淺談數據中心供配電設計方案
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
【摘要】 在互聯網產業高速發展的產業背景下，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行分析，淺要探討數據中心供配電系統設計方案。
【關鍵詞】數據中心；供配電系統；供配電設計方案
1背景
隨著近年互聯網產業發展，建立在計算機技術基礎上的游戲、云計算、金融、大數據、智能家居等等領域發展蓬勃，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的設備，諸如服務器、存儲硬盤、網絡線纜等，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、管理和維護等等因素。因此，本文通過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。
2配電設計方案分級
在進行數據中心設計工作時，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三個等級，分級依據則是綜合考慮數據中心建成后的使用性質、遇到突發狀況導致數據丟失或網絡中斷后可能會對經濟和社會造成何等損失及影響程度。當數據中心在發生供電中斷時，造成重大經濟損失或公共場所秩序嚴重混亂者定性為A級；運行中斷后造成較大經濟損失或造成公共場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。在進行數據中心供配電系統設計過程中，要依照上述分區和分級的原則，供配電系統在實際作業狀態下的穩定性和安全性是首要確保的。同時要考慮出現故障或發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，降低潛在的重大經濟損失或者公共秩序的擾亂。
3數據中心供配電系統設計思路
3.1供配電系統需求分析
進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際業務過程中對供配電系統的功能需求，在以往的實踐經驗中可以主要概括為四點：連續、穩定、平衡、分類。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中存在暫態電能質量的變化，專業上稱之為容忍區，在不間斷供電的前提下，容忍區對數據中心的設備會帶來一定損傷，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、電壓跌落等狀態下，控制在20ms以內的容忍區是不會對設備造成過大損害的。
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程中三相電源保持平衡，三相平衡的穩定負載不會對供電設備帶來太大的壓力。分類是指數據中心中涉及的設備類型十分龐雜，這就需要把IT設備及相關輔助設備按照供配電保障要求進行分級布置，合理歸置不同類別的設備，以保證整個供配電系統的在可用性不變的前提下降低成本。
3.2供配電系統布置原則
在確定數據中心的供配電需求之后，設計人員著手布置供配電系統的過程中，首先要對變配電室、電力電池室等電房位置進行規劃。結合機房工藝布局，并充分考慮未來業務發展的各種可能性，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，供電系統采用模塊化設計方案，實現供電路由優，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，大大節省未來長期的運行損耗費用。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。合理科學地規劃供配電系統，按需求布置電設備房，從而做到在滿足機架數量的情況下，好的提高實際作業狀態下供配電系統運行的穩定性和安全性。
3.2.1變配電所
一般進行數據中心供配電系統的變配電室布置時，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?？鐦菍硬贾谩ＴO置變配電所具體位置的同時也要充分考慮數據中心整體建筑的各個功能分區之間的作業需求，合理科學地進行設計規劃。在對變配電方案設計時，原則上需要以終局容量作為核算標準來衡量方案的可擴展性，同時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路與發電機組之間進行切換，這之間需要設置自動切換設備，通常采用帶有旁路隔離開關型的ATS開關。通過比對數據中心電氣工程設計規范，一般采取建設要求進行施工，在處理抵押配電系統和后端配電系統時，需要按照物理隔離的方式進行設置，這是為了保證電源發生物理碰撞或線路故障時，至少有一個電源被物理方式保護而不受損害。
3.2.2發電機房
發電機房通常與數據中心的建筑部分開來，這是因為發電機組本身需要較大的物理空間進行歸置，而且在作業過程中有大量的熱量、震動和噪聲的發散，會對機房設備造成一定影響。另外，發電機房的消防工作也是設計重點，需要保證發電機房內良好的通風條件，避免陽光直射，保持干燥陰涼，從而為發電機組的作業環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路進行電力供應，如果遇到兩路市電發生故障時，則柴油發電機組自動啟動，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，不能采取熱電聯供系統、風力發電系統以及太陽能發電系統作為數據中心的應急電源，因為上述能源類型不能保證持續可靠的電力供應，會隨著氣候地理等條件的變化而發生變化，另外燃氣發電機組因為容易發生燃氣泄漏、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。
3.2.3UPS電源機房
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A級機房等級為例，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行規劃設計，如A級機房通常采用2N雙總線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%。根據相關規范要求，A級機房的大功率UPS應有兩個電源輸入端口，并應設置旁路系統。若三臺及以上UPS系統并機運行時，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間（單臺滿載）按15min設計。
對數據中心進行嚴謹分析后，確定了數據中心對于供配電設施連續、穩定、平衡、分類的需求。因此在進行數據中心供配電方案設計工作中，變配電所、發電機房、UPS電源機房應按照上述具體設計細節進行考量。除此之外，由于數據中心的設備種類復雜，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，同時配備相應的冷凍水散熱設施，空調設備等。在進行照明系統設置時，除了正常工作狀態下的照明條件，還要考慮突發情況下的應急照明，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，數據中心的電源系統需要滿足《建筑防雷設計規范》和《建筑物電子信息防雷設計規定》的相關規定，數據中心雷電防護等級為A級，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。同時在數據中心機房內鋪設防靜電地板，同時在下部設置接地銅網格。
4安科瑞列頭柜及監測產品介紹
隨著數據中心的迅猛發展，數據中心能耗問題也越來越突出，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的電參量信息，并可通過通訊將數據上傳到動環監控系統，實現對整個數據機房的實時監控和有效管理，為實現綠色IDC提供可靠保證。
4.1配電管理解決方案
4.1.1交流系統
1）功能要求：
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：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關狀態,具備電流、功率需用量分析和統計，實現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。
2）配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀表PZ72L-E4
電流互感器AKH-0.66-30I-XXA/5A
4.1.2直流系統
1)功能要求
遙測：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態,具備電流、功率需用量分析和統計，實現電壓、電流、功率等參數的越限功能。
2)配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀表PZ72L-DE
霍爾傳感器AHKC-F-XXA/5V開關電源SBD-30（48V）
4.2產品規格
說明：■為標配功能。
4.3配套附件
5安科瑞母線槽監測產品介紹
5.1概述
數據中心小母線系統是數據中心末端母線供配電系統的俗稱。近年來，隨著數據中心建設的快速發展和高需求，智能小母線系統逐漸被應用于機房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點，即插式插接箱給各個機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監測模塊，將數據上傳至動環監控中心。
5.2AMB智能小母線管理系統
1）交流系統功能：
遙測：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、電壓/電流諧波含量、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警，開關狀態、開關跳閘；
2）直流系統功能：
遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警，開關狀態、開關跳閘；
5.3產品介紹
說明：■為標配功能。
6結語
綜上所述，大型數據中心根據相關規范被劃分為三個等級，這要求設計人員需要充分考慮數據中心實際的供配電需求進行設計工作。在互聯網發展迅速的當下，對數據中心供配電系統設計的研究可以有效提高供配電系統供電的效率和質量，在滿足人們日常生活工作中對網絡的需求的同時，也能很大程度地提升用電質量，這無疑是促進社會生產力進步和發展的一個途徑。在對大型數據中心供配電系統設計和建設過程中，要時刻遵守相關設計原則，做好供配電系統布置工作，從而以高效能地保證大型數據中心供配電系統建設方案的合理性和可行性。
參考文獻
[1]王光榮.數據中心供配電系統的節能設計[J].電子技術與軟件工程，
2019（02）：164.
[2]熊峰.電力供配電系統自動化控制發展趨勢[J].中國新技術新產品，
2018（20）：14-15.
[3]安科瑞數據中心IDC配電監控解決方案.2020.03版.
[4]安科瑞企業微電網設計應用手冊.2020.06版.
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
Email：2851375246@qq.com ： QQ：2851375246
