安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

【摘要】 在互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)背景下，與之配套的大型數據中心建設數量加速增多，本文試從數據中心對供配電系統的需求進(jìn)行分析，淺要探討數據中心供配電系統設計方案。

【關(guān)鍵詞】數據中心；供配電系統；供配電設計方案

 

       隨著(zhù)近年互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，建立在計算機技術(shù)基礎上的游戲、云計算、金融、大數據、智能家居等等領(lǐng)域發(fā)展蓬勃，對大規模的計算資源需求極大，這就要求建設一系列相配套的大規模數據中心。一般的數據中心用于存儲提供平臺服務(wù)的設備，諸如服務(wù)器、存儲硬盤(pán)、網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)纜等，這對電力供應的要求非常之高，耗電量也是巨大的。在進(jìn)行數據中心的供配電系統設計工作中，涉及的細節繁雜，除了為巨量的線(xiàn)纜設備提供能夠安全穩定工作的物理空間，還需要考慮路由布線(xiàn)、管理和維護等等因素。因此，本文通過(guò)分析其對于特殊的數據中心的功能需求，從而為深入的供配電設計提供設計思路。

 

       在進(jìn)行數據中心設計工作時(shí)，通常參考《數據中心設計規范》（GB50174-2017）中的規定，一般將數據中心劃分為A、B、C三個(gè)等級，分級依據則是綜合考慮數據中心建成后的使用性質(zhì)、遇到突發(fā)狀況導致數據丟失或網(wǎng)絡(luò )中斷后可能會(huì )對經(jīng)濟和社會(huì )造成何等損失及影響程度。當數據中心在發(fā)生供電中斷時(shí)，造成重大經(jīng)濟損失或公共場(chǎng)所秩序嚴重混亂者定性為*；運行中斷后造成較大經(jīng)濟損失或造成公共場(chǎng)所秩序混亂的定性為B級；其他的屬于C級。而在異地建設的具有備份功能的機房則需要在設計階段將等級確定為與原機房相同。在進(jìn)行數據中心供配電系統設計過(guò)程中，要依照上述分區和分級的原則，供配電系統在實(shí)際作業(yè)狀態(tài)下的穩定性和安全性是首要確保的。同時(shí)要考慮出現故障或發(fā)生不可抗力造成損壞后，如何大程度上縮小故障影響的范圍，降低潛在的重大經(jīng)濟損失或者公共秩序的擾亂。

 

       進(jìn)行數據中心的供配電系統設計工作，首先需要分析在數據中心的實(shí)際業(yè)務(wù)過(guò)程中對供配電系統的功能需求，在以往的實(shí)踐經(jīng)驗中可以主要概括為四點(diǎn)：連續、穩定、平衡、分類(lèi)。連續是指數據中心的IT機柜往往是不間斷使用的，需要全天候對數據進(jìn)行處理，這就要求供電系統不間斷供電。供電系統在工作狀態(tài)中存在暫態(tài)電能質(zhì)量的變化，專(zhuān)業(yè)上稱(chēng)之為容忍區，在不間斷供電的前提下，容忍區對數據中心的設備會(huì )帶來(lái)一定損傷，但是只要在合理范圍內，大部分信息設備對容忍區帶來(lái)的電氣損害是有能力承擔的，通常供電系統在切換、電壓跌落等狀態(tài)下，控制在20ms以?xún)鹊娜萑虆^是不會(huì )對設備造成過(guò)大損害的。

       穩定是指為數據中心供電的電源設備需要保證頻率穩定，波形失真控制在較小的范圍內。穩態(tài)電壓偏移值的要求比較嚴苛，需要控制在±3%之內，這對大部分市電供電系統而言要求過(guò)高，因此必須配備額外的UPS系統。平衡是要求在數據中心運行過(guò)程中三相電源保持平衡，三相平衡的穩定負載不會(huì )對供電設備帶來(lái)太大的壓力。分類(lèi)是指數據中心中涉及的設備類(lèi)型十分龐雜，這就需要把IT設備及相關(guān)輔助設備按照供配電保障要求進(jìn)行分級布置，合理歸置不同類(lèi)別的設備，以保證整個(gè)供配電系統的在可用性不變的前提下降低成本。

       在確定數據中心的供配電需求之后，設計人員著(zhù)手布置供配電系統的過(guò)程中，首先要對變配電室、電力電池室等電房位置進(jìn)行規劃。結合機房工藝布局，并充分考慮未來(lái)業(yè)務(wù)發(fā)展的各種可能性，堅持貫徹“土建通用化、機電定制化"的原則，變配電室深入負荷中心的同時(shí)，供電系統采用模塊化設計方案，實(shí)現供電路由優(yōu)，大量節省有色金屬的消耗量，減小供電損耗，在節省初期建設投資的同時(shí)，大大節省未來(lái)長(cháng)期的運行損耗費用。一般情況下，首先在確定數據中心的IT機房位置后，在其附近布置變配電室和電力電池室。合理科學(xué)地規劃供配電系統，按需求布置電設備房，從而做到在滿(mǎn)足機架數量的情況下，更好的提高實(shí)際作業(yè)狀態(tài)下供配電系統運行的穩定性和安全性。

       一般進(jìn)行數據中心供配電系統的變配電室布置時(shí)，需充分考慮數據中心需配備的變配電房的數量和配電路由的先后順序，其高壓配電相關(guān)部分通常設置在首層，供IT負荷使用的變壓器及其低壓部分、不間斷電源配電部分等則通?？鐦菍硬贾?。設置變配電所具體位置的同時(shí)也要充分考慮數據中心整體建筑的各個(gè)功能分區之間的作業(yè)需求，合理科學(xué)地進(jìn)行設計規劃。在對變配電方案設計時(shí)，原則上需要以終局容量作為核算標準來(lái)衡量方案的可擴展性，同時(shí)還要在物理空間角度節省成本。變配電的一部分工作對象是將交流市電線(xiàn)路與發(fā)電機組之間進(jìn)行切換，這之間需要設置自動(dòng)切換設備，通常采用帶有旁路隔離開(kāi)關(guān)型的ATS開(kāi)關(guān)。通過(guò)比對數據中心電氣工程設計規范，一般采取建設要求進(jìn)行施工，在處理抵押配電系統和后端配電系統時(shí)，需要按照物理隔離的方式進(jìn)行設置，這是為了保證電源發(fā)生物理碰撞或線(xiàn)路故障時(shí)，至少有一個(gè)電源被物理方式保護而不受損害。

       發(fā)電機房通常與數據中心的建筑部分獨立開(kāi)來(lái)，這是因為發(fā)電機組本身需要較大的物理空間進(jìn)行歸置，而且在作業(yè)過(guò)程中有大量的熱量、震動(dòng)和噪聲的發(fā)散，會(huì )對機房精密設備造成一定影響。另外，發(fā)電機房的消防工作也是設計重點(diǎn)，需要保證發(fā)電機房?jì)攘己玫耐L(fēng)條件，避免陽(yáng)光直射，保持干燥陰涼，從而為發(fā)電機組的作業(yè)環(huán)境提供適合的工作溫度。另外要備齊足夠的消防救援設施，有條件的可以配置完善的消防檢測預警系統。機房在普通情況下采用兩路市電線(xiàn)路進(jìn)行電力供應，如果遇到兩路市電發(fā)生故障時(shí)，則柴油發(fā)電機組自動(dòng)啟動(dòng)，對市電的配電系統供電，從而避免數據中心中斷工作，保證其供電的連續性。根據數據中心的電氣工程設計規范，不能采取熱電聯(lián)供系統、風(fēng)力發(fā)電系統以及太陽(yáng)能發(fā)電系統作為數據中心的應急電源，因為上述能源類(lèi)型不能保證持續可靠的電力供應，會(huì )隨著(zhù)氣候地理等條件的變化而發(fā)生變化，另外燃氣發(fā)電機組因為容易發(fā)生燃氣泄漏、氣壓不穩等情況，也不能作為數據中心信息設施的應急電源。

       UPS電源機房通常相鄰于主要設備機房，主機、配電柜以及電池之間保持一定距離。按*機房等級為例，通常為數據中心機房區IT設備供電，規劃由A/B路相互獨立的UPS供電系統組成。規劃每套UPS系統由N臺UPS并機構成，UPS供電系統規劃容量由機房區需要容量算出。UPS電源系統的配置需根據機房等級進(jìn)行規劃設計，如*機房通常采用2N雙總線(xiàn)容錯系統向數據中心機房供電。UPS電源的設計額定容量不小于總負載容量的125%。根據相關(guān)規范要求，*機房的大功率UPS應有兩個(gè)電源輸入端口，并應設置旁路系統。若三臺及以上UPS系統并機運行時(shí)，需設置人工維修旁路。在空間位置足夠的情況下，UPS后備蓄電池組設置獨立的電池室，A/B系統物理隔離，IT設備UPS供電系統蓄電池后備時(shí)間（單臺滿(mǎn)載）按15min設計。

       對數據中心進(jìn)行嚴謹分析后，確定了數據中心對于供配電設施連續、穩定、平衡、分類(lèi)的需求。因此在進(jìn)行數據中心供配電方案設計工作中，變配電所、發(fā)電機房、UPS電源機房應按照上述具體設計細節進(jìn)行考量。除此之外，由于數據中心的設備種類(lèi)復雜，用電情況很難準確預估，設計人員還需要考慮非IT設備的工作負荷情況，單獨為ECC工位、顯示屏幕、消防檢測系統、應急照明等設備設置UPS電源供電，同時(shí)配備相應的冷凍水散熱設施，空調設備等。在進(jìn)行照明系統設置時(shí)，除了正常工作狀態(tài)下的照明條件，還要考慮突發(fā)情況下的應急照明，以及遠程照明控制。而為避免雷暴天氣對電子設備的損傷，在考慮防雷和接地系統設計時(shí)，數據中心的電源系統需要滿(mǎn)足《建筑防雷設計規范》和《建筑物電子信息防雷設計規定》的相關(guān)規定，數據中心雷電防護等級為*，而供配電系統采取三級防雷措施，安裝防雷防浪涌保護器。數據中心的接地系統設計要考慮保護接地、工作接地和防雷接地等共用一套接地裝置。同時(shí)在數據中心機房?jì)蠕佋O防靜電地板，同時(shí)在下部設置接地銅網(wǎng)格。

 

       隨著(zhù)數據中心的迅猛發(fā)展，數據中心能耗問(wèn)題也越來(lái)越突出，高效可靠的數據中心配電系統方案，是提高數據中心電能使用效率，降低設備能耗的有效方式。

       AMC系列數據中心精密配電系統是針對數據機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數據的智能系統，為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息，并可通過(guò)通訊將數據上傳到動(dòng)環(huán)監控系統，實(shí)現對整個(gè)數據機房的實(shí)時(shí)監控和有效管理，為實(shí)現綠色IDC提供可靠保證。

       遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；

       遙信：輸入分路的過(guò)壓/欠壓，缺相,過(guò)流，輸入分路和輸出分路的開(kāi)關(guān)狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統計，實(shí)現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。