当下小型超算中心主要针对小规模的计算需求，通常配置较少的计算节点和存储设备，适用于小型团队的科学计算、科学研究、数据处理等。本文以某小型超算中心的基础设施建设项目为例，探讨和分析小型超算中心基础设施的电气设计要点。

1 小型超算中心项目概况

本超算中心是利用已有建筑进行改造，根据需求进行平面布置的调整。超算中心位于某建筑的二层，总建筑面积1500m²,层高为4.7m；一层为整栋楼的变配电室。主机房主要布置1台超算主机；2套微模块机柜；2台加湿机；1台新风机等。

主要电气设计需求如下：

(1) 超算主机总功耗800kW(峰值)、服务器机柜总功耗150kW。

(2) 超算主机HVDC直流电源系统蓄电池后备时间要求5min；服务器机柜UPS电源系统蓄电池后备时间要求30min。

2 小型超算中心设计

  2.1 机房布置

小型超算中心平面布局规划的基本思路，是从数据中心最基本的超算主机和服务器机柜需求出发，选取能够匹配需求的电气、暖通系统技术路线和解决方案，在满足设计规范的同时兼顾考虑建设成本和施工便利，以及相应的降低PUE指标。

关于配电室的布置，一方面考虑超算主机功耗大，电力电缆需求量较多，配电室需靠近主机房，保证HVDC直流电源至超算主机电缆敷设距离短；另一方面考虑从一层变配电室引电方便，靠墙不同方向分别设置两个电缆孔洞，电缆路由距离最短，可大大节省投资成本；配电室主要布置2台市电交流配电柜；2套HVDC直流电源；1台UPS电源；2台机房专用空调等。

考虑电池电缆敷设距离短，电池室与配电室仅一墙之隔。电池室主要布置2套HVDC直流电源系统后备蓄电池组4组；1套UPS主机电源系统后备蓄电池组2组；10台电池柜；2台机房专用空调等。

考虑各水泵服务不同的功能区，水泵房分为2间设置。一间为主泵房：布置3套冷冻水泵；3台水泵控制柜；1台水系统群控柜；1套超纯水制造设备，主要服务液冷超纯水空调系统；1台1立方补充水箱。另一间为副泵房：布置2台板换；2台冷冻水泵；2台水泵控制箱等，主要服务模块化机柜的列间空调系统。本项目规模较小，配套服务水泵功率为37kW,采用直接起动就地控制方式进行配电和控制。

考虑超算中心所在建筑物现有格局情况，尽量减少平面的改动，超算中心各功能区域及其面积规划如下：主机房区域约为270m²、配电室区域约为50m²、电池室区域约为80m²、2间水泵房约为90m²、预留机房区约为370m²,其余为辅助区域。室外冷水机组布置在机房楼南侧，位于室外一层地面；将监控室及办公区域空调室外机，布置在二层机房东侧一层前厅屋面。超算中心功能区域平面布局图如图1所示。

图1 超算中心功能区域平面布局图

  2.2 UPS架构对比

本工程存储区域服务器机柜采用微模块冷通道封闭模式，设计采用2套微模块机柜，每套模块单元配置22台3kW机柜，2台电源列头柜(A、B两路),共计44个服务器机柜。同步系数按0.85计算，功率因数按0.95计算，总视在功率约为150kVA。数据中心常见的UPS架构包括2N+1、2N、N+1、BR、DR、RR等^[1],侧重点各有不同。

基本型UPS架构图如图2所示。由一路市电接入UPS向负载直接供电，基本型方案效率最高、成本最低。

图2 基本型UPS架构图

串联冗余是一种特定的N+1架构，将冗余UPS接入主用UPS的静态旁路中，当主用UPS故障时，通过旁路切换使备用UPS切入系统。其优点在于不限定主备用UPS型号，可适性强，经济性好，但存在单故障点。串联冗余UPS架构图如图3所示。

图3 串联冗余UPS架构图

并联冗余也是一种特定的N+1架构，它由多个同一规格的UPS模块并联在一根公用输出母线上组成。备用的UPS容量至少要为其中一个UPS单元的容量。并联冗余系统要求UPS模块的容量、型号、频率、相位等均相同，对设备要求较高。并联冗余UPS架构图如图4所示。

图4 并联冗余UPS架构图

模块化UPS冗余是一种特定的N+1配置。上述串联冗余和并联冗余的冗余部分，多指采用独立的UPS单元。但是模块化UPS通过内置算法，可从UPS架构内功率模块层解决冗余问题，在该配置下，内部模块共用一套电源、控制系统和电池设备。

BR和RR容错架构基本原理相似，均为以3台或以上的UPS单元做基础，其中1台UPS空载做备份。当1台主用UPS单元损坏时，负载端通过STS切换至备份UPS供电。本架构模块化易扩容，但是采用大量的STS架构复杂，需配套自控转换控制，对运维有较高的要求。

DR容错架构以3台或以上的UPS单元做基础，各UPS均带载运行，1台UPS损坏时，其负载切换至其余UPS,此时会形成单UPS单元供电，可靠性较低，对UPS负载率有要求。

2N+1、2N架构整体存在50%及以上的容量冗余，在金融、银行行业应用较为广泛。

供配电各类架构优缺点对比如表1所示。

表1 供配电各类架构优缺点对比

根据^[2]中附录A要求，数据中心其重要性分为A、B、C三级，其中A级按容错配置电源、B级按N+1冗余配置电源、C级按基本需求配置电源。本工程为小型超算中心，考虑本项目为改造项目，一层变压器已存在双重电源，同时考虑项目重要程度和保密程度，电源层面采用一套UPS电源加一路市电构成的双路2N供电方案。每套模块单元配置A、B路2台电源列头柜，A路为1路UPS电源；B路为1路市电电源引自本项目2层配电室。规范最低标准要求UPS满足N架构即可，但在实际工程设计中，应结合项目的重要程度、业主需求做好冗余，应综合考虑供电可靠性及工程造价的平衡。通过上述对比分析，采用一套模块化UPS做N+1架构冗余。根据负荷计算，负载总视在功率约为150kVA,模块化UPS选用200kVA,其中150kVA做主用，其余50kVA做冗余。根据^[2]第8.1.7条校验，满足1.2倍冗余要求，方案设计合理且经济。

  2.3 不间断电源旁路方案

为保障维修系统安全及数据中心的可持续供电，需要为UPS配备旁路方案。内置UPS旁路按其构成可以分为分散旁路型式和集中旁路型式^[3]。分散旁路是指在一套运行的UPS系统中，每处UPS单元均独立配置旁路，当单元一点维修或故障时，由该旁路直接向负载供电，当多台故障时，由各自旁路分别直接向负载供电。集中旁路是指在一套运行的UPS系统中，独立设置一套静态旁路，旁路电源的断路器线缆等规格和主路电源一致。当UPS组有检修需求或故障时，切换至旁路向负载直接供电。两种旁路方式各有利弊，需根据工程实际情况进行选择。UPS集中旁路示意图如图5所示。UPS分散旁路示意图如图6所示。

图5 UPS集中旁路示意图

图6 UPS分散旁路示意图

集中旁路控制系统具有过载能力强、可靠性高的优点；分散旁路控制系统则具有可扩容性高、节约空间、成本低的优点，但存在一定可靠性风险。本工程采用模块化UPS方案，模块化UPS采用热插拔技术，允许单体模块在不停电的情况下接入或退出，不会影响其余模块的正常工作，能够实现在线维护，减少了旁路检修的概率。本工程为小型超算中心，负荷容量小、整体风险可控，故采用集中旁路控制系统。

在极端情况下，UPS故障退出运行，需要进行电气隔离，此时需要设置外置检修旁路开关，该旁路能够有效保障UPS的使用安全，进一步提升系统的稳定性和安全性。平时情况下，检修旁路开关应带锁，以防止人为误操作；开关合闸后，UPS的输入输出侧均须可靠断开；检修完成后，先切换至静态旁路，再接入系统，最后断开维修旁路开关。

  2.4 HVDC电源系统

本工程采用第三代主机超级计算机系统，设备使用电压等级为直流336V,超算主机分为前、后两个模块仓，每个模块仓功率400kW,平时前、后两个模块仓互为备份，峰时计算均为主用，即超算主机两个模块仓峰时功率可达800kW。

市面上336V直流电源系统厂家较多，但本工程输出分路须非标定制才能满足超算主机用电需求。采用HVDC直流电源系统单独给超算主机供电模式，按系统负荷率约80%设计，配置2套336V/500kW直流电源系统，分别为超算主机前、后两个模块仓供电。平时两套系统互为备份，设备峰值时可全部主用。每套直流系统额定输出电压为336V,单个模块容量为20kW,配置30个20kW整流模块(含备用及充电)。系统不设交流配电屏，交流电源直接从一层变配电室低压配电柜输出断路器引接。

每套直流系统输出单元配置5路500A熔芯，其中4路供超算主机电源接入，另外一路作为备用。每套直流电源系统配置12V/200Ah高功率蓄电池120节，按恒功率放电计算蓄电池组后备时间大于5min, 每组后备蓄电池组直流开关柜分别设置，且电池开关低电压脱扣功能关闭。

交流输入应与直流输出电气隔离。直流输出应与地、机架、外壳电气隔离。正负极全程均不接地，采用悬浮方式供电；系统应采用直流型绝缘监测装置，能对直流总母排和各直流输出主分路的绝缘状况进行监测。HVDC直流系统原理图如图7所示。

图7 HVDC直流系统原理图

3 结 语

本文以某小型超算中心的基础设施建设项目为例，探讨和分析小型超算中心基础设施的电气设计要点。在设计中，超算主机采用高压直流系统；存储区域采用1路UPS(模块化)+1路市电；UPS采用模块化N+1冗余设计。本设计可提高施工效率，降低施工成本，对后期小型超算中心项目的电气设计有一定的参考及借鉴意义。