陳柯羽

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

1 不同等級(jí)數(shù)據(jù)中心的差異性

數(shù)據(jù)中心作為現(xiàn)代社會(huì)信息處理和存儲(chǔ)的核心設(shè)施，其設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)以及維護(hù)的復(fù)雜性不容小視。為了衡量和分類數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施功能性與可靠性，美國(guó)電信行業(yè)協(xié)會(huì)（Telecommunications Industry Association，TIA）和Uptime Institute 等機(jī)構(gòu)提出了數(shù)據(jù)中心等級(jí)（Tier）的概念[1]。根據(jù)這種劃分，數(shù)據(jù)中心可以被歸為4 個(gè)等級(jí)：Tier I、Tier II、Tier III 和Tier IV，每個(gè)等級(jí)都有其特有的設(shè)計(jì)、冗余以及可靠性要求。

Tier I 數(shù)據(jù)中心是最基本的等級(jí)，通常沒(méi)有冗余的設(shè)備或系統(tǒng)，僅適用于處理非關(guān)鍵的業(yè)務(wù)任務(wù)。這類數(shù)據(jù)中心可能會(huì)面臨較高的停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槿魏卧O(shè)備的故障都可能導(dǎo)致服務(wù)中斷。供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的配置相對(duì)簡(jiǎn)單，可靠性與能效相對(duì)較低。

Tier II 數(shù)據(jù)中心在某些關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)上有冗余設(shè)計(jì)，可以提供更高的可靠性和維護(hù)性。然而，這類數(shù)據(jù)中心仍然可能在某些系統(tǒng)更新或維護(hù)期間面臨停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。它們的供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)比Tier I 數(shù)據(jù)中心更復(fù)雜，提供了更好的能效和可靠性。

Tier III 數(shù)據(jù)中心在所有關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)上都有冗余設(shè)計(jì)，可以在不影響服務(wù)的情況下進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和更新。它們的供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，可靠性與能效進(jìn)一步提高。此外，Tier III 數(shù)據(jù)中心還提供了雙路電源，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的冗余性和可靠性。

Tier IV 數(shù)據(jù)中心是最高等級(jí)，擁有全面冗余的設(shè)備和系統(tǒng)，以及強(qiáng)大的故障容忍能力，其供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)是最復(fù)雜的，可提供最高的可靠性與能效。此外，Tier IV 數(shù)據(jù)中心還設(shè)計(jì)有多種故障轉(zhuǎn)移路徑，可以在任何設(shè)備或系統(tǒng)故障的情況下，無(wú)縫切換到備用設(shè)備或系統(tǒng)，以保證服務(wù)的連續(xù)性。

數(shù)據(jù)中心的等級(jí)提升，不僅意味著其供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的復(fù)雜性與冗余性增加，而且還意味著其運(yùn)行和維護(hù)的成本提高。因此，數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)者和運(yùn)營(yíng)者需要根據(jù)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵性、可接受的服務(wù)中斷時(shí)間、預(yù)算和能源效率等因素來(lái)決定適合的數(shù)據(jù)中心等級(jí)[2]。總體來(lái)說(shuō)，不同等級(jí)的數(shù)據(jù)中心在供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、配置以及運(yùn)營(yíng)方面有顯著的差異。這些差異直接影響了數(shù)據(jù)中心的可靠性、冗余性、可維護(hù)性和能效。

2 不同等級(jí)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的配置架構(gòu)

2.1 Tier I 數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)

Tier I 數(shù)據(jù)中心是基礎(chǔ)設(shè)施最簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)中心等級(jí)。這種類型的數(shù)據(jù)中心通常只有一個(gè)路徑為其所有IT 設(shè)備提供電力。由于沒(méi)有冗余設(shè)計(jì)，任何電力系統(tǒng)的故障都可能導(dǎo)致服務(wù)中斷。其供電系統(tǒng)通常包括一個(gè)主配電板，直接從供電網(wǎng)獲取電力，然后通過(guò)分配線路向所有IT 設(shè)備供電。在配電系統(tǒng)方面，一般使用基礎(chǔ)的配電設(shè)備，如配電板和電纜。由于系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維護(hù)相對(duì)容易，但可靠性和能效相對(duì)較低。

2.2 Tier II 數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)

Tier II 數(shù)據(jù)中心在供電系統(tǒng)上具有一定的冗余設(shè)計(jì)，包括備用發(fā)電機(jī)和不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）。這些設(shè)備可以在市電斷電時(shí)提供臨時(shí)電力，避免服務(wù)中斷。然而，這些設(shè)備仍然通過(guò)單一路徑連接到IT 設(shè)備，因此在進(jìn)行設(shè)備維護(hù)或升級(jí)時(shí)，仍然可能需要暫時(shí)停機(jī)。在配電系統(tǒng)方面，除了基礎(chǔ)的配電設(shè)備，還可能包括一些冗余的設(shè)備，如備用配電板和電纜。

2.3 Tier III 數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)

Tier III數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)具有完全的冗余設(shè)計(jì)。除了備用發(fā)電機(jī)和不間斷電源，還包括雙路電源系統(tǒng)，可以在一條路徑故障時(shí)，通過(guò)另一條路徑向IT 設(shè)備供電，從而提供更高的可靠性[3]。此外，這些路徑設(shè)計(jì)成互相獨(dú)立的，可以在不影響服務(wù)的情況下進(jìn)行設(shè)備維護(hù)和升級(jí)。在配電系統(tǒng)方面，除了基礎(chǔ)和冗余的配電設(shè)備，還包括自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（Automatic Transfer Switching，ATS）和電源分配單元（Power Distribution Unit，PDU），用于自動(dòng)切換電源路徑與精確控制電力分配。

當(dāng)車輛高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也常常會(huì)發(fā)生一些突發(fā)事件，特別是在夏天，汽車水箱中的冷凝水溫度超標(biāo)導(dǎo)致控溫作用下降，進(jìn)一步導(dǎo)致的汽油粘稠度的下降，讓零件間的摩擦力大大增加，情況嚴(yán)重時(shí)甚至還有可能發(fā)生機(jī)車引擎部分的變形進(jìn)一步導(dǎo)致機(jī)車失控從而造成嚴(yán)重后果。與此同時(shí)在盤(pán)山道上駕駛過(guò)程中，上坡下坡前后反復(fù)出現(xiàn)，造成車輛剎車片嚴(yán)重磨損進(jìn)一步造成剎車失去控制。

2.4 Tier IV 數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)

Tier IV 數(shù)據(jù)中心是供電系統(tǒng)最復(fù)雜和可靠的數(shù)據(jù)中心等級(jí)，不僅具有全面的冗余設(shè)計(jì)，而且包括多種故障轉(zhuǎn)移路徑，可以在任何設(shè)備或系統(tǒng)故障的情況下，無(wú)縫切換到備用設(shè)備或系統(tǒng)。此外，所有設(shè)備和系統(tǒng)都設(shè)計(jì)為容錯(cuò)，即使在設(shè)備或系統(tǒng)故障的情況下，也能繼續(xù)提供服務(wù)。在配電系統(tǒng)方面，除了基礎(chǔ)和冗余的配電設(shè)備、ATS 以及PDU，還包括靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（Static Transfer Switch，STS）和配電管理系統(tǒng)（Distribution Management System，DMS），用于自動(dòng)、快速且精確地切換電源路徑和管理電力分配[4]。

供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置對(duì)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行至關(guān)重要。在Tier I 數(shù)據(jù)中心，由于沒(méi)有冗余設(shè)計(jì)，電力系統(tǒng)的任何故障都可能導(dǎo)致服務(wù)中斷。而在Tier II 數(shù)據(jù)中心，盡管有備用發(fā)電機(jī)和UPS，但由于仍然只有單一路徑，因此在進(jìn)行設(shè)備維護(hù)或升級(jí)時(shí)，可能需要暫時(shí)停機(jī)。綜上所述，不同等級(jí)的數(shù)據(jù)中心在供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的配置架構(gòu)、冗余設(shè)計(jì)以及可靠性方面具有顯著差異，這些差異不僅直接影響了數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行，也對(duì)其設(shè)計(jì)和維護(hù)提出了不同的要求與挑戰(zhàn)。

3 不同等級(jí)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的對(duì)比分析

3.1 可靠性對(duì)比

數(shù)據(jù)中心的可靠性主要取決于其供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與配置。在這個(gè)方面，Tier IV 數(shù)據(jù)中心具有最高的可靠性，因?yàn)槠涔╇娤到y(tǒng)和配電系統(tǒng)都有全面的冗余設(shè)計(jì)與多種故障轉(zhuǎn)移路徑。Tier III 數(shù)據(jù)中心的可靠性次之，其供電系統(tǒng)有雙路設(shè)計(jì)，可以在一條路徑故障時(shí)，通過(guò)另一條路徑向IT 設(shè)備供電。而Tier II 和Tier I 數(shù)據(jù)中心的可靠性相對(duì)較低，因?yàn)樗鼈兊墓╇娤到y(tǒng)只有單一路徑，任何電力系統(tǒng)的故障都可能導(dǎo)致服務(wù)中斷。

3.2 冗余設(shè)計(jì)對(duì)比

冗余設(shè)計(jì)是提高數(shù)據(jù)中心可靠性的重要方式。在供電系統(tǒng)方面，Tier IV 和Tier III 數(shù)據(jù)中心都有全面的冗余設(shè)計(jì)，包括備用發(fā)電機(jī)、不間斷電源以及雙路電源系統(tǒng)。而在Tier II 數(shù)據(jù)中心，只有備用發(fā)電機(jī)和不間斷電源，沒(méi)有雙路電源系統(tǒng)。在配電系統(tǒng)方面，Tier IV和Tier III數(shù)據(jù)中心除了基礎(chǔ)和冗余的配電設(shè)備，還包括自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和電源分配單元，用于自動(dòng)切換電源路徑和精確控制電力分配[5]。而在Tier II 和Tier I 數(shù)據(jù)中心，配電系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)較少。

3.3 維護(hù)性對(duì)比

數(shù)據(jù)中心的維護(hù)性主要取決于其供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與配置。在這個(gè)方面，Tier IV 和Tier III數(shù)據(jù)中心具有較高的維護(hù)性，因?yàn)樗鼈兊墓╇娤到y(tǒng)和配電系統(tǒng)都設(shè)計(jì)為可以在不影響服務(wù)的情況下進(jìn)行設(shè)備維護(hù)與升級(jí)。而在Tier II 和Tier I 數(shù)據(jù)中心，由于其供電系統(tǒng)只有單一路徑，因此在進(jìn)行設(shè)備維護(hù)或升級(jí)時(shí)，可能需要暫時(shí)停機(jī)。

3.4 能效對(duì)比

數(shù)據(jù)中心的能效主要取決于其供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與配置。在這個(gè)方面，Tier IV 和Tier III數(shù)據(jù)中心的能效通常優(yōu)于Tier II 和Tier I 數(shù)據(jù)中心。這是因?yàn)楦叩燃?jí)數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)通常使用更先進(jìn)的技術(shù)與設(shè)備，如高效的不間斷電源和電源分配單元，以及精確的電力管理系統(tǒng)，可以減少電力損耗和提高能源利用率。然而，高等級(jí)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行和維護(hù)成本也更高。

4 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 高效能源使用

隨著能源成本的上升和環(huán)保要求的加強(qiáng)，數(shù)據(jù)中心的能效將成為其設(shè)計(jì)和運(yùn)行的重要指標(biāo)。未來(lái)的數(shù)據(jù)中心可能會(huì)更多地使用高效的電源設(shè)備，如高效的不間斷電源和電源分配單元，以及精確的電力管理系統(tǒng)，來(lái)減少電力損耗和提高能源利用率。

4.2 綠色能源應(yīng)用

隨著可再生能源技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的數(shù)據(jù)中心可能會(huì)更多地使用風(fēng)能、太陽(yáng)能等綠色能源，以減少對(duì)化石能源的依賴和減輕環(huán)境壓力。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心可能也會(huì)利用先進(jìn)的能源存儲(chǔ)技術(shù)，如鋰離子電池和飛輪，來(lái)儲(chǔ)存和調(diào)度可再生能源。

4.3 智能化管理

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)的數(shù)據(jù)中心可能會(huì)實(shí)現(xiàn)更智能化的供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)管理。這可能包括基于機(jī)器學(xué)習(xí)的故障預(yù)測(cè)和診斷、基于大數(shù)據(jù)的電力使用優(yōu)化以及基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。

4.4 模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

為了提高數(shù)據(jù)中心的建設(shè)效率和運(yùn)行靈活性，未來(lái)的數(shù)據(jù)中心可能會(huì)采用更多的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，這可能包括標(biāo)準(zhǔn)化的電源和配電設(shè)備、模塊化的電力系統(tǒng)架構(gòu)以及插拔式的設(shè)備接口。

5 結(jié) 論

數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)是其運(yùn)行的重要組成部分，其配置架構(gòu)的選擇需要根據(jù)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵性、可接受的服務(wù)中斷時(shí)間、預(yù)算和能源效率等因素進(jìn)行權(quán)衡。而隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)的數(shù)據(jù)中心可能會(huì)有更多新的配置架構(gòu)和管理方法出現(xiàn)，以滿足更高的性能要求與更多元化的業(yè)務(wù)需求。