銷(xiāo)售工程師 王孟春 13524471462

背景

現(xiàn)代的數(shù)據(jù)中心中都包括大量的計(jì)算機(jī)，對(duì)于這種場(chǎng)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?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)必須考慮多方面的因素。本文從數(shù)據(jù)中心的高壓供電系統(tǒng)到末端精密配電系統(tǒng)介紹數(shù)據(jù)中心供配電及能效管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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(duì)于這種場(chǎng)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(jiǎn)便，容錯(cuò)力強(qiáng)，最重要的是性?xún)r(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?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)必須考慮多方面的因素。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)中心有專(zhuān)門(mén)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)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(guó)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ANSI)批準(zhǔn)的。國(guó)內(nèi)的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也是綜合國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)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GB50174—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(kāi)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(hù)重要性和業(yè)主對(duì)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(jí)．再按照相應(yīng)等級(jí)確定適合的供配電系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)中心首先需要滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)規(guī)范的要求。GB 50174—2008中關(guān)于數(shù)據(jù)中心的分級(jí)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(jí)。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(jí)別。

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?qǐng)?zhí)行國(guó)家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，并可參考國(guó)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(mǎn)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(jí)的原則，同一功能區(qū)域內(nèi)的各類(lèi)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。

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(duì)信息系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，信息和數(shù)據(jù)量呈幾何級(jí)增長(zhǎng)，由此對(duì)數(shù)據(jù)中心的需求日益增加，對(duì)數(shù)據(jù)中心的要求也不斷提高，信息設(shè)備功能越來(lái)越強(qiáng)，功率密度越來(lái)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)。

在發(fā)熱量較大的情況下，如果柴油發(fā)電機(jī)未能及時(shí)啟動(dòng)而導(dǎo)致精密空調(diào)失電停止工作超過(guò)3分鐘，機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器溫度將會(huì)急劇升高而宕機(jī)，因此在可靠性要求比較高的情況下精密空調(diào)也可由UPS提供不間斷電源，在柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)前利用剩余冷凍水繼續(xù)保持機(jī)柜氣流循環(huán)散熱，直到發(fā)電機(jī)全部啟動(dòng)。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)

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(duì)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(duì)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(jí)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(mǎn)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(mǎn)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(duì)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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于數(shù)據(jù)中心的建筑，應(yīng)注意其是否滿(mǎn)足設(shè)備安裝和線(xiàn)路敷設(shè)的要求，包括樓面荷載、凈高、抗震等級(jí)、耐火等級(jí)等方面。

下圖為典型數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)示意圖，采用雙路110kV進(jìn)線(xiàn)，配置10kV柴油發(fā)電機(jī)作為自備應(yīng)急電源，UPS采用冗余供電方式，末端精密配電柜和精密空調(diào)均采用UPS供電，提高數(shù)據(jù)中心運(yùn)行穩(wěn)定性，見(jiàn)圖1。

數(shù)據(jù)中心典型供配電系統(tǒng)示意圖

UPS供配電系統(tǒng)

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(jí)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(duì)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(duì)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(duì)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(kāi)關(guān)STS。靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)STS 的性能應(yīng)能滿(mǎn)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(duì)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?yàn)楸ＷCUPS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(mǎn)足機(jī)房?jī)?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(lái)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(gòu)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(wú)法對(duì)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(guò)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(wú)功損耗，降低系統(tǒng)可靠性，需增加額外輔助電路，隨之而來(lái)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(xiàn)冗余供電方式

雙總線(xiàn)供電方式是采用兩條總線(xiàn)對(duì)后端設(shè)備進(jìn)行供電，每條總線(xiàn)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(hù)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(xiàn)維護(hù)，在線(xiàn)擴(kuò)容，在線(xiàn)升級(jí)，改善了重要總線(xiàn)的可用性，滿(mǎn)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(xiàn)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(mǎn)足單電源設(shè)備的供電需求，可在輸出端安裝STS，來(lái)保證供電輸出的可靠性。

UPS供電系統(tǒng)是滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心供電可靠性的核心部分，而蓄電池又是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的組成之一，是整個(gè)供電系統(tǒng)的“最后一道屏障”。當(dāng)組串中的一只電池因過(guò)充、過(guò)放等原因造成電池性能下降，電池內(nèi)阻增大，會(huì)導(dǎo)致電池出現(xiàn)發(fā)熱、鼓包等現(xiàn)象，將造成供電系統(tǒng)安全性的整體下降，同時(shí)增加蓄電池充放電的損耗。

數(shù)據(jù)中心UPS和蓄電池監(jiān)測(cè)配置示意圖

數(shù)據(jù)中心蓄電池監(jiān)測(cè)選型表

末端配電系統(tǒng)

機(jī)房UPS、精密空調(diào)電源系統(tǒng)輸入應(yīng)設(shè)置專(zhuān)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?jī)?nèi)應(yīng)分別設(shè)置維修和測(cè)試用插座，且有明顯區(qū)別標(biāo)志，測(cè)試用電源插座應(yīng)由UPS供電，維修插座由市電供電。所有線(xiàn)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?jī)?nèi)的電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)和通信線(xiàn)應(yīng)分別鋪設(shè)，不能共走同一線(xiàn)槽，UPS電源配電箱(柜)引出的配電線(xiàn)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。

精密配電柜

精密配電柜是為數(shù)據(jù)中心的設(shè)備機(jī)柜提供電源的末端配電設(shè)備，一般采用雙回路供電，電源分別來(lái)自?xún)膳_(tái)冗余的UPS，分為交流和直流供電，一般放置在機(jī)柜陣列的兩端，也稱(chēng)列頭柜，如圖所示。

ANDPF精密配電柜

精密配電監(jiān)控解決方案針對(duì)精密配電柜監(jiān)控?cái)?shù)字化要求，方案包括交流（AC220V）、直流（DC-48V/240V/336V）系統(tǒng)。由觸摸式液晶顯示屏、綜合信息處理主機(jī)模塊、開(kāi)關(guān)狀態(tài)采集模塊、電流互感器(交流)或霍爾傳感器(直流)采集單元模塊等組成。監(jiān)測(cè)兩路主進(jìn)線(xiàn)和A+B雙面饋線(xiàn)回路電量參數(shù)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、諧波含量、柜內(nèi)溫濕度等數(shù)據(jù)，可以在本地觸摸屏顯示，同時(shí)可以上傳AcrelEMS-IDC數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)顯示和報(bào)警。產(chǎn)品方案見(jiàn)下表

精密配電柜數(shù)字化方案產(chǎn)品選型

智慧母線(xiàn)槽

近年來(lái)隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的快速發(fā)展，智能母線(xiàn)槽的方案運(yùn)用越來(lái)越多。相比傳統(tǒng)精密配電柜，數(shù)據(jù)中心母線(xiàn)槽架空鋪設(shè)，具有安裝檢修方便、不占地、散熱快、易增容等優(yōu)勢(shì)。母線(xiàn)槽通過(guò)始端箱從前端UPS取電，以母排系統(tǒng)組成輸電結(jié)構(gòu)，采用即插即用的方式，通過(guò)插接箱給各個(gè)IT機(jī)柜內(nèi)的PDU供電。

智能母線(xiàn)槽數(shù)據(jù)采集方案示意圖

智能母線(xiàn)槽方案在始端箱和插接箱內(nèi)配置AMB100/AMB110監(jiān)測(cè)單元，測(cè)量始端箱、插接箱電壓、電流、頻率、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、有功電能、無(wú)功電能、諧波畸變、溫濕度、漏電電流等數(shù)據(jù)，可以通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式傳輸數(shù)據(jù)，在本地觸摸屏顯示，同時(shí)可以上傳數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)母線(xiàn)槽的數(shù)據(jù)展示和異常預(yù)警。

另外由于母線(xiàn)槽是由銅制母排搭接而成，接頭部位可能會(huì)由于接觸不良而異常發(fā)熱，所以需要對(duì)母線(xiàn)槽接頭溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，安科瑞AMB200母線(xiàn)接頭溫度監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行接觸式測(cè)溫，AMB300通過(guò)紅外非接觸式測(cè)溫方式監(jiān)測(cè)母線(xiàn)溫度，數(shù)據(jù)通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式傳輸本地觸摸屏顯示，同時(shí)可以上傳數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)母線(xiàn)槽溫度的實(shí)時(shí)預(yù)警，設(shè)備選型如表

智能母線(xiàn)槽解決方案選型表

數(shù)據(jù)中心能效管理方案

審核編輯 黃宇