分布式冗余供配电架构在数据中心的应用研究与运行分析

陈能虎傅烈虎等 2026-09-15 11:50 北京

以下文章来源于：建筑电气杂志

建筑电气杂志

创刊于1981年，是国家新闻出版广电总局第一批认定的学术期刊，由中华人民共和国住房和城乡建设部主管，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。致力于打造电气行业权威、专业学术平台。

供配电系统在数据中心起着至关重要的作用，合理的供配电系统设计与实施是数据中心安全可靠运行的基础，也是实现绿色节能的主要方面之一。本文将通过实际案例对数据中心供配电系统进行研究分析。

分布式冗余供配电架构

数据中心在设计时，应根据其使用性质、数据丢失或网络中断在经济或社会上造成的损失或影响程度确定所属级别，即数据中心可划分为A级（容错型）、B级（冗余型）和C级（基本型）。A级数据中心供配电系统主要有3种架构：2N、DR（Distribution Redundancy,分布式冗余）、RR（Reserve Redundancy，后备冗余）。GB 50174 — 2017《数据中心设计规范》在附录A指出：A级数据中心应满足容错要求，可采用2N系统，也可采用其他避免单点故障的系统配置。

DR分布式冗余系统由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，每个供配电单元为本组负载和相邻负载供电，形成“手拉手”供电方式。正常运行情况下，每个供配电单元的负荷率为66 %（N = 3）。当其中一路供配电系统发生故障时，其对应负载由相邻供配电单元继续供电。DR供配电系统架构如图1所示。

实际应用场景分析

国内某项目采用3DR架构供电系统，正常情况配置3路独立电源。

正常工况下电源系统的运行分析

中压系统的运行状态分析

整栋建筑共8个机房（M0101 ~ M0108，如图2所示），引来3路10 kV市电电源为其供电（如图3所示），设置3套10 kV中压系统，每路容量均为10 000 kVA。3路10 kV系统采用单母线运行方式，同时工作，互为备用。每路电源正常使用时各分担1 / 3的总负荷，当其中1路失电或故障时，其余两路电源均能共同承担100 % 全部负荷。

每路10 kV电源带4套2 500 kVA的火车头电源系统，3路市电电源共带12套2 500 kVA的火车头电源系统。每3套不同上级10 kV电源的火车头电源系统组成1组3DR架构系统，共组成4组3DR架构系统。备用电源采用12 + 1台中压10 kV柴油发电机组，每台柴油发电机PRP功率1 800 kW。

低压系统的运行状态分析

在本案例DR架构中，每2个IT机房模块为逻辑上一个整体供电单元的最小体量。采用3套火车头电源系统，为每上、下相邻2个机房内IT机柜、空调模块、照明、消防等负荷提供电源。变压器0.4 kV主接线采用单母线接线方式，不设母联，每段低压母线布置在1面低压电力方舱中，如图4所示。

正常情况下3台变压器同时工作、互为备用。每套火车头电源系统变压器的负载率为66 %。当其中一套系统故障，另两套电源系统可为所有负载供电，每台电源负载率100 %。火车头电源系统采用三绕组变压器，一个绕组接入集中式HVDC输入端，给IT设备供电；另一个绕组给非IT设备供电。本文主要论述为IT设备供电。

本案例每个机房每列15个机柜（单机柜功率为7.2 kW），共18列，270个机柜。每上、下相邻两个机房通过低压电力方舱A路、B路、C路3套火车头电源系统供电。上、下相邻两个机房机柜各均分为六等份（其中每三列机柜为一个等份），如图5所示（以M0105、M0107机房为例）。

M0105机房的第A、B、C列和第K、M、N共6列机柜由火车头电源A、B供电，第G、H、J列和第S、T、U共6列机柜由火车头电源B、C供电，第D、E、F列和第P、Q、R共6列机柜由火车头电源C、A供电（如图5所示），实现了IT负载的平均分配。M0107机房情况类似。

1套火车头电源系统配置1 800 kW的集中式HVDC电源系统，由4组整流柜组成，每组整流柜450 kW，正好给一个机房的6列机柜配电。每组出6个配电回路，分别对应6列机柜的6台综合配电柜。4组整流柜共出24个配电回路。

正常运行时（考虑A列和U列机柜备用不上电），各路火车头电源系统各组整流柜所带负载如表1所示。由表1可见，一套火车头电源系统的4组整流柜所带负载并不完全相同，各HVDC整流柜负载率基本在66 % 左右，符合预期。每组整流柜所配电池的容量至少需要满足表1负载功率的持续供电时间要求。

一次故障场景下电源系统的运行分析

3DR架构系统典型的一次故障工况有如下几种：① 一路市电检修或停电；② 一路变压器故障；③ 一套整流柜故障；④ IT负载一路电源模块检修或故障。下面分别对这几种故障场景进行分析。

一路市电检修或停电工况

根据供电分区图，对供电区域进行梳理，可以更好地看出某一路电源故障后的影响区域。当某一路市电检修或停电，只影响该路电源配电区域。综合配电柜两路电源在柜内是完全独立的，并且整个DR架构系统在10 kV侧是单母线运行，没有联络；在低压侧也是单母线运行，不设联络。因此，当一路市电检修或停电的情况下，首先由该路的HVDC电池供电。

当A路火车头电源检修或停电，在由火车头电源A、B供电的机柜区域，15 min之内由A路火车头电源的HVDC集中电源电池供电，此时IT负载由一路HVDC + 一路电池供电；15 min之后，电池放电结束，IT负载由B路单电源供电。由火车头电源C、A供电的机柜区域同理，15 min电池放电结束之后，IT负载由C路单电源供电。A路电源故障时机房配电分区示意如图6所示。

在3路市电电源分别检修或停电的情况下，剩余各路电源所带机柜数量如表2所示。由表2可知，最不利情况出现在A或C路电源检修或停电工况下。此时C或A路电源所带机柜数量为255个，总功率为255 × 7.2 kW = 1 836 kW，超过了火车头电源的总容量1 800 kW，火车头电源系统会过载。

当C路电源检修或停电工况下，A路、B路火车头电源系统整流柜所带机柜功耗及负载率如表3所示。由表3可知，在C路电源检修或停电工况下，出现2台整流柜过载情况。笔者与HVDC厂家确认，单台电源模块可以在110 % 负载情况下正常工作。因此，在单路市电故障情况下，系统可以在110 % 负载情况下正常工作。

一路变压器故障工况

从10 kV侧到低压侧，再到每列的综合配电柜，3 DR系统是独立的两路电源，没有在中压侧、低压侧设置联络，也没有在综合配电柜配置ATS互投，因此一路电源故障、一台变压器故障、一套集中式HVDC设备故障，对IT负载配电的影响基本是一样的。这几种工况与一路电源故障相比，差异点在于市电停电是要给10 kV柴油发电机组启动提供控制逻辑，用来判断是否启动柴油发电机机组。

一路整流柜故障工况

如果整流柜前端故障，电池可以正常放电带载15 min。如果整流柜输出侧故障，电池就不能放电带载，就没有15 min电池放电的过渡过程，直接进入单路电源带载模式。

IT负载一路电源模块检修或故障工况

当IT负载的一路电源模块故障，不管前端电源情况如何，IT负载都将由单路电源供电。

常见二次故障场景下电源系统的运行分析

常见二次故障场景下电源系统的运行分析（如表4所示）基于3路独立电源供电，若实际市政电源情况不是独立3路电源，可在此基础上作进一步分析。