技术方案原理

摘要：长久以来，人们设计和建造供电系统时，把主要精力和关注的目标放在对优质设备的选用上，却忽视对供电方案的分析研究，或者简单地套用已成型的供电系统方案，陈旧的观念和对很多问题的误解，付出的代价的是高昂的成本、过长的建设周期，而系统的可用性、可扩展性、能源效率、可维护性等方面却不尽人意。为数据中心的关键负载配置供电系统，首先要有正确的科学的选用原则，并遵循科学规范的规划设计流程。长久以来，人们设计和建造供电系统时，把主要精力和关注的目标放在对优质设备(主要是UPS等关键设备)的选用上，却忽视对供电方案的分析研究，或者简单地套用已成型的供电系统方案，其结果是，系统选用的供电方案和设备可能是一流的，而建设结果却达不到设计预期的效果，甚至是一流的设备因系统设计的不完善而不能正常可靠地工作。陈旧的观念和对很多问题的误解，付出的代价的是高昂的成本、过长的建设周期，而系统的可用性、可扩展性、能源效率、可维护性等方面却不尽人意。3.1选择配置供电系统方案的原则与规划在规划供电系统方案时首先要考虑的问题有：数据中心的定位和可用性要求；数据中心的规模和供电容量；电网环境和负载性质；数据中心基础设施的可持续发展规划，包括数据中心资源或能力的利用与扩充、可扩展能力和改造的可行性；投资成本与经济性；能源效率要求；规划设计供电系统时必须综合考虑以上要求，有的放矢地选用最佳的供电方案。3.1.1数据中心业务定位和对供电系统可用性要求不同业务定位的数据中心在对可用性要求方面有着明显的差别，有些科研和教育系统的数据中心对供电系统可用性的要求不高，或者没有要求，因为这种类型的数据中心对业务的连续性没有苛刻的规定。而对可用性要求的另一个极端是诸如金融系统的数据中心，这类数据中心应该是24×7连续运行的，不允许有任何的中断（包括计划内的维护）。对数据中心可用性的一般性论述，概括起来就是指在整个数据中心的生命周期内，在外部资源能够充分得到满足的前提下，在保持业务连续性的同时，具有较高的灵活性，满足按需建设、后期升级扩容等要求。而在外部资源有限情况下，能够做到资源的合理使用。但是，具体到供电系统，可用性的概念就更具体，并且可以量化。这里讲的是可靠性科学范畴的可用性，见本文第二篇“2.2对系统可靠性的研究向可用性研究变化”。规划供电系统可用性时，要考虑的条件和因素很多，但关键的因素是对成本的分析。数据中心宕机成本：确定供电系统应具备的相应的可用性等级；数据中心预算成本：制约供电系统可用性等级的提高。规划设计者必须在数据中心宕机成本和建设预算成本之间作出选择。宕机成本取决于风险承受能力，预算成本取决于建设投入能力。一个复杂的高可用级别的供电系统的成本可能是最简单的供电系统的几倍甚至是十几倍。表3.1是两种UPS供电系统配置的比较。表中以最简单的系统的设备量为基数。表3.1讲的都是数据中心供电系统建设的初期投入成本，而作为规划设计者来说，还应从经济性的角度对供电系统的成本做全面的考察。以最低的初期投入和运行维护费用获得最大的经济效益。这就需要针对生命周期内的经济效益进行评价，要考虑整体寿命周期中的建设、运行、扩容、管理和维护的总成本。在数据中心总体拥有成本中，运营成本占TCO的比重比建设成本大得多。如果运营期间的运营投入过高，可能会使数据中心入不敷出，最终导致失败。若想减少供电系统的建设投入成本，必须在方案选择设计、设备配置和设备选用过程中，本着经济、实用、合理的原则，进行多方面的反复调研和论证，使其在保证可靠性和先进性的同时具有良好的性价比。3.1.2数据中心供电系统建设规模与容量对供电系统的容量做规划设计时，要考虑可扩展性、适应性、可改造性能（经济可能性和技术可行性）等，以保证数据中心的可持续发展能力。为了满足将来动态业务的需求，在规划设计阶段必须预测5年或10年之后的电力需求。在方案确定、产品选型和设计上都应具有一定的超前性并留有充裕的扩容空间，而且系统实施方案也应具有扩展性和灵活性。在数据中心规划设计初期，在数据中心规模、IT设备类型和数量、供电制冷方案和设备等重要因素还没有完全确定的情况下，就需要有一种正确的贴近实际情况的方法来估算用电容量。统计估算范围应包括：IT设备，包括消防、安全和监控系统；供电设备的损耗（由效率决定）：包括发电机、变压器、各种转换开关、各级配电、传输线缆、UPS系统等；制冷系统，包括制冷、空调、温湿度调节、新风等设备；安全与照明；辅助设备。①对关键负载供电容量的统计估算关键负载是指构成IT业务架构的所有IT硬件组件，还包括相应的安全系统、消防和监控系统。首先需要列出所有这些设备的标称额定功率，然后必须调整标称数据以反映预期的真实负载。在绝大多数情况下，标称功率远远高于实际的运行功率水平。著名工程咨询公司和电源制造商的研究显示，大多数IT设备的标称额定值超出实际运行负载33%。数据中心的负载不是一成不变的。建成后，在数据中心的生命周期内，IT设备将几乎一直处于一种不断变化的状态。IT更新至少3年一次循环，到时候会更换或添加新的、功能更强大或效率更高的设备。应该由IT组织对将来变化和升级的范围和时间做出切实的评估，这样可以正确规划最初确定的功率需求。②UPS供电系统消耗的功率对供电系统的能源消耗进行估算的前提是，首先要根据数据中心可用性要求，确定UPS供电系统可用性等级和相应的供电方案，然后对供电系统所有设备在实际运行时的工作效率做符合实际情况的估算。表3.2列出了一个现代数据中心常用的2N或2(N+1)UPS供电系统主要设备和整个系统的效率的范围。表3.2供电系统各种设备的效率范围对于供配电系统的个个环节，可以根据目前和未来的负载情况进行扩展或调整，但是估算时必须充分考虑已确定的初始负载和未来可能扩容的负载，或者供电方案本身可以在不影响IT客户的期望可用性的前提下增加功率容量。③照明设施负载照明设施负载包括数据中心的全部照明设施，是数据中心占地面积的函数。此类型负载的估算可采用下面的经验公式：每平方英尺2瓦或者每平方米21.5瓦。④制冷负载制冷系统包括制冷、空调、温湿度调节。制冷在效率上有很大差别，不过可细分为冷冻水系统和直接膨胀系统。冷冻水系统的效率通常更高，功耗值通常为所支持总峰值负载（指IT设备用电和其它所有基础设施设备的效率损耗）的70%。直接膨胀系统需要大约所支持总峰值负载的100%。系数0.7和1.0是适用于气流组织较好的机房，如果气流组织不理想，冷热气流的混合会明显地增大制冷功率，此系数应改为1.0和1.3。⑤估算电力电网系统的容量估算电力电网的容量时，要在所需的总电力线路容量基础上乘以125%，以满足国家电气标准的要求。数据中心内负载的稳态功耗决定了用于计算电力成本的功耗。但是，为数据中心供电的电网和发电机电源不能按稳定状态值估算。这些电源必须按负载峰值功耗估算，再加上标准或工程惯例所规定的降额系数或裕度，这样会导致供电馈线和发电机的设计容量高于上面估算的范围。⑥估算发电机备用电力系统的容量首先要注意假设数据中心是柴油发电机的唯一的负载，主供电电网故障后上面估算总容量都要通过转换开关转移到发电机上。再者还必须考虑这些负载的电力特性，例如，制冷系统负载需要高启动电流，UPS可能会将超前（容性，由无源滤波引起）功率因数施加到发电机上，这些都会影响发电机提供所需电力容量的能力而且如果它，还可能导致发电机出故障。3.1.3数据中心供电系统规划设计流程：数据中心出现近40年之后，对基础设施的设计建造很多还停留在手工行业阶段：将来自不同供应商的类型迥异的设备进行定制化设计，组合成一个数据中心需要的独特的大型供电系统。简单地定制连接和组建以便使之运转（鲁伯·哥德堡效应），其结果是增加系统复杂性和人为错误的发生率。就目前情况来看，不科学的非规范化的规划设计主要表现在：凭主观臆断确定数据中心规模、预算、建造进度；在没有对所建数据中心的功能、技术可行性做充分论证的情况下首先从工程细节和设备采购入手，例如，我们要选用传统的带变压器输出的UPS，我们要配备2小时的备用电池等。错误的开始给许多数据中心设计和建设项目带来巨大麻烦和高昂的代价，如何避免这些问题，关键是要严格遵守正确的规划设计程序。数据中心供电系统规划设计内容包括：需求目标：功率容量、预算范围、扩展计划、关键功能、总体效率、IT需要；基础物理设施规划：可用性等级和相应的供电方案；确定用户要求：选择性倾向、约束条件、预算、升级策略、可用性级别、效率和能源利用要求；制定项目计划书：编制设计标书；制定工程设计计划：编制详细的工程化的建筑设计资料。3.2各种供电系统配置方法与性能比较数据中心UPS供电系统所选用的设计方案会直接影响到所建的供电系统最终能否实现规划设计的目标。长久以来，人们设计和建造UPS供电系统时，把主要精力和关注的目标放在对优质设备的选用上，却忽视对供电方案的分析研究，其结果是，系统选用的设备是一流的，而系统的可用性却达不到设计预期的效果。有多种供电方案已经在数据中心中使用，诸如并联冗余、串联冗余、分布式冗余、多路并联总线、双总线系统等，这些都是设计工程师或制造商赋予不同UPS配置方案的名称。这里将重点讨论适用于数据中心标准TIA等级III和等级IV的几种典型的供电方案，并着重对可用性作出定量的分析比较。表3.3是各子系统和关键设备可用性的统计和经验数据。表3.3供电系统子系统和设备的可用性数据3.2.1关于集中式、区域式、分散式供电方案的讨论数据中心用户和设计者在规划供电方案时，通常忽略或不够重视对方案的整体布局-集中式、局部式还是分散式的研究和讨论。实际上因数据中心的规模不同、机房布局不同、维护水平不同、对可扩展能力的要求不同等因素，供电布局方案有三种形式：（1）分布式供电方案：又称“点”式方案，其特点是在一个机房中，多个UPS系统分别地对各自的IT设备提供保护；（2）集中式供电方案：整个机房只使用一台或一套UPS系统为整个数据中心供电；（3）区域式供电方案：分布式与集中式的折中，整个数据中心按机房布局或按IT设备功能被划分为若干区域，每个区域由一台UPS（或UPS并机系统）集中地供电。早期设计建造的数据中心多以集中式供电为主，造成这种现象的最主要的原因是用户过分强调供电系统的维护。在当现代数据中心对可用性、可扩展性、易管理性、运行成本等要求越来越高的情况下，就暴露出集中式供电的许多不利之处，更何况在大功率数据中心中，集中式大功率供电系统需要多设备并联运行，系统管理变得很复杂，维护工作难度越来越大，需要较高技术水平的专业技术人员从事维护工作。表3.4是三种供电布局有缺点的比较。表3.4三种供电系统布局方案的比较3.2.2典型的交流输入不停电供电系统方案配置很长时间以来，人们认为只要系统中配置了UPS设备，就可做到不停电供电。实际上并非如此。UPS是靠电池储能维持不停电供电的，而电池能量是有限的，系统投入运行后，电池容量是不允许再扩容的。对于当前要求必须连续运行的数据中心，UPS根本上不能保证系统不停电运行，如果市电故障修复时间大于电池备用时间，系统照样宕机。特别是随着IT功率密度的不断提高，对于5KW功率密度的IT机架，市电停电后制冷系统也停止运行，靠机房空间的冷量只能维持IT设备继续运行1-2分钟，所以当代的数据中心毫无例外的都要在设计时考虑增加交流输入的冗余配置。图3.1是适合标准TIA等级III和等级IV的交流输入系统框图。图3.1，A1、A2、A3、A4、A5是设备的可用性，根据表3.2数据，可计算出整个交流输入系统的可用性：油机是非常理想的交流能源，它与市电完全隔离，并且用户可完全自主的配置和运行维护。如果采用第二路市电代替油机（图中虚线所示），则要求两路市电是完全独立的，也就是说两路市电在发电、传输和运行维护方面是完全隔离的，此时系统的可用性为：3.2.3适用于标准TIA等级III和等级IV的UPS供电系统的基本类型数据中心常用的UPS不停电供电系统的基本类型有三种：“N”系统、并联冗余“N+1”系统和并联冗余“2N”系统。但是为了满足标准TIA等级