1 数据中心供电架构梳理

 1.1 数据中心供配电系统构成 数据中心供配电系统是从电源线路进用户起经过高/低压供配电设备到负载止的 整个电路系统。供配电系统主要由高压变配电系统、柴油发电机系统、自动转 换开关系统（ATSE）、输入低压配电系统、不间断电源系统（UPS）、UPS 列头配 电系统和机架配电系统、电气照明、防雷及接地系统等部分组成。

1）高压变配电系统，主要是将市电 6kV/10kV/35kV(3 相)通过该变压器转换成 380V/400V（3 相），供后级低压设备用电。常规情况下，数据中心主要采用市电 配电，一般可靠性要求数据中心引入两路市电电源，每一路市电电源的供电容 量，都需要完全满足数据中心的全部电力需求，两路电源负荷设备输入端自动 切换，正常时同时供电运行。

2）柴油发电机系统，作为数据中心的后备应急电源系统至关重要，当市电突发 事件时，柴油发电机组将迅速启动、完成并机，向数据中心提供电力保障，保 证电子信息设备等业务连续运行。“柴发系统”基本由发动机、发电机、散热水 箱、控制系统、辅助系统组装而成，其要求是需在短时间内启动、并机、带 载，完成从空载到满载、从 0 到 1 的功率输出。 

3）自动转换开关系统 ATSE（ Automatic Transfer Switching Equipment）是 自动转换开关设备的简称，由一个（或几个）转换开关电器和其它必需的电器组成，用于监测电源电路（失压、过压、欠压、断相、频率偏差等）、并将一个 或几个负载电路从一个电源自动转换到另一个电源的电器。如市电与发电机的 转换，两路市电的转换；主要适用于低压供电系统，在转换电源期间中断向负 载供电。ATSE 可分为 PC 级和 CB 级。其中，PC 级只完成双电源自动转换的功 能，不具备短路电流分断（仅能接通、承载）的功能；CB 级既完成双电源自动 转换的功能，又具有短路电流保护（能接通并分断）的功能。 

4）输入低压配电系统，主要作用是电能分配，将前级的电能按照要求、标准与 规范分配给各种类型的用电设备，如 UPS、空调、照明设备等。 UPS 电源，是一种不间断电源，它可以在电网停电时为电子设备提供电力，UPS 电源内部结构包括电池、逆变器、稳压器、充电器、控制器等部分组成，这些 部分的质量决定了 UPS 电源的可靠性和稳定性。UPS 配电系统一般采用双总线技 术，由 2 台 UPS 构成，主要将电能提供给数据中心内的服务器、机柜设备和运 行监控中心的计算机。2 台 UPS 都引入独立的市电，当正常输入市电时，UPS 能 够稳压市电并提供给负载，同时可以使机内电池储能；当市电中断时，UPS 能 够立即用逆变器将电池内的储能进行转换并继续向负载供电，确保负载正常运 行，避免设备出现不必要的硬件损害。 UPS 输出列头柜，是一列机柜设备最顶端的机柜，主要功能是对这一列柜的交流 或者直接负载提供电源，起到配电，监控，测量、保护、告警等功能。列头柜 类似于柜式的配电箱，里面集中了很多断路器。列头柜主要作用是将 UPS 系统 的输出电能分配给各种类型的终端设备，一般分为强电列头柜、弱电列头柜。 强电列头柜是管理和分配市电或 UPS 电的设备，常位于一列机柜的端头；弱电 柜主要用于网络布线中线缆的分配，一般机房位于强电柜的另一端。

机架配电系统，主要作用是机架内的电能分配，通常是采用电源分配单元 PDU （Power Distrbution Unit）来实现机架内服务器等 IT 设备的电能分配。目前 常见的机房末端配电方案为“列头柜+电缆”，即在机房内每一列机架的始端设 置两个列头柜（互为主备）。列头柜预留出固定的输出分路，通过电缆经该列机 架顶部的走线架敷设，将电能配送到该列各机柜的 PDU。从列头柜到机架 PDU 采 用双回路供电，即：每个通信机柜内设置两个 PDU（AB 路各一、互为主备），每 个 PDU 从对应列头柜的输出分路引入供电回路，为机架内的同一台 IDC 设备提 供双电源保障。 

1.2 数据中心供配电架构 根据数据中心的可用性分为四个等级：TierⅠ（基本型）、TierⅡ（部分冗余 型）、Tier Ⅲ（可同时维护型）和 Tier Ⅳ（故障容错型）。数据中心所拥有的 提供持续电源和应急电源的设备数量是关键因素。所谓“容错”，即需要为数据 中心提供“双重”或“多重”安全保障。在供配电方面，2N 系统可以为数据中 心提供“双重”保障。 常见的数据中心供配电系统主要有三种架构，即 2N、DR、RR。 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。这种多电 源系统冗余的供电方式，克服单电源系统存在的单点故障瓶颈，增加了供电系 统可靠性。但是由于设备配置多、成本高，通常情况下效率比 N+X 系统低。 DR(Distribution Redundancy)，即是分布冗余: 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，每台变压器 10kV 进 线均采用双电源系统切换，组成三套独立的系统，每套系统都可以作为备份的 冗余，末端的负载，由不间断电源 UPS 交叉供电，变压器负载率在 66%以下，任 何一套系统的故障都不影响系统的运行，可用性能 99.998%。 DR 架构在海外数据中心使用较多，国内较少使用。据维谛数据，DR 架构中配电 设备使用减少接近 25%，电源设备成本低。但由于设备和电缆路由难以实现物理 隔离，发生故障时负载分别转移到其他电源，故障定位时间较长。 RR（Reserve Redundancy）,即后备冗余：有一套固定的设备作为冗余备用系 统，这套系统正常是不工作的。主用系统长期满载，备用系统处于长期空载， 当任何一套主用系统断电或维修时，它所承担的负载由备用系统带载。RR 架构 属于 N+1 配置，建设成本低，可用性 99.995%，可靠性满足基本要求。设备和电 缆路由可以实现物理隔离，但系统架构复杂、运维难度偏高。RR 架构在三大通信运营商的通信机房较多使用，而数据中心使用较少。RR 架构可以使智算中心 的供电系统的利用率从 50%提升到 N/（N+1），同时将占地面积减少（N-1） /2N。 通常我们说的 N+1，意味着在任何单个系统组件发生故障时，就会有备用电源。 “N”表示运行系统所需的组件数量，“+1”表示如果系统的某个组件发生故 障，则有一个独立的备份。从以上介绍可知，2N、DR、RR 三类系统的冗余均可 视作 N+1 配置，按 N+1 配置的环节中，故障数量超过 1 时，系统将失效；N 越小 冗余设备越多，可用度越高。