數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)的分析

武 翔

（貴州省體育彩票管理中心，貴州 貴陽 550002）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心是服務(wù)器機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互設(shè)備、服務(wù)器機(jī)房輔助電子設(shè)備以及機(jī)房支持區(qū)域建筑物的總稱，主要任務(wù)是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理與交換，通過服務(wù)器儲(chǔ)存交流的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心運(yùn)行保障核心是電力的穩(wěn)定供應(yīng)和斷電情況下UPS（Uninterrupted Power Supply）的穩(wěn)定運(yùn)行保障。一旦電力不穩(wěn)定，很容易對(duì)服務(wù)器機(jī)房造成損害，引起網(wǎng)絡(luò)的傳輸業(yè)務(wù)問題，甚至數(shù)據(jù)的丟失。而UPS的響應(yīng)速度不佳、供電電壓不足和供電時(shí)間過短等，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)未備份或數(shù)據(jù)備份不完整問題，直接影響數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)。所以，做好數(shù)據(jù)機(jī)房配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工是數(shù)據(jù)中心建立時(shí)的重中之重[1]。

1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)照明設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)照明設(shè)計(jì)主要的要求分為：光照強(qiáng)度、眩光控制、應(yīng)急照明和配電箱四大類。

1.1 光照強(qiáng)度要求

在機(jī)房配電系統(tǒng)的照明設(shè)計(jì)中，光照強(qiáng)度需要按照國(guó)標(biāo)，結(jié)合工程設(shè)計(jì)的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。要求機(jī)房的光照強(qiáng)度不低于500 lux，輔助機(jī)房的光照強(qiáng)度不低于300 lux[2]。設(shè)計(jì)中應(yīng)在保證光照強(qiáng)度的情況下優(yōu)化燈具安放位置，如放置在兩排機(jī)柜中間，以提高整體美觀度。

1.2 眩光限制

數(shù)據(jù)中心機(jī)房對(duì)眩光限制的要求是：主要機(jī)房要求完全無眩光；一類輔助機(jī)房要求允許有輕微眩光[3]；二類輔助機(jī)房及以下要求允許有少量人眼能夠感受到的眩光。根據(jù)機(jī)房分類要求，將限制規(guī)劃為1、2、3級(jí)。

1.3 應(yīng)急照明

數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)中的應(yīng)急照明系統(tǒng)主要由EPS（Emergency Power Supply）電源、照明燈泡和應(yīng)急出口指示燈組成。當(dāng)停電時(shí)控制器啟動(dòng)逆變器，并運(yùn)行輸出切換裝置，將供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換為逆變器供電，從而通過EPS對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行照明。同時(shí)，斷電后由EPS連接的應(yīng)急照明燈泡與應(yīng)急出口指示燈開始工作，從而保證停電后的應(yīng)急照明需求[4]。

1.4 照明配電箱要求

照明配電箱需要設(shè)置脫扣裝置，可以在接收到建筑內(nèi)消防系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)信號(hào)后切斷電源供應(yīng)，防止出現(xiàn)二次電火災(zāi)害。

2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)UPS設(shè)計(jì)

2.1 UPS容量確定

數(shù)據(jù)中心機(jī)房的供電必須由UPS系統(tǒng)提供，而在UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先需要考慮額定容量是否滿足數(shù)據(jù)中心機(jī)房的整體需要。計(jì)算UPS基本容量的公式為：

其中E是UPS的基本容量，P是機(jī)房中設(shè)備的總負(fù)荷量，單位為kW/kVA。

在確定UPS容量時(shí)，需要比設(shè)備總負(fù)荷量多留出一部分余量的原因：一是提高UPS的額定閾值，防止設(shè)備出現(xiàn)功率波動(dòng)后導(dǎo)致UPS額定容量不足，從而提高供電穩(wěn)定性；二是為今后可能出現(xiàn)的設(shè)備升級(jí)或增加進(jìn)行預(yù)留。

2.2 UPS輸入配電設(shè)計(jì)

首先將數(shù)據(jù)機(jī)房所在市電變電所中的兩臺(tái)變壓器配電柜輸出電引入U(xiǎn)PS機(jī)房輸入柜，同時(shí)保證與發(fā)電機(jī)配電柜的電源切換能力，實(shí)現(xiàn)兩種配電柜的自動(dòng)切換；在回路配電過程中，將除精密空調(diào)配電柜和應(yīng)急冷凍機(jī)配電柜以外的用電設(shè)備通過不同的UPS回路分別配電，降低對(duì)設(shè)備的干擾；精密空調(diào)配電柜和應(yīng)急冷凍機(jī)配電柜的電源，直接通過發(fā)電機(jī)和數(shù)據(jù)機(jī)房的配電器引入；如果數(shù)據(jù)中心規(guī)模較大，可以通過專用變壓器對(duì)電子設(shè)備的UPS進(jìn)行專項(xiàng)配電，同時(shí)當(dāng)數(shù)據(jù)中心的用電處于低負(fù)荷期時(shí)，也可以通過專用的低壓反饋線路對(duì)UPS進(jìn)行供電。

2.3 UPS輸出配電設(shè)計(jì)

基于《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》中“市電與柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)通過帶有旁路功能的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行切換，且保證自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)在檢修時(shí)不影響電源切換”的規(guī)定[5]，在UPS的配電線路中，進(jìn)線電源需要通過自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行UPS與發(fā)電機(jī)電源的自動(dòng)切換。由于UPS進(jìn)線柜尺寸相比ATS的尺寸要稍大，安裝時(shí)需要注意。數(shù)據(jù)中心機(jī)房作為重要的數(shù)據(jù)處理設(shè)施，需要保證容錯(cuò)率。保障容錯(cuò)率的方式是構(gòu)建兩套及以上的服務(wù)器系統(tǒng)，通過最低同時(shí)存在兩套及以上服務(wù)器系統(tǒng)運(yùn)行的方式來應(yīng)對(duì)特殊情況，如設(shè)備故障、操作故障等，保證服務(wù)器機(jī)房的正常運(yùn)行。常用的USP方向容錯(cuò)系統(tǒng)搭建方式是并聯(lián)冗余方式，將同樣型號(hào)的UPS并聯(lián)，但額定負(fù)載只有一臺(tái)UPS大小[6]。當(dāng)一臺(tái)UPS出現(xiàn)故障時(shí)，其他UPS依然可以繼續(xù)工作，保證穩(wěn)定供電，從而提高供電的穩(wěn)定性。此外，可以通過提高UPS的并聯(lián)數(shù)量進(jìn)一步提高供電系統(tǒng)的可靠性。在并聯(lián)冗余供電方式中，主要分為2N和2（N+1）兩種供電方式，從而保證在任何時(shí)刻都有最低兩臺(tái)UPS提供穩(wěn)定的供電。UPS一旦出現(xiàn)問題，可以通過自帶的內(nèi)部維修旁路開關(guān)進(jìn)行維修，維修效率較高。同時(shí)，在輸出配電柜上安裝并聯(lián)空開，可以輕松實(shí)現(xiàn)UPS的容量擴(kuò)充，且不對(duì)當(dāng)前UPS系統(tǒng)造成供電影響。如果需要對(duì)單臺(tái)UPS進(jìn)行維護(hù)，可以關(guān)閉相應(yīng)UPS的空開，在不對(duì)當(dāng)前UPS系統(tǒng)造成影響的情況下安全維護(hù)這臺(tái)UPS。如果條件允許，UPS系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)建立外部維修旁路，以保證對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)的維修便捷性[7]。

在UPS對(duì)設(shè)備與機(jī)房進(jìn)行供電的過程中，電源首先通過正常供電線路經(jīng)過轉(zhuǎn)換開關(guān)和斷路器進(jìn)入U(xiǎn)PS。UPS通過輸出回路將電力輸送至配電柜，并通過專用的PDU（Power Distribution Unit）對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行供電。當(dāng)電源出現(xiàn)故障時(shí)，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的應(yīng)急電源，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)將電力輸送到斷路器，然后進(jìn)入U(xiǎn)PS的輸出回路，并從傳送到針對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房的配電輸出柜。而在電源故障發(fā)生到應(yīng)急電源輸送至數(shù)據(jù)機(jī)房的間隔中，需要通過UPS對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房提供電源，保證數(shù)據(jù)的安全。UPS的電池容量需要最低維持機(jī)房運(yùn)行15 min，以保證數(shù)據(jù)的備份，而大型機(jī)房則需要更高的電池容量。例如，省級(jí)公安系統(tǒng)的服務(wù)器機(jī)房的UPS電池容量可以給服務(wù)器機(jī)房提供3.5 h的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，以保證服務(wù)器的數(shù)據(jù)備份能夠順利完成；當(dāng)單臺(tái)UPS出現(xiàn)內(nèi)部故障時(shí)，將這臺(tái)UPS旁接的空開斷開，并對(duì)UPS進(jìn)行維修；當(dāng)UPS的并聯(lián)冗余供電系統(tǒng)需要進(jìn)行檢修時(shí)，UPS的整個(gè)輸入輸出線路通過斷路器斷開，電源通過外旁路繼續(xù)對(duì)PDU供電，進(jìn)而可以在保證服務(wù)器正常運(yùn)行的情況下安全檢修UPS[8]。

2.4 各終端的配電設(shè)計(jì)

為了防止中性線和PE線之間的電位差達(dá)不到設(shè)備的實(shí)用要求而導(dǎo)致設(shè)備損毀，PDU的進(jìn)線處需要設(shè)置變壓器來降低電位差，以保障設(shè)備的正常使用。常見的PDU進(jìn)線處變壓器方案為采用380～220 V額定數(shù)值的隔離變壓器引出新的中性線，從而保證電位差的穩(wěn)定。如同UPS的并聯(lián)冗余系統(tǒng)一樣，數(shù)據(jù)機(jī)房系統(tǒng)也使用2N的雙路冗余線路系統(tǒng)，PDU數(shù)量為最低兩個(gè)的偶數(shù)，每個(gè)MCB（Main Circuit Breaker，微型斷路器）對(duì)應(yīng)一個(gè)機(jī)柜電源，也就是UPS的兩路輸出電路經(jīng)過PDU對(duì)設(shè)備進(jìn)行雙路供電，保障系統(tǒng)在任何故障下的運(yùn)行穩(wěn)定性[9]。為了保障PDU中各路電源的狀況，運(yùn)維人員應(yīng)當(dāng)通過PDU自帶的通信接口連接計(jì)算機(jī)，并建立相關(guān)通信協(xié)議，實(shí)時(shí)監(jiān)控PDU的數(shù)據(jù)，提高對(duì)電力分配和電力穩(wěn)定程度的掌握水平。

3 數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)

為了保障機(jī)房安全，在建立數(shù)據(jù)中心機(jī)房接地系統(tǒng)時(shí)，需要考慮交流工作地、安全保護(hù)地、防雷保護(hù)地以及專用直流工作地四大類。需要從機(jī)房的實(shí)際情況出發(fā)，與建筑設(shè)計(jì)相結(jié)合，保證數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì)能夠滿足接地電阻的基本要求。建筑結(jié)構(gòu)中的接地扁鋼結(jié)構(gòu)可以用作安全保護(hù)地和防雷保護(hù)地。

在機(jī)房的抗靜電系統(tǒng)方面，應(yīng)當(dāng)根據(jù)機(jī)房的狀況進(jìn)行抗靜電底板的接地處理，保證機(jī)房靜電電壓U＜1kV。如何保證靜電電壓，主要在于接地和地板的內(nèi)外電阻。而機(jī)房?jī)?nèi)的所有金屬建筑結(jié)構(gòu)全部需要接地，防止金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大電壓導(dǎo)致電源波動(dòng)而影響設(shè)備運(yùn)行甚至損害設(shè)備[10]。

4 數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

雷電是對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房危害最大的一種外界因素。一旦遭遇雷擊，很容易將低壓電源系統(tǒng)擊穿，損壞設(shè)備元器件。所以，為了保護(hù)設(shè)備免受雷電災(zāi)害的影響，應(yīng)當(dāng)采取有效的控制電源擾動(dòng)手段，將浪涌電流接地。同時(shí)，在所有低壓電源系統(tǒng)上安裝一級(jí)電源避雷器，在機(jī)房的進(jìn)線配電柜上安裝耳機(jī)電源避雷器，UPS與PDU上安裝三級(jí)電源避雷器，從而通過多層避雷手段保證設(shè)備不受雷電影響，大大降低低壓電源系統(tǒng)被擊穿的可能。

5 數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工問題

5.1 機(jī)房配電系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)

由于數(shù)據(jù)中心機(jī)房的重要作用和服務(wù)器機(jī)房極高的電力負(fù)荷需求，對(duì)于機(jī)房配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要嚴(yán)格謹(jǐn)慎。在負(fù)荷容量的統(tǒng)計(jì)過程中，需要結(jié)合除去機(jī)房之外的周邊用電設(shè)備如建筑中的弱電系統(tǒng)和一級(jí)負(fù)荷用電進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證配電系統(tǒng)能夠承受整體供電容量的需求，并預(yù)留一定冗余，保證后期機(jī)房設(shè)備拓展的容量需求。由于單個(gè)服務(wù)器體積較小，在固定空間內(nèi)功耗提高的情況下，UPS的配置容量應(yīng)當(dāng)跟隨系統(tǒng)配電容量進(jìn)行相應(yīng)提升，以保證未來供應(yīng)機(jī)房功耗的容量充足。

5.2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要結(jié)合多領(lǐng)域

機(jī)房配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需融合多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)，設(shè)計(jì)中要嚴(yán)格考量這些領(lǐng)域的專業(yè)性。

5.2.1 機(jī)房裝修

機(jī)房?jī)?nèi)配套設(shè)備的安裝要結(jié)合機(jī)房配電相關(guān)規(guī)范進(jìn)行調(diào)整，保證功能和視覺的效果要求。裝修中應(yīng)注意金屬材料的使用，務(wù)必將金屬材料接地，以減少靜電的產(chǎn)生。

5.2.2 走線設(shè)計(jì)

機(jī)房走線分為上走線和下走線兩種方式。在走線方式設(shè)計(jì)中，除需要考慮機(jī)房層高等基礎(chǔ)條件外，還必須嚴(yán)格規(guī)范空調(diào)、排風(fēng)、消防管道的走線方式，防止線槽與各專業(yè)管線交錯(cuò)造成不符合相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、影響后期運(yùn)維的問題。

5.2.3 弱電供電

在數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要優(yōu)化弱電供電。例如，門禁系統(tǒng)的供電可以加裝繼電器，為消防聯(lián)動(dòng)提供便捷，同時(shí)保證各個(gè)系統(tǒng)的電源獨(dú)立，對(duì)每個(gè)系統(tǒng)、每個(gè)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)斷路，且不影響其他設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)作。

5.3 設(shè)計(jì)及施工安裝要點(diǎn)

安裝數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵守規(guī)范，滿足數(shù)據(jù)中心機(jī)房的需求。例如，UPS到信息中心設(shè)備的電力輸出應(yīng)當(dāng)減少連接節(jié)點(diǎn)，保證信息中心供電的穩(wěn)定性，同時(shí)要在設(shè)計(jì)時(shí)加裝電量監(jiān)控設(shè)備，如在配電柜上安裝電量?jī)x、PDU接入信息系統(tǒng)查詢供電情況等，掌握機(jī)房配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。要規(guī)范化調(diào)整設(shè)備的擺放位置與布局，提高散熱的同時(shí)，方便配電安裝與維修。

5.4 結(jié)合造價(jià)情況與現(xiàn)有需求的信息進(jìn)行合理規(guī)劃

在機(jī)房建設(shè)項(xiàng)目中，經(jīng)常由于造價(jià)不足出現(xiàn)未能達(dá)到客戶過高要求的情況，因而出現(xiàn)了功能的閹割和客戶要求的技術(shù)在實(shí)際情況下不能起到作用的情況。針對(duì)這種情況，一方面與客戶進(jìn)行詳細(xì)溝通，對(duì)設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行詳細(xì)論證，保證要求的合理性，另一方面要針對(duì)客戶的需求和預(yù)算制定合理可行的建設(shè)方案。

6 結(jié) 論

當(dāng)前，數(shù)據(jù)信息技術(shù)和應(yīng)用需求不斷提升，對(duì)數(shù)據(jù)中心的性能、存儲(chǔ)要求與穩(wěn)定性也越來越高，配電系統(tǒng)的規(guī)劃與建設(shè)變得尤為重要。因此，對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析與設(shè)計(jì)，在實(shí)際項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)中，需根據(jù)相關(guān)國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需求和基礎(chǔ)設(shè)施情況，進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和科學(xué)設(shè)計(jì)。