多站融合项目供电可靠性提升关键技术及措施研究

臧荣堂

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210006）

0 引 言

为推进新型数字基础设施建设，将变电站、储能站、数据中心站、分布式光伏发电站、5G基站、北斗地基增强站以及电动汽车充电站等进行独立设计和建设[1]。融合汇聚构建智慧综合能源站，是国家电网公司为深入贯彻“四个革命、一个合作”能源安全新战略，顺应能源革命与数字革命融合发展的具体体现。文章将围绕电力设施共享进行多站融合项目供电可靠性提升技术研究，对如何提高供电可靠性进行探索和思考。

1 基于电力设施共享的多站融合项目的主要供电方式

根据数据中心信息技术（Information Technology，IT）设备和其配套设备的用电特性，多站融合的主要供电方式有3种，分别是纯交流供电系统、直流供电系统以及交/直流并存的混合供电方式。这3种供电方式中，安全备份的方式均包含2N和N+X。下面将针对纯交流供电系统、纯直流供电系统以及交/直流混合供电系统对3种供电方式进行详细介绍。

1.1 纯交流供电系统

以典型A级数据中心为例，传统的纯交流供电系统上游由2路市电电源引入，经2N备份的不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系统后，分A路和B路给机房IT设备提供220 V交流不间断电源。空调设备通常采用2路市电末端切换的方式供电[2]。传统纯交流供电系统结构主要包括高压配电、变压器、低压配电、UPS系统以及交流列柜等部分。

1.2 纯直流供电系统

以典型A级数据中心为例，传统的纯直流供电系统上游由2路市电电源引入，经直流不间断电源系统后，分A路和B路给机房IT设备提供2路240 V直流或-48 V不间断电源。以直流240 V不间断电源为例，采用高压直流输电（High-Voltage Direct Current，HVDC）供电系统[3]。传统纯直流供电系统主要包括高压配电、变压器、低压配电、直流不间断电源（HVDC系统或-48 V开关电源系统）以及直流列柜等部分。

1.3 交/直流混合供电系统

交/直流混合供电系统是一种融合了传统纯交流供电系统和纯直流供电系统的供电新方式。当A路和B路电源均为交流输入时，系统为传统的纯交流供电系统；当A路和B路电源均为直流输入时，系统为传统的纯直流供电系统；当A路和B路电源一路为交流电源输入、另一路为直流输入时，系统为交/直流混合供电系统。交/直流混合供电系统各环节的设备与纯交流供电系统和纯直流供电相同，针对不同的应用场景，需合理选择局部供电方案。

采用交/直流混合供电系统的“A路市电电源+B路通信用240 V直流电源”电源方案，因交直流变换环节更少，在保障通信安全、降低运行功耗、节约建设成本以及操作维护简单等方面具有很大优势。与传统纯交流UPS技术相比，效率更高，体积更小[4]。

2 基于电力设施共享多站融合项目主要供电方式的可靠性对比分析

2.1 各级数据中心对供电系统可靠性的具体要求

根据《数据中心设计规范》（GB 50174—2017），按照数据中心建设等级划分为A、B、C共3个级别[5]。

2.2 各类型供电方式可靠性对比

可靠性对比的5个基本指标分别为可靠度、故障概率、故障频率、故障强度（失效率）以及平均故障间隔时间。

电力小型多站融合项目的供电方式主要分为交流供电系统、直流供电系统以及交/直流混合供电系统3种类型。3种供电系统的供电方式基本一致，均包含2N、N+X、N等备份供电方式。对比各种交/直流备份供电方式，需要仔细分析供电系统的组成，分别局部套用串联、并联和混合型可靠性分析模型进行理论分析计算，通过举例分析对比N+1和2N的交流供电方式对维护系统可靠性的作用。

借鉴某数据中心供配电系统可靠性参数指标，该数据中心供配电系统的可靠性应从环境、设备、产品、设计、施工及维护等因素考虑（暂忽略人为因素）。

（1）市电的可靠性。根据某市供电局发布的有关资料，某市市区市电可靠性为99.97%。

（2）高压配电开关在其20年正常使用时间内的可靠性不低于99.999 2%。

（3）变压器在其20年正常使用时间内的可靠性不低于99.999 4%。

（4）油机电的可靠性。根据柴油发电机组规范可靠性取其短板，即油机启动成功率（自启动和加载）大于99.000 0%。

（5）市电与油机电切换开关的可靠性。市电和油机电的切换通常采用自动切换开关（Automatic Transfer Switch，ATS）。根据主流厂家提供的资料，该部件的可靠性约为99.990 0%。

（6）不间断电源系统的可靠性及其备份方式对可靠性的影响。根据UPS厂家提供资料，N+1冗余UPS可靠性不低于99.995 0%，N架构UPS可靠性不低于99.990 0%。

（7）240 V直流电源系统的可靠性不低于99.998 0%。

根据参数指标，方案1主设备负荷采用N+1 UPS方式供电。市电及变压器可靠性为99.999 944%×99.999 4%，即99.999 344%。2路市电切换和单台变压器可靠性为99.999 344%×99.999 344%，即99.998 688%。采用N+1备份UPS供电的可靠性为99.998 688%×99.995%=99.993 688%。方案2主设备负荷采用2NUPS方式供电。市电及变压器可靠性为99.999 944%×99.999 400%，即99.999 344%。1路市电供电的N备份UPS的可靠性为99.999 344%×99.990 000%，即99.989 344%。主设备采用2NUPS方式供电的可靠性为1-（1-99.989 344%）×（1-99.990 000%）×（1-99.989 344%）×（1-99.990 000%），即99.999 999 999 99%。可见，方案2比方案1可靠。

同样的方法，再来对比分析2种供电方案，分别为采用市电与UPS共同供电的方案3、采用市电与240 V直流共同供电的方案4。1路市电与高压联络的可靠性为99.97%×99.999 2%，即99.969 2%。2路市电采用高压切换的可靠性为99.97%×99.969 2%，即99.939 2%。1路市电与ATS切换的可靠性为99.97%×99.99%，即99.960 003%。1路市电与油机电采用ATS切换的可靠性为，即1-（1-99.939 2%）×（1-99.960 003%×99%），即 99.999 367 9%。2路市电和市电备用线采用高压切换的可靠性为1-（1-99.939 2%）×（1-99.939 2%×99.969 2%），即99.999 944%。市电及变压器可靠性为99.999 944%×99.999 4%，即99.999 344%。1路市电供电的N+1备份UP的可靠性为99.999 344%×99.995 000%，即99.994 344%。1路市电供电的240 V直流系统的可靠性为99.999 344%×99.998 000%，即99.997 344%。于是，方案3的1路市电和1路N+1备份UPS的可靠性为1-（1-99.999 344%）×（1-99.994 344%），即99.999 999 962 89%。方案4的1路市电和1路240 V直流系统的可靠性为1-（1-99.999 344%）×（1-99.997 344%），即99.999 999 982 57%。可见，方案4比方案3可靠。

通过《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）中3级数据中心电气专业的技术要求和5个基本可靠性指标的介绍，结合具体实际案例数据进行理论推算，演示了数据测算供电系统的系统可靠性的方法，可以帮助设计者选择合适的供电系统方案。电力小型多站融合项目的最佳供电方案需要根据具体的应用场景分析后确定。

3 基于电力设施共享的多站融合项目供电可靠性提升的关键措施

3.1 通过系统构架提升可靠性

通过分析发现，供电系统的系统可靠性与供电系统的结构设计关系密切。不同的交直流供电方式、不同的供电构架以及不同的电源备份方式直接影响供电系统的可靠性。

基于交/直流供电方式，从备份方式维度看，运行可靠性从大到小排序依次为2N备份、N+1备份、N构架。如果项目建设条件允许，选择2N构架将是提高供电可靠性的最优方式。若条件不足以按2N构架建设，可选择N+1备份的构架，同时结合资源占用和供电可靠性选择方案[6]。

除了传统的2N和N+1架构，还有其他供电构架，如从2N构架演化而来的2（N+1）供电构架，可靠性更高。它同时具备2N构架和N+1备份的特点，可靠性比2N更高。经过系统演化的还有DR+STS的供电构架方式，即其中一个N故障后，不影响另一个N为系统供电。在每一个N中，还叠加考虑N+1备份，即每一个N中都有设备或模块备份，可靠性较2N更高[7]。

除了介绍的备份方式，还有RR等其他供电构架方式。数据中心在建设规划之初可以根据不同的场景需求匹配不同的可靠性设计构架。

3.2 通过设备选型提升可靠性

确定数据中心供电系统构架后，设备选型会影响数据中心的运行可靠性。设备选型主要包含以下几种情况。

3.2.1 新增购买设备和利旧设备

一些特定数据中心应用场景的供电设备存在利旧的可能性。在条件允许的前提下，即需要对所有数据中心的电源设备全新采购。尤其在预算紧张的情况下，为了兼顾供电的可靠性，可以将现有的可用设备进行系统匹配，直接应用到新的供电系统。此外也可以对利旧设备进行现代化改造，利用新的组件升级原有的传统设备，处理成本低，花费时间少，可降低对业务连续性的影响[8]。

3.2.2 新增购买设备对设备性能要求的差异化选择

多数数据中心应用场景的供电设备会采用全新采购方式，采购的具体设备要满足系统构架的设计要求，性能不低于设计参数的下限。

在预算条件允许的情况下，尽可能选取高可靠性和高性能的供电设备。同等供电构架下，供电系统的可靠性与所选用供电设备的性能呈正比。随着科技的飞速发展，高性能供电设备产品更新迭代与进步，出现了越来越多的电源设备，如变压器、UPS、蓄电池以及断路器开关等，具有高可用性、高可靠性、高产品能效参数以及高性价比等优势，使得用户对比选择的范围越来越广。

预算有限时，可根据设备在整体供电构架中的地位，合理选用设备性能不同的具体设备，在成本与可靠性之间寻找最佳匹配点，提高设备选型的性价比[9]。

3.2.3 设备应用模式的不同选择

常规的数据中心建设项目和供电设备的资产属性通常归属于项目建设单位。在特殊的项目背景下，数据中心项目建设单位可以选择采用租赁方式，将设备和系统的运维甚至产权属性转移到其他单位。建设方通过租赁设备的使用权，将设备的建设及运行风险转移到更加专业的其他单位。项目建设方只对项目的投资和收益进行管理，提高管理效率[10]。

4 结 论

文章对比分析基于电力设施共享的多站融合项目的主要供电方式的可靠性，阐述提升其可靠性的关键技术，提出通过系统构架的合理选择、设备选型以及运维管理均可以提升电源供应的可靠性。