數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分享

摘要：現(xiàn)代的數(shù)據(jù)中心中都包括大量的計(jì)算機(jī)，對于這種場所的電力供應(yīng)，都要求供電系統(tǒng)必須在所有的時(shí)間都有效，這就不同于一般建筑的供配電系統(tǒng)，它是一個(gè)交叉的系統(tǒng)，涉及到市電供電、防雷接地、防靜電、UPS不間斷供電、柴油發(fā)電機(jī)等，每個(gè)系統(tǒng)互相交叉，互有影響，這就使我們在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮多方面的因素。

一、系統(tǒng)概述

現(xiàn)代的數(shù)據(jù)中心機(jī)房中都包括大量的計(jì)算機(jī)，對于這種場所的電力供應(yīng)，都要求供電系統(tǒng)必須在所有的時(shí)間都有效，擴(kuò)容容易，維護(hù)簡便，容錯(cuò)力強(qiáng)，最重要的是性價(jià)比高。數(shù)據(jù)中心機(jī)房是現(xiàn)代信息化建設(shè)的基礎(chǔ)工程，為各個(gè)業(yè)務(wù)提供穩(wěn)定、安全的工作環(huán)境，而機(jī)房的供配電系統(tǒng)就是這基礎(chǔ)工程的心臟和大動(dòng)脈，供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定，能夠保障其它系統(tǒng)發(fā)揮作用和核心業(yè)務(wù)正常運(yùn)行。系統(tǒng)不同于一般建筑的供配電系統(tǒng)，它是一個(gè)交叉的系統(tǒng)，涉及到市電供電、防雷接地、防靜電、UPS不間斷供電、柴油發(fā)電機(jī)等，各個(gè)系統(tǒng)互相交叉，互有影響，這就使我們在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮多方面的因素。

二、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)中心有專門的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，全球第一個(gè)綜合性的數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)TIA-942?《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》，是2005年4月由美國電信產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(TIA)、TIA技術(shù)工程委員會(huì)(TR42)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ANSI)批準(zhǔn)的。國內(nèi)的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也是綜合國外標(biāo)準(zhǔn)以及國內(nèi)數(shù)據(jù)中心建設(shè)發(fā)展情況做出的，數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范GB?50174—2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》也于2008年l1月12日發(fā)布，2009年6月1日開始實(shí)施。

設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)中心首先需要根據(jù)用戶重要性和業(yè)主對數(shù)據(jù)中心可靠性、安全性等的具體需求，確定機(jī)房等級．再按照相應(yīng)等級確定適合的供配電系統(tǒng)。國內(nèi)的數(shù)據(jù)中心首先需要滿足國內(nèi)規(guī)范的要求。GB?50174—2008中關(guān)于數(shù)據(jù)中心的分級規(guī)定如下：電子信息系統(tǒng)機(jī)房應(yīng)劃分為A、B、C三級。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)機(jī)房的使用性質(zhì)、管理要求及其在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)中的重要性質(zhì)確定所屬級別。

三、設(shè)計(jì)原則

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)執(zhí)行或參照執(zhí)行國家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，并可參考國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，結(jié)合考慮數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷密度高、供電可靠性要求高等特性采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施。同時(shí)，應(yīng)滿足項(xiàng)目建設(shè)單位的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求。

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循分區(qū)、分級的原則，同一功能區(qū)域內(nèi)的各類設(shè)備的供電可靠性，應(yīng)能保證所有設(shè)備能夠按照該區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)的要求運(yùn)行，并將供配電系統(tǒng)局部故障的影響面控制在盡可能小的范圍。

數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷密度高、總量大，其供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分運(yùn)用成熟有效的節(jié)能措施，降低供配電系統(tǒng)的損耗。

四、數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)需求分析

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的普及，社會(huì)各界對信息系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，信息和數(shù)據(jù)量呈幾何級增長，由此對數(shù)據(jù)中心的需求日益增加，對數(shù)據(jù)中心的要求也不斷提高，信息設(shè)備功能越來越強(qiáng)，功率密度越來越高。數(shù)據(jù)中心設(shè)備機(jī)柜用電負(fù)荷由以前的2kVA/臺(tái)，提高到3kVA/臺(tái)、4kVA/臺(tái)，甚至更高。機(jī)房單位面積的平均用電負(fù)荷也由1kVA每平方，提高到1.5kVA每平方、2kVA每平方，甚至更高。

數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)應(yīng)分為兩個(gè)層次，即：UPS?供電系統(tǒng)負(fù)荷(輸出)和市電供電系統(tǒng)負(fù)荷。?市電供電系統(tǒng)負(fù)荷(輸出)的統(tǒng)計(jì)主要包括：UPS?供電系統(tǒng)(輸入)、機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)、機(jī)房照明及建筑電氣設(shè)備等。UPS供電系統(tǒng)負(fù)荷(輸入)＝供電負(fù)荷+充電負(fù)荷。機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷＝N臺(tái)主用空調(diào)機(jī)組額定負(fù)荷容量×負(fù)荷率。UPS供電系統(tǒng)負(fù)荷(輸出)的統(tǒng)計(jì)主要包括：計(jì)算機(jī)設(shè)備、服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、小型機(jī)等，在負(fù)荷設(shè)備明確時(shí)，按設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，具體負(fù)荷設(shè)備不明確時(shí)，按設(shè)備機(jī)柜平均負(fù)荷統(tǒng)計(jì)。設(shè)備機(jī)柜數(shù)量也不明確時(shí)，可按機(jī)房面積平均負(fù)荷估計(jì)。

五、數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1、供配電系統(tǒng)的布置?
數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)主要設(shè)備有：UPS、電池、配電柜和柴油發(fā)電機(jī)等。這些設(shè)備單位占地面積、重量大，對于這些設(shè)備的擺放位置既要考慮功能上的需求，又要考慮空間和承重的需要，還要考慮對外界的危害。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電系統(tǒng)應(yīng)有獨(dú)立的配電間、變配電所，UPS?電源機(jī)房應(yīng)靠近設(shè)備機(jī)房(負(fù)荷中心)布置，這樣能保證從UPS輸出到用電設(shè)備之間的壓降和損耗盡可能的小。UPS?電源主機(jī)、配電柜與蓄電池組是否需要分隔，按照數(shù)據(jù)中心等級的要求決定，另外還需要考慮到UPS屬于大型設(shè)備，重量比較大，噪聲大，需要擺放在一個(gè)承重比較好，并且不影響辦公和休息環(huán)境的地方。配電柜位置的選擇，主要考慮功能上的需求，配電柜應(yīng)在滿足功能分區(qū)的基礎(chǔ)上，盡可能靠近供電負(fù)載。發(fā)電機(jī)房宜設(shè)置在地面一層，當(dāng)發(fā)電機(jī)房設(shè)置于地下層時(shí)，應(yīng)特別注意進(jìn)、出風(fēng)通道能否滿足要求，應(yīng)注意發(fā)電機(jī)組儲(chǔ)油裝置（日用油箱、儲(chǔ)油罐）的消防要求。

變配電所、發(fā)電機(jī)房、UPS?電源機(jī)房均應(yīng)留有足夠的面積，可與設(shè)備機(jī)房同步發(fā)展，應(yīng)對設(shè)備機(jī)房面積擴(kuò)展或設(shè)備機(jī)房功率密度上升引起的供電需求。于非專門設(shè)計(jì)用于數(shù)據(jù)中心的建筑，應(yīng)注意其是否滿足設(shè)備安裝和線路敷設(shè)的要求，包括樓面荷載、凈高、抗震等級、耐火等級等方面。

5.2、供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

5.2.1、市電動(dòng)力配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

市電動(dòng)力配電主要用于供給機(jī)房精密空調(diào)設(shè)備、普通照明和給排風(fēng)、維修插座、一般動(dòng)力、UPS設(shè)備等。市電動(dòng)力配電一般由大樓總配電柜饋出的動(dòng)力供配電系統(tǒng)，采用50Hz交電，380/220V三相五線電源，TN-S接地方式，零線和地線分開設(shè)置且零地線之間電壓小于1V。

一般可靠性要求數(shù)據(jù)中心宜引入兩路市電電源，條件受限制時(shí)也可引入一路市電電源。引入兩路市電電源時(shí)，宜為冗余關(guān)系，也可作為供電容量擴(kuò)展關(guān)系。

每一路市電電源的供電容量應(yīng)能滿足全部一、二級負(fù)荷的需求，包括UPS電源系統(tǒng)、機(jī)房精密空調(diào)、機(jī)房照明、蓄電池充電及建筑設(shè)備中的一、二級負(fù)荷。兩路市電電源的供電容量應(yīng)為全冗余，正常時(shí)應(yīng)同時(shí)供電運(yùn)行，兩路電源在負(fù)荷設(shè)備輸入端自動(dòng)切換。

市電動(dòng)力配電柜一般采用放射式配電直接配至各用電設(shè)備或電箱，機(jī)房內(nèi)所有動(dòng)力配電線纜必須設(shè)計(jì)橋架或鋼管敷設(shè)，市電動(dòng)力配電柜具有火警聯(lián)動(dòng)保護(hù)功能，出現(xiàn)火警時(shí)可與消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)及時(shí)切斷電源，動(dòng)力配電柜、照明箱內(nèi)的開關(guān)和主要元器件應(yīng)設(shè)置有效的防雷措施。

5.2.2、自備應(yīng)急電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)??

數(shù)據(jù)中心一般采用柴油發(fā)電機(jī)組作為自備應(yīng)急電源，對于大型、高等級數(shù)據(jù)中心也可以選擇可靠性高、輸出電源品質(zhì)好、帶非線性負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、重量輕的大功率燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。一般可靠性要求的數(shù)據(jù)中心宜配置一路自備應(yīng)急電源，供電容量應(yīng)能滿足全部一、二級負(fù)荷的需求，包括UPS?電源系統(tǒng)、機(jī)房空調(diào)、機(jī)房照明、蓄電池充電及建筑設(shè)備中的一、二級負(fù)荷。當(dāng)數(shù)據(jù)中心條件受限制，且市電電源具有較高可靠性時(shí)，也可以部分或全部采用移動(dòng)式發(fā)電機(jī)組作為自備應(yīng)急電源。發(fā)電機(jī)組燃料儲(chǔ)備量應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心等級的要求，結(jié)合市電電源可靠性、供油可靠性、消防要求綜合決定，一般不宜少于發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行8小時(shí)的用油量。

5.2.3、UPS供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)??
　　UPS配電主要用于計(jì)算機(jī)設(shè)備、服務(wù)器、小型機(jī)、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、保安監(jiān)控設(shè)備等。UPS?電源系統(tǒng)輸出一般采用三級配電方式：系統(tǒng)輸出配電柜－機(jī)房配電柜－機(jī)柜配電單元。

UPS電源系統(tǒng)蓄電池組容量的計(jì)算方法有以下兩種：

(1)?按負(fù)荷電流計(jì)算；

(2)?按負(fù)荷功率計(jì)算；

按負(fù)荷電流計(jì)算的結(jié)果是蓄電池組的總?cè)萘?，然后再選擇單組蓄電池的容量和組數(shù)。按負(fù)荷功率計(jì)算的結(jié)果是選定容量規(guī)格的蓄電池組數(shù)。兩種計(jì)算方法的結(jié)果可互相校驗(yàn)。

對于單電源輸入設(shè)備，即使已采用雙單元冗余UPS?電源系統(tǒng)，也宜將其連接在其中一個(gè)單元上。對于雙單元冗余UPS電源系統(tǒng)，可將其每個(gè)單元中的部分容量視為并聯(lián)冗余性質(zhì)。對于需要雙回路供電的單電源輸入設(shè)備，宜在其輸入端設(shè)置靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)STS。靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)STS?的性能應(yīng)能滿足其要求，一般轉(zhuǎn)換時(shí)間小于5～10ms。

當(dāng)負(fù)荷設(shè)備對零－地電壓要求較高時(shí)，可在機(jī)房配電柜設(shè)置隔離變壓器。有時(shí)候，為保證UPS故障旁路后輸出高質(zhì)量電源，往往在UPS旁路輸出端設(shè)置隔離變壓器。

數(shù)據(jù)中心UPS供配電系統(tǒng)一般采用冗余方式供電，很少采用單機(jī)供電。冗余方式供電能在一臺(tái)UPS設(shè)備故障時(shí)，仍然能夠滿足機(jī)房內(nèi)重要設(shè)備的用電需求，這是單機(jī)供電所不能達(dá)到的。從冗余式配置方案來看，常用的有以下幾種方式：

(1)、熱備份式冗余UPS供電方式?

主機(jī)帶負(fù)載，備機(jī)空載或帶非重要負(fù)載，備機(jī)接入主機(jī)的BYPASS(旁路)輸入端。這種方式布置比較靈活，不需要兩臺(tái)UPS同品牌，而且不要增加額外輔助電路，不增加購置成本。如果UPS主機(jī)發(fā)生了故障，那么UPS備機(jī)必須接替全部負(fù)載，這也就意味著設(shè)計(jì)時(shí)必須計(jì)算好UPS主機(jī)故障時(shí)，UPS備機(jī)所需承擔(dān)的總負(fù)載。此方式的缺陷在于UPS備機(jī)得具有階躍性負(fù)載承載能力，無法對電源系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容，兩臺(tái)容量不同的UPS相聯(lián)，只能按最小的UPS容量輸出。

(2)、直接并機(jī)冗余UPS供電方式?

為克服熱備份式冗余供電系統(tǒng)的弱點(diǎn)，隨著UPS控制技術(shù)的進(jìn)步，具有相同額定輸出功率的UPS可直接并聯(lián)而形成冗余供電系統(tǒng)，為保證高質(zhì)量的并機(jī)系統(tǒng)，各電源間必須保持同頻、同相、且各機(jī)均流。此供電方式瞬間過載能力強(qiáng)，能夠自動(dòng)均分功率，系統(tǒng)互為主備，提高供電可靠性，電源系統(tǒng)擴(kuò)容方便。但是存在著環(huán)流，增加無功損耗，降低系統(tǒng)可靠性，需增加額外輔助電路，隨之而來是增加成本，增加故障點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)，如2臺(tái)互備，每臺(tái)按照50%帶載能力考慮，并聯(lián)的主機(jī)越多，單臺(tái)主機(jī)的帶載能力就越低。

(3)、雙總線冗余供電方式?

雙總線供電方式是采用兩條總線對后端設(shè)備進(jìn)行供電，每條總線上具有相同的一套UPS供電方式，消除可能出現(xiàn)在UPS輸出端與最終用戶負(fù)載端之間的“單點(diǎn)瓶頸”故障隱患，以提高輸出電源供電系統(tǒng)的“容錯(cuò)”功能。此供電方式能夠在線維護(hù)，在線擴(kuò)容，在線升級，改善了重要總線的可用性，滿足了雙電源用電設(shè)備的需求，真正實(shí)現(xiàn)了7×24×365運(yùn)行的目標(biāo)。但是雙總線冗余供電方式相當(dāng)于搭建了兩套前述供電方式的回路，需要增加2倍以上的成本。同時(shí)，為滿足單電源設(shè)備的供電需求，可在輸出端安裝STS，來保證供電輸出的可靠性。　　?

5.3、供配電設(shè)備的安裝和線路敷設(shè)

機(jī)房UPS、精密空調(diào)電源系統(tǒng)輸入應(yīng)設(shè)置專用的輸入配電柜。電源系統(tǒng)輸入配電柜應(yīng)引接兩路電源、自動(dòng)切換。UPS?電源主機(jī)的主電源和旁路電源應(yīng)分別引入，并宜由不同的輸入配電柜引接。UPS電源系統(tǒng)輸出應(yīng)采用放射式、雙回路配電方式。UPS?電源系統(tǒng)輸出應(yīng)采用三相配電，末端分相，以利三相平衡。

機(jī)房配電柜、UPS電源柜落地安裝，動(dòng)力配電箱、照明配電箱底邊距地1.4m墻上暗裝，配電柜及其他電氣裝置的底座應(yīng)與建筑樓地面牢靠固定，并接地，機(jī)房內(nèi)應(yīng)分別設(shè)置維修和測試用插座，且有明顯區(qū)別標(biāo)志，測試用電源插座應(yīng)由UPS供電，維修插座由市電供電。所有線路的敷設(shè)是要以設(shè)備布局和設(shè)計(jì)圖紙為基礎(chǔ)進(jìn)行，設(shè)計(jì)時(shí)考慮供電距離盡量短，機(jī)房內(nèi)的電源線、信號線和通信線應(yīng)分別鋪設(shè)，不能共走同一線槽，UPS電源配電箱(柜)引出的配電線路，穿鍍鋅鋼管，沿機(jī)房活動(dòng)地板下敷設(shè)至各排網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)器機(jī)柜，使用插座或工業(yè)連接器為機(jī)柜供電。?　?

5.4、可靠接地?
　　數(shù)據(jù)中心應(yīng)采用聯(lián)合接地方式，將圍繞建筑物的環(huán)形接地體、建筑物基礎(chǔ)地網(wǎng)及變壓器地網(wǎng)用接地銅牌相互連通，重要機(jī)房內(nèi)由銅編織帶組成聯(lián)合地網(wǎng)。所有的配電柜和配電箱的金屬框架及基礎(chǔ)型鋼必需接地(PE)可靠。門和框架的接地端子間用裸編銅線連接。照明配電箱內(nèi)的漏電保護(hù)器的動(dòng)作電流不大于30mA，動(dòng)作時(shí)間不大于0.1s，接地(PE)支線必須單獨(dú)與接地(PE)干線相連接，不得串聯(lián)連接，UPS電源柜輸出端的中性線(N極)，必須與由接地裝置直接引來的接地干線連接，作重復(fù)接地，聯(lián)合接地電阻小于4Ω，單獨(dú)接地小于1Ω，當(dāng)燈具距地面高度小于2.4m時(shí)，燈具的可接近裸露導(dǎo)體必須接地(PE)可靠，并應(yīng)有專用接地螺栓和標(biāo)識，外電源進(jìn)線至機(jī)房電源管理間時(shí)，應(yīng)將電纜的金屬外皮與接地裝置連接。金屬電纜橋架及其支架全長應(yīng)不少于2處與接地(PE)干線相連接，電纜橋架間連接板的兩端跨接銅芯接地線，接地線最小允許截面積不小于6mm2，接地(PE)在插座間不串聯(lián)連接。

5.5、機(jī)房防靜電

由于靜電對計(jì)算機(jī)設(shè)備有較大影響，所以機(jī)房的防靜電技術(shù)就非常重要，目前，機(jī)房防靜電措施主要是在機(jī)房地面敷設(shè)防靜電地板，地板間通過橫梁精密連接成一個(gè)整體，并與地板下接地銅牌連接，地板基材采用全鋼、鋁合金、硫酸鈣等材質(zhì)，機(jī)房墻面采用彩鋼板或刷防靜電涂料，天花安裝金屬吊頂板，起到靜電屏蔽作用，防止外界強(qiáng)磁場的干擾。

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5.6、末端PDU?
　　電源分配單元(PDU)，顧名思義PDU應(yīng)具備電源的分配或附加管理的功能。電源的分配是指電流及電壓和接口的分配，電源管理是指開關(guān)控制(包括遠(yuǎn)程控制)、電路中的各種參數(shù)監(jiān)視、線路切換、承載的限制、電源插口匹配安裝、線纜的整理、空間的管理及電涌防護(hù)和極性檢測。由于數(shù)據(jù)中心的幾乎所有的IT設(shè)備都已經(jīng)或者將要放置在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)，所以，PDU作為機(jī)柜的必備附件也越來越受到相關(guān)各方的重視。?PDU電源分配器和普通電源排插相比，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在設(shè)計(jì)安排更合理、品質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格、安全無故障工作時(shí)間長、各類漏電、過電過載保護(hù)更優(yōu)秀、插拔動(dòng)作頻繁而不易損壞、熱升溫小、安裝更靈活方便,適合對用電要求很嚴(yán)格的行業(yè)客戶使用。也從根本上杜絕了普通電源排插的因接觸不良、負(fù)荷小而造成的頻繁斷電、燒毀、火災(zāi)等安全隱患。

六、結(jié)束語

不同用途或等級的數(shù)據(jù)中心對可靠性的要求不同，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)中心的建設(shè)投資和運(yùn)營成本。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)在數(shù)據(jù)中心建設(shè)初期予以統(tǒng)籌考慮和全面規(guī)劃，并根據(jù)數(shù)據(jù)中心對供電可靠性的要求，在供電電源選擇、供配電系統(tǒng)布置、供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和形式等方面采取相應(yīng)的技術(shù)措施。同時(shí)，還應(yīng)充分運(yùn)用成熟有效的節(jié)能措施，降低供配電系統(tǒng)的損耗。若數(shù)據(jù)中心中存在不同等級的功能區(qū)域，在供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也應(yīng)區(qū)別對待，以減少不必要的建設(shè)投資和運(yùn)營成本。

編輯：黃飛