面布局方案

平面布局方案1：

如图5所示为两组IT配电变压器的典型配电架构，同一组的IT变压器均分别由A/B两段10KV母排引来，形成典型的2N配电架构。
每台变压器单独设置在一个配电房内。

图5：两组IT变压器的2N系统架构示意图
【不共用配电房】

如图6所示，其配电路由与图2相似，增加的一组变压器做镜像处理，至列头柜的A/B路的路由长度之和约为模块间长度的2倍（配电房内长度除外）。

图6：两组IT变压器配电路由示意图
【不共用配电房】

平面布局方案2：

图7与图5采用相同的2N配电架构，区别是两台A组和B组变压器分别共用一个配电房。

图7：两组IT变压器的2N系统架构示意图
【共用配电房】

如图8所示，两台A组和B组变压器分别共用一个配电房，靠近配电房的机房模块间1至列头柜的A/B路的路由长度之和约为模块间长度的2倍（配电房内长度除外）。

与方案1相比，远离配电房的机房模块间2至列头柜A/B路的路由长度需要增加两个机房模块间1的宽度。

图8：两组IT变压器配电路由示意图
【出线与列头柜垂直】

平面布局方案3：

图9与图4类似，两台A组和B组变压器分别共用一个配电房，配电房在模块间两侧。

至列头柜的A/B路的路由长度之和约为模块间的长度（配电房内长度除外），其配电长度最短。

同样，在需要进行低压母联的应用中，由于母联母线长度过长，通常不考虑该种形式的平面布局方案。

图9：两组IT变压器配电路由示意图
【出线与列头柜平行】


4 两组IT变压器的“四组成环架构”

上述讨论的图9方案中，至列头柜的A/B路的路由长度之和约为模块间的长度（配电房内长度除外），其配电长度最短。

但是其母联母线的长度过长，是该方案一大缺点。

是否可按下图10所示，将A/B路之间的母联改为TA1与TA2，TB1与TB2之间进行母联。

经典2N配电架构是2台变压器低压母排、UPS、列头柜构成闭环，而新的方案是4台变压器低压母排、UPS、列头柜构成闭环，此处姑且将该方案架构命名为“四组成环架构”。

图10：两组IT变压器的2N系统架构示意图
【四组成环】

根据“四组成环架构”方案，母联母线不在配电房A和配电房B之间的A/B变压器间进行母联，而是在配电房内部的两台变压器间进行母联。

其平面布局如图11所示，该方案配电路由及母联母线均为最短；

母线在配电房内进行母联，更能灵活适应不同的平面布局方案；

配电路由在走道上敷设长度较短，对走道管廊空间占用也最小。

图11：两组IT变压器配电路由示意图
【四组成环】

5 “四组成环架构”可靠性探讨

“四组成环架构”在平面布局上有较大优势，下面再就供电可靠性与典型2N架构进行比较。

如图12所示，左边为“四组成环架构”，右边为典型2N配电架构。

两种配电架构均为：TA1与TB1为一组机房模块服务器配电，互为备用。正常运行时，TA1与TB1各带50%的负载，当其中一路电源故障时，由另一路电源带所有负载。TA2与TB2同TA1与TB1。

不同之处是：“四组成环架构”中TA1与TA2进行低压母联，TB1与TB2进行低压母联,进行母联的变压器不同时为互为备用的一组列头柜配电，

前提条件是TA1、TB1、TA2、TB2这4台变压器容量规格需要相同，才能保证一路故障时，另一路能够承担两路负载的容量；

典型2N配电架构中TA1与TB1进行低压母联，TA2与TB2进行低压母联。TA1、TB1、TA2、TB2母联的同组变压器规格必须相同，但两组间的变压器容量规格可以不同。

下面就图12中所示K1、K2、K3故障点进行可靠性比较。

图12：“四组成环”架构可靠性比较

K1点：当TA1变压器下端母排及以后的配电线路发生故障。

“四组成环架构”：RPPA1失去电源，下端所有服务器均改由RPPB1供电，TB1带所有负载。

典型2N配电架构：RPPA1失去电源，下端所有服务器均改由RPPB1供电，TB1带所有负载。

结论：供电可靠性相同。
K2点：10KV母排与0.4KV母排之间的故障。

“四组成环架构”：TA1断电，通过母联母线由TA2为RPPA1供电，当TB1同时也断电时，通过母联母线由TB2为RPPB1供电。只有当TA1、TA2、TB1、TB2同时有三路电源断电时机房模块间内服务器有1/2会失去电源。

典型2N配电架构：TA1断电，通过母联母线由TB1为RPPA1供电，当TB1同时也断电时，RPPA1与RPPB1均失去电源，即两路互为备用的两路电源同时断电就会造成机房模块间内服务器失去电源。

结论：“四组成环架构”供电可靠性更高。
K3点：10KV母排及以上电源故障。

“四组成环架构”：TA1与TB2均失电，下端所有服务器均由TA2与TB1至RPPA2、RPPB1供电,同时也可以通过母联为RPPA1、RPPB2供电。

典型2N配电架构：TA1与TA2均失电，下端所有服务器均由TB1与TB2至RPPB1、RPPB2供电,同时也可以通过母联为RPPA1、RPPA2供电。

结论：供电可靠性相同。

6 总结

由于A级数据中心2N系统中2路电源物理隔离这种高可靠性要求，不同的配电架构对平面布局方案有不同的要求。同时，不同的平面布局方案也反过来对配电架构有所限制。

“四组成环架构”满足A级数据中心容错要求，相比于典型2N配电架构，其可靠性更高。

由于母联母线在配电房内部进行母联，在节省投资成本的同时，可以更灵活的应用于不同平面布局方案，并减少配电路由长度，对走道的管廊空间占用更少。

其不足之处是互为备用的配电变压器需要有两组、并且两组变压器容量规格需要相同才能组成该架构方案形式。