数据中心RR架构分析及应用实践
数据中心RR架构分析及应用实践
jzdq1981
创刊于1981年，由中国建筑西南设计研究院有限公司、中国建筑学会建筑电气分会、全国建筑电气设计技术协作及情报交流网主办。面向设计师、产品商、地产商等，活跃学术思想，开展技术交流，关注专业发展方向。
RR架构介绍
> > > > 2N架构
2N架构（如图1所示）由N + N个供电单元组成。其中N个供电单元为主用供电单元，为N个用电单元提供一对一的主用电源；另外的N个供电单元为备用供电单元，为N个用电单元提供一对一的备用电源。1个主用电源 + 1个用电单元 + 1个备用电源，组成一套独立的系统，主用电源和备用电源均能分别承担100 % 的负荷，一般平时各承担50 % 负荷。
> > > > RR架构
RR（Reserve Redundancy的缩写）架构（如图2所示），又称后备冗余架构，由N + 1个供电单元组成。其中N个供电单元为主用供电单元，为N个用电单元提供一对一的主用电源；1个供电单元为后备供电单元，为N个用电单元提供公共的备用电源。
中低压RR架构具体形式
中低压RR架构形式多种多样、各有利弊，中压配电系统和低压配电系统均采用RR架构。以下从理论上介绍4种中低压RR架构，并进行简要分析。这4种中低压RR架构，N + 1个供电单元中均包含了变压器和不间断电源。
> > > > 第一种中低压RR架构（如图3所示）
10 kV ATS是通过备自投逻辑控制装置（综保或PLC等）投切10 kV断路器实现。之所以要设置10 kV ATS，是由于在某一段10kV母线不可用时，该母线段下的负载能够通过10 kV ATS切换到另一段10 kV母线上。
对于online模式运行的IT设备，主路（M）要使用UPS或HVDC（高压直流输电）等不间断电源，以在10 kV电源切换时由主路不间断电源为负载供电。平时IT负载的两路均由主路不间断电源供电，在某一主路不间断电源发生故障或检修时，切换到备路（R）供电；为保证备路供电的可靠性，备路也必须使用不间断电源。另外需要注意的是，必须使用STS作为切换装置，才能保证在主路切换到备路供电时不会引起供电中断。
这种架构的优点在于可以省掉N - 1套供电单元，同时可节约N - 1套供电单元的占地。但这种架构的末端相对复杂，不仅需要使用大量的STS，同时备路不间断电源至STS的电缆量也很大，成本上并无优势。此外，由于IT负载的两路电源平时均由主路供电，而主路又必须使用不间断电源，因此该架构不适用于为追求供电效率而使用1路不间断电源 + 1路市电为IT负载供电的情况。
> > > > 第二种中低压RR架构
为了部分解决第一种中低压RR架构需要大量STS及电缆的问题，可以采用第二种RR架构，其架构图如图4所示。
IT负载两路电源平时均由主路电源供电，在主路电源故障时，由备路电源供电，但仅仅是单路供电，风险稍有提升。相对于第一种RR架构，可以节省1 / 2的STS和1 / 4以上的末端电缆。
> > > > 第三种中低压RR架构
第一、二种中低压RR架构IT负载的A、B两路电源平时要么同时取自主路，要么同时取自备路，都无法适用于1路不间断电源 + 1路市电为IT负载供电的情况。如用户有追求供电效率的需求，可以采用第三种中低压RR架构，如图5所示。
IT负载的A路由N套供电单元提供常用电源，由1套公共备用供电单元提供备用电源，可通过STS进行切换。IT负载的B路直接从低压柜处取得交流市电，效率更高。
> > > > 第四种中低压RR架构
第三种架构中仍然需要使用STS进行切换，第四种RR架构（如图6所示）用ATS取代了STS，成本更低。
这种RR架构同样适用于1路不间断电源 + 1路市电为IT负载供电的情况。与第三种RR架构不同的是：第四种RR架构在负载的B路进线切换，当某一供电系统的市电不可用时，ATS切换到由公共备用供电，低压ATS需要设置较长的切换时间，以躲过中压母联动作时间或柴油发电机投入动作时间，且低压ATS需要有闭锁功能，一旦其中一个ATS切换到备路工作，则其他路ATS则不再投备路。
中压RR架构介绍
上述4种RR架构，都有一个共同特点：公共备用单元包括了变压器和不间断电源，从公共备用不间断电源至IT负载需要的电缆量较大。中压RR架构的公共备用电源不包括不间断电源，只包括变压器，其架构图如图7所示。
这种方案中，低压I段与II段母线之间有母联，平时母联闭合，低压II段母线与公共备用变压器TR07断开，IT负载的A、B路电源均来自于主用变压器TR01 ~ TR06。A、B路电源可以是两路UPS，也可以是1路市电、1路UPS，还可以是1路市电、1路HVDC。
图8是在图7架构基础上进行的衍变，将柴油发电机纳入到供电单元，实现分布式柴油发电机。该架构是真正投入使用过的一种RR架构，10 kV主接线（下称主中压）采用单母线分段接线，母联通过综保（或PLC等）实现自投功能，逻辑上采用自投不自复、市电有电系统有电，平时分段运行，某一市电故障时母联闭合。采用分布式中压柴油发电机，无柴油发电机并机系统，分别就地接入中压切换装置（下称分中压），分中压也是通过综保（或PLC等）实现自投功能。柴油发电机、分中压、变压器组成一个供电单元，共7套供电单元，其中1 # ~ 6 # 为主用单元，7 # 为公共备用单元。低压也采用单母线分段接线，主用供电单元接入低压I段母线，公共备用单元通过封闭母线接入低压II段母线。为获得更高的供电效率，可采用1路市电 + 1路HVDC为IT负载供电，B路由低压I段母线直接为IT负载提供交流市电，A路由HVDC为IT负载提供直流不间断电源，HVDC由低压II段母线供电。
与集中式柴油发电机中压RR架构相比，分布式柴油发电机中压RR架构最主要区别是采用了分布式柴油发电机，在双路市电供电中断、柴油发电机带载的情况下，每套供电单元完全独立，避免了因柴油发电机并机故障而引起整个模组宕机的隐患。此外，分布式柴油发电机中压RR架构还节约了柴油发电机并机后接入主中压的4面开关柜，并简化了中压系统的投切逻辑。
分布式柴油发电机中压RR架构与2N架构对比
经比对，RR架构在建设成本上并无明显优势，之所以采用RR架构，最主要原因是RR架构可节约变压器容量电费。但从2019年开始，各地开始取消容量电费，这一优势也逐渐淡去。在可靠性方面，RR架构和2N架构各有优势。
> > > > 建设成本对比
表1是分布式柴油发电机中压RR架构与2N架构的对比，都采用1路市电 + 1路HVDC的供电方式。
> > > > 可靠性分析
架构上的差异必然带来可靠性的差异，RR架构应用相对较少，更需深入研究其风险点所在，才能更好保障数据中心的稳定运行，比较项目如表2所示。
> > 柴油发电机冗余度
目前数据中心柴油发电机多按N + 1冗余度设计，分布式柴油发电机中压RR架构和2N架构的柴油发电机也都是按N + 1的冗余度设计。从设计上讲，两者的柴油发电机冗余度并无区别，但数据中心的实际运行负荷往往比设计负荷低很多，一般都低于设计负荷的60 %。如按实际负荷计算，2N架构柴油发电机实际需求台数为6 × 60 % = 3.6台，也就是说只需4台柴油发电机便可满足负荷需求，冗余台数为3台。而RR架构柴油发电机无法并机，无法“化零为整”，冗余度仍为1台。因此从实际运行情况看，RR架构的柴油发电机冗余度低于2N架构。
> > 柴油发电机并机故障风险
分布式柴油发电机中压RR架构无法像2N架构那样通过柴油发电机并机实现“化零为整”，以获得更大的冗余度，但却避免了2N架构柴油发电机并机故障风险。在柴油发电机带载情况下，7套供电单元电气上相互独立，因供电系统引发的模组级宕机风险几乎为零。在这一点上，分布式柴油发电机中压RR架构更有优势。
> > 变压器冗余度
虽然2N架构有12台变压器，但由于变压器并没有像柴油发电机那样并列运行，因此冗余度并不是6 + 6，而是两两成对运行，共6套供电系统，每套供电系统由两个供电单元组成，每套供电系统冗余度为1 + 1，整个模组变压器冗余度记为6 × （1 + 1）。
如果单台变压器平均故障修复时间为MTTR，平均无故障时间为MTBF，则单台变压器不发生故障的概率P 1 （下称单台变压器可用性）为：
P 1 = [1-MTTR/MTBF] × 100 % （1）
每套供电系统的两台变压器不同时发生故障的概率P 2 （下称单套供电系统变压器可用性）为：
P 2 = 1 - （1 - P 1 ） 2 （2）
整个模组6套供电系统均可用的概率P 6 （下称单模组变压器可用性）为：
P 6 = ［1 - （1 - P 1 ） 2 ］ 6
= （2P 1 - P 1 2 ） 6
=（2 - P 1 ） 6 · P 1 6 （3）
以P1 = 99.9 % 为例，P6 = 99.999 4 %。
设计上，RR架构变压器冗余度为6 + 1，低于2N架构的6 × （1 + 1）。考虑实际运行负荷低（实际负荷按设计负荷的60 % 考虑），加上变压器具有一定的超载能力，分布式柴油发电机中压RR架构可做到允许变压器任意两台故障，也就是5 + 2。
以P 1 = 99.9 % 为例，P = 99.999 996 5 %。
因此，按实际运行情况，可认为分布式柴油发电机中压RR架构变压器可用性高于2N架构。
> > 自投级数
RR架构在主中压、分中压、低压均具有备自投功能，而2N架构只存在2级。因此在市电中断等紧急情况，RR架构自投成功概率会更高。
> > IT负载A、B路电气隔离
对于2N架构，IT负载的A、B路平时完全电气隔离，任意一路供电中断，另一路不受影响。但是对于RR架构，由于母联常合，IT负载的A、B路均来自同一变压器、同一分中压、同一主中压，因此一旦低压母线及上游任意一处不可用，都会导致A、B路市电不可用，仅由电池放电提供最后一道保障，对电池性能要求更高。这给后期运维埋下较大隐患（尤其是在电池快接近使用寿命以及电池更换期间），因此RR架构的运维难度要高于2N架构。
> > > > 供电效率
RR架构在末端的供电效率与2N架构并无差别，主要差别体现在变压器效率上。变压器的损耗包含铁耗和铜耗，铁耗是固定损耗，而铜耗是可变损耗，与负荷的平方成正比。
在变压器低载情况下，铜耗占比小，主要损耗为铁耗。随着负荷的增加，铜耗与铁耗比重相当。随着负荷继续增加，铜耗占据主导地位。
根据某变压器厂家提供的损耗和效率曲线（如图9所示），变压器效率在负载率为40 % ~ 45 % 最高。将2N架构效率与对应负载率下的RR架构的效率比较如表3所示：当RR架构负载率低于60 % 时，RR架构效率更高；当RR架构负载率高于60 % 时，2N架构效率更高。因此两种架构的变压器效率比较，应根据具体负载率而定，难以说哪种架构更优。
分布式柴油发电机中压RR架构运维保障
没有哪一种架构是绝对完美的，分布式柴油发电机中压RR架构也同样存在一些缺陷，尤其是IT负载A、B路电源不能电气隔离，更需要在运维阶段加强重视。在充分了解分布式柴油发电机中压RR架构的技术特点之后，可采取以下针对性保障措施。
> > > > 可预期操作
将对数据中心的操作分为紧急操作和可预期操作：紧急操作是在突发故障之后，为尽快恢复到稳定运行状态而进行的操作；可预期操作是计划性地进行系统调整，以满足检修、改造等场景的需求。由于RR架构A、B路电源没有电气隔离，一旦对变压器低压主进断路器及以上供电路径的任一设备进行断电操作，都会导致IT负载失去双路市电，仅由电池放电带载，因此需要采取一定措施，降低操作风险，保障数据中心的稳定运行。
当需要将负载由主用变压器割接到公共备用变压器时，一般操作顺序是分主进、合公备。这样一来，在刚分完主进、公备未闭合前，IT负载双路市电均不可用，仅由HVDC的电池带载。
可预期保障操作顺序是：分母联、合公备、分主进、合母联。在任意时刻，IT负载都至少有一路市电可用，相对更安全。
> > > > 变压器超载运行
由于RR采用N + 1架构，公共备用变压器作为最后的应急资源，极为重要。正常情况下，公共变压器只能为1台主用变压器提供备用；但极端情况下（> 1台变压器不可用），必须让公共备用变压器超载运行，并且安全运行。因此采用强迫风冷手段（例如7#变压器80 ℃启、60 ℃ 停；其余变压器100 ℃ 启、80 ℃ 停），让变压器可在110 % 负载下长期运行，且该方案在综合测试时通过测试。
一种新型RR架构
对于IT设备online模式运行而言，所有RR架构都有一个致命的问题：平时低压母联常合，IT负载A、B路都由同一台变压器供电，无法实现电气隔离。而如果IT设备按offline模式运行，正好可以避免这一问题。为此，笔者提出一种新型的针对offline模式运行的RR架构。
如图10所示，该架构A、B路电气上完全隔离，同时由于IT负载为offline模式运行，平时由低压I段母线为IT负载提供交流市电（B路）；在B路供电异常时，由A路电池放电来满足负载电力需求；当某一A路电池此时发生故障，由DC整流继续为IT负载供电。
本文有删减，全文载于《建筑电气》2022年第12期，详文请见杂志。 版权归《建筑电气》所有。
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