中小型數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)探討

凌 越 陶向東

（無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫214153）

0 引言

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的大量應(yīng)用以及政策層面對“雙創(chuàng)四眾”的大力支持，數(shù)據(jù)中心由傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變成核心戰(zhàn)略部門，由此對數(shù)據(jù)中心的要求也不斷提高，設(shè)備性能不斷增強(qiáng)，功率密度也越來越高。為保障IT核心設(shè)備連續(xù)可靠運(yùn)行，節(jié)約能源并提高能源利用率，數(shù)據(jù)中心的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)有其獨(dú)特要求。

1 中小型數(shù)據(jù)中心對電力系統(tǒng)的要求

目前，數(shù)據(jù)中心呈現(xiàn)出IT設(shè)施云化、綠色環(huán)保節(jié)能、高密度和高容量、負(fù)載動(dòng)態(tài)適應(yīng)、可擴(kuò)展、可視和高度自動(dòng)化等特點(diǎn)。一方面，信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，對數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)方案、建設(shè)模式、技術(shù)措施等提出了全新挑戰(zhàn)；另一方面，在實(shí)際工作中，一些中小型數(shù)據(jù)中心的電力系統(tǒng)由不具備相應(yīng)設(shè)計(jì)資質(zhì)的弱電施工企業(yè)、IT設(shè)備供應(yīng)商進(jìn)行設(shè)計(jì)，埋下了隱患。

數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)用戶對供電可靠性以及安全和節(jié)能的要求，確定機(jī)房等級，再按相應(yīng)等級確定適合的供配電系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)中心的特點(diǎn)，要求電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定可靠、綠色節(jié)能、柔性可擴(kuò)展。

2 中小型數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參照標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)中心機(jī)房的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有：《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50052—2009）、《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174—2008）、《中國電信IDC機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范（暫行）》（DXJS1029—2011）、《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》（ANSI／TIA－942），以及綜合布線、照明、防火、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警等相應(yīng)規(guī)范。

《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50052—2009）中對負(fù)荷分級及供電的要求為：一級負(fù)荷應(yīng)由雙重電源供電，當(dāng)一電源發(fā)生故障時(shí)，另一電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞。二級負(fù)荷的供電系統(tǒng)，宜由兩回線路供電。

《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174—2008）中，將電子信息系統(tǒng)機(jī)房劃分為A、B、C三級。在《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ16—2008）中，數(shù)據(jù)中心通常為一級負(fù)荷，比如民用建筑中大型金融中心的關(guān)鍵電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，屬于一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷；對于機(jī)械工廠等場所的計(jì)算中心，最低為二級負(fù)荷。

當(dāng)數(shù)據(jù)中心需要按照國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)，則要同時(shí)滿足《數(shù)據(jù)中心的電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》（ANSI／TIA－942）的要求。

在數(shù)據(jù)中心建筑群體節(jié)能體系方面，最具代表性的是我國《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T50378—2006）以及美國LEEDTM綠色建筑認(rèn)證體系；在數(shù)據(jù)中心設(shè)備設(shè)施能源效率方面，最具代表性的是綠色網(wǎng)格組織的PUE值評估。PUE（Power Usage Effectiveness）是數(shù)據(jù)中心總能耗與IT設(shè)備能耗之比，是迄今為止使用最廣泛的數(shù)據(jù)中心效率指標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)已建成的數(shù)據(jù)中心PUE一般在2.1～2.4之間，有的甚至達(dá)到3；而國際上的一些綠色數(shù)據(jù)中心則可降到1.6～1.8。

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)應(yīng)充分運(yùn)用成熟有效的節(jié)能措施，降低系統(tǒng)損耗。同一個(gè)機(jī)房內(nèi)的不同部分可以根據(jù)實(shí)際情況，按不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 中小型數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)實(shí)例

IT設(shè)備具有高頻升級換代的特性，每2～3年就會(huì)出現(xiàn)新的技術(shù)和設(shè)備，數(shù)據(jù)中心升級改造頻率較高。模塊化設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性優(yōu)良，可延長數(shù)據(jù)中心生命周期，是中小型數(shù)據(jù)中心建設(shè)的優(yōu)選方案之一。對于新建數(shù)據(jù)中心，負(fù)載率一般不滿50%，模塊化設(shè)計(jì)可提高電源效率，降低PUE，達(dá)到節(jié)能的目的。下面以某單位數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析，其采用了全模塊化設(shè)計(jì)。

3.1 供配電

該機(jī)房采用10kV雙母線分段供電，變電所位于數(shù)據(jù)中心所在建筑地下室，用兩臺(tái)干式變壓器實(shí)現(xiàn)10／0.4kV變壓。對于0.4kV側(cè)的配電系統(tǒng)，國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集09DX009《電子信息系統(tǒng)機(jī)房工程設(shè)計(jì)與安裝》中有相應(yīng)說明。各數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)的動(dòng)力設(shè)備與電子信息設(shè)備的不間斷電源系統(tǒng)應(yīng)由不同回路配電。低壓配電系統(tǒng)不應(yīng)采用TN－C系統(tǒng)。

機(jī)房設(shè)計(jì)為B級（Tier3），兩臺(tái)干式變壓器各進(jìn)一路入模塊化機(jī)房配電單元，單路用電負(fù)荷為400kVA，UPS采用2 N冗余（也可用N＋1冗余），提供兩條完全獨(dú)立的供電線路，每條都可以獨(dú)立支持負(fù)載，每個(gè)機(jī)架上采用雙PDU供電。精密配電單元不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的防浪涌、過壓、欠壓和過流保護(hù)等，還可以實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率因數(shù)等多項(xiàng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。末端配電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 末端配電示意圖

3.2 負(fù)荷計(jì)算

數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷計(jì)算應(yīng)分為兩個(gè)層級，不間斷電源系統(tǒng)（UPS）負(fù)荷和變配電系統(tǒng)負(fù)荷。對于UPS供電而言，UPS應(yīng)有自動(dòng)和手動(dòng)旁路裝置，確定UPS的基本容量時(shí)應(yīng)留有余量，不間斷電源系統(tǒng)的基本容量計(jì)算方法如下：

3.2.1 利用系數(shù)法

UPS的基本容量（不包含備份不間斷電源系統(tǒng)設(shè)備）E≥1.2Pc，E的單位是kW／kVA。電子信息設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷：

式中，Km為最大系數(shù)；∑Pav為設(shè)備平均負(fù)荷的有功功率之和；Kl為利用系數(shù)，按0.75～0.85估算；Pε為設(shè)備功率（kW）。

如果以機(jī)架負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)《中國電信IDC機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范（暫行）》（DXJS1029—2011），中低功率密度機(jī)架的單機(jī)架功率≤3.2kW，高功率密度機(jī)架的單機(jī)架功率介于3.2～7kW，超高密度機(jī)架的單機(jī)架功率大于7kW。

3.2.2 單位面積指標(biāo)法

有功功率：

式中，ps為單位面積功率（W／m2）；S 為面積（m2）。

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》（ANSI／TIA－942），機(jī)房電源密度可以按照0.38～2.7kW／m2估算。

具體負(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)。

3.3 照明

根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034—2013），數(shù)據(jù)中心機(jī)房0.75m水平面照度標(biāo)準(zhǔn)值為500lx，統(tǒng)一眩光值（UGR）為19，照度均勻度大于0.7，顯色指數(shù)為80。在選用照明光源時(shí)，應(yīng)選用負(fù)荷節(jié)能評價(jià)值較高的高效率光源。在高小于4m的機(jī)房，使用直管型熒光燈時(shí)，應(yīng)選用細(xì)管徑的T8或T5直管型或緊湊型熒光燈。選用細(xì)管徑的熒光燈比粗管徑熒光燈節(jié)電約10%，選用中間色溫4 000K直管型熒光燈比6 200K的高色溫直管型熒光燈節(jié)電12%。目前5W的LED光效達(dá)40lm／W，在條件適合的場所，應(yīng)擴(kuò)大LED照明的使用。燈具所配帶的格柵、棱鏡、乳白玻璃罩等附件會(huì)引起光輸出的下降，不利于節(jié)能，應(yīng)選用開敞式燈具。B級以上機(jī)房一般不設(shè)外窗，從安全角度出發(fā)，疏散通道的照度不應(yīng)低于5lx。

3.4 防雷與接地

在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心防雷和接地設(shè)計(jì)時(shí)，除符合《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174—2008）外，還應(yīng)符合現(xiàn)行國標(biāo)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057—2010）和《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB50343—2012）的有關(guān)規(guī)定。

IT設(shè)備一般有兩個(gè)接地：一個(gè)是保護(hù)接地，另一個(gè)是信號(hào)接地。按IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，它們共用一個(gè)接地裝置。接地方式可采用星型、網(wǎng)型、混合型等電位連接方式，為同時(shí)滿足高頻和低頻信號(hào)接地的要求，每臺(tái)電子信息設(shè)備應(yīng)有兩根不同長度的連接導(dǎo)體與等電位連接網(wǎng)格連接。等電位連接網(wǎng)格的尺寸取決于IT設(shè)備的擺放密度，本文數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)格尺寸為600mm×600mm。

3.5 智能管理

智能管理是用于解決數(shù)據(jù)中心管理日益復(fù)雜化問題的技術(shù)方案，簡化了管理，降低了運(yùn)維成本，提高了人員工作效率，是降低數(shù)據(jù)中心能耗的關(guān)鍵技術(shù)。

本文MDC的基礎(chǔ)設(shè)施管理（DCIM）涵蓋KVM、環(huán)境監(jiān)測、電源管理、安全監(jiān)控等，不僅可以基于 Web進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，還能通過SMS系統(tǒng)發(fā)送預(yù)定義的短信通知。其中，UPS遠(yuǎn)程監(jiān)控示意圖如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程UPS監(jiān)控圖

4 中小型數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)探討

數(shù)據(jù)中心的電氣系統(tǒng)與普通民用建筑設(shè)計(jì)有較大的不同，設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)局限于以往的常規(guī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而需收集大量相關(guān)資料，結(jié)合現(xiàn)場情況進(jìn)行具體分析，在本文的MDC電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有以下三個(gè)觀點(diǎn)可供探討：

4.1 模塊化架構(gòu)可提高可靠性和靈活性

MDC的益處主要是按需建設(shè)、分期投資；按需分配、快速部署，MDC的優(yōu)越性有：節(jié)約能效、安全可靠；設(shè)計(jì)復(fù)用、變更靈活；預(yù)制生產(chǎn)、縮短周期；規(guī)范實(shí)施、降低風(fēng)險(xiǎn)；標(biāo)準(zhǔn)管理、規(guī)范有序。這些特性在確保當(dāng)前IT設(shè)備充分使用的同時(shí)，兼顧了未來的數(shù)據(jù)中心擴(kuò)容，并極大地降低了設(shè)計(jì)和施工成本，是中小型數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效解決方案。在實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，可采用工業(yè)封閉母線取代電纜橋架，提升機(jī)房內(nèi)配電系統(tǒng)的彈性。

4.2 模塊化UPS和高壓直流（HVDC）可提高電源效率

大部分IT設(shè)備電源模塊采用過補(bǔ)償設(shè)計(jì)，功率因數(shù)均在0.99～1之間，實(shí)際運(yùn)行達(dá)到0.95及以上，要想提升負(fù)載率，電源功率因數(shù)必須與其匹配。工頻UPS功率因數(shù)為0.8，模塊熱插拔的模塊化UPS、HVDC都是高頻產(chǎn)品，功率因數(shù)在0.95以上。UPS對于50%以下的負(fù)載率無法提高效率。同時(shí)，由于UPS的單機(jī)可靠性較低，通常在數(shù)據(jù)中心配置N＋1、2 N、2×（N＋1）方案，成本高，系統(tǒng)較復(fù)雜。

電信行業(yè)IDC機(jī)房已推廣HVDC多年，在節(jié)能、投資成本、可靠性及運(yùn)維便捷性等方面較傳統(tǒng)的UPS都有明顯優(yōu)勢。HVDC的優(yōu)點(diǎn)有：電池直掛在輸出母線上，不僅提供備份，也可濾除供電支路諧波，提高供電質(zhì)量；兼容現(xiàn)有IT設(shè)備的高頻開關(guān)電源，用電設(shè)備幾乎不用做任何更改；模塊化設(shè)計(jì)，拓?fù)浜唵?，運(yùn)維方便。但當(dāng)前HVDC采用IT供電架構(gòu)，需考慮GB50174—2008的TN－S供電架構(gòu)要求。

4.3 合理的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)

日本經(jīng)濟(jì)貿(mào)易產(chǎn)業(yè)省METI預(yù)測，全球IT能耗將于2025年翻5倍，到2050年將增長12倍。新的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)在不斷發(fā)展，除了PUE指標(biāo)，其他如能源再利用效率（ERE）、電源性能轉(zhuǎn)化效率（PPE）等指標(biāo)也應(yīng)當(dāng)列入設(shè)計(jì)目標(biāo)考慮。

Microsoft位于美國芝加哥的集裝箱式模塊化數(shù)據(jù)中心的PUE指標(biāo)已達(dá)到1.22，F(xiàn)acebook在美國俄勒岡的數(shù)據(jù)中心采用了太陽能、雨水再利用和熱量再循環(huán)等可再生能源策略。HVDC可再生能源微網(wǎng)、模塊化和虛擬化等新技術(shù)不斷投入應(yīng)用，合理而高效的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)將是綠色數(shù)據(jù)中心的重要基礎(chǔ)支撐。

5 結(jié)語

電力系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心重要的基礎(chǔ)設(shè)施，模塊化設(shè)計(jì)能有效降低中小型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)投資和運(yùn)營成本。結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行機(jī)房分級，充分運(yùn)用成熟有效的節(jié)能措施進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理估算負(fù)荷，為未來的業(yè)務(wù)預(yù)留可擴(kuò)展的容量，才能建成一個(gè)滿足業(yè)主要求、技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的數(shù)據(jù)中心。

［1］GB50174—2008 電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］李峰.數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.通信技術(shù)，2010，43（6）：227－231，234.

［3］向榮.互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電設(shè)計(jì)探討［J］.廣播與電視技術(shù)，2013（4）：54－60.

［4］陽必飛，周德文.綠色模塊化數(shù)據(jù)中心構(gòu)建之道［J］.通信電源技術(shù)，2014，31（S1）：86－89.