數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)的問(wèn)題及改進(jìn)

徐其勤 孫惠民

（中國(guó)電科二十八所 江蘇省南京市 210007）

1 數(shù)據(jù)中心的基本概述

數(shù)據(jù)中心的建立對(duì)主體起到了一定的服務(wù)作用，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、機(jī)房支持區(qū)域建筑物的總稱。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展中，有些行業(yè)對(duì)于數(shù)據(jù)的依賴性很大，且在各項(xiàng)業(yè)務(wù)、服務(wù)的開(kāi)展過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)中心建立的主要功能是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理、交換與傳輸，借助于大型服務(wù)器來(lái)完成數(shù)據(jù)的交流與存儲(chǔ)[1]。要保障數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，需建立穩(wěn)定的供配電系統(tǒng)，維持電力供應(yīng)的穩(wěn)定性，并需要建立完善的UPS，使得即使在斷電的情況下，UPS 也依舊能夠維持其可靠的運(yùn)行。如果存在電力供應(yīng)不穩(wěn)定的情況，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的相關(guān)設(shè)備設(shè)施可能會(huì)受到這種不穩(wěn)定出現(xiàn)各種損壞，影響正常的網(wǎng)絡(luò)傳輸，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓴?shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。而在數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行中，如果出現(xiàn)UPS 響應(yīng)速度較差、供電電源不足與供電時(shí)間過(guò)短的情況，將會(huì)造成數(shù)據(jù)備份異常，影響數(shù)據(jù)中心各種業(yè)務(wù)的開(kāi)展。因此，數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)是重點(diǎn)問(wèn)題。

2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房的設(shè)計(jì)內(nèi)容與特點(diǎn)

2.1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房的設(shè)計(jì)內(nèi)容

數(shù)據(jù)中心承擔(dān)著重要的任務(wù)，其機(jī)房構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜。在當(dāng)前數(shù)據(jù)中心機(jī)房的功能區(qū)域劃分來(lái)看，主要包含了數(shù)據(jù)主機(jī)房、UPS 機(jī)房、配置室、空調(diào)室、監(jiān)控中心等，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的這種特殊構(gòu)造使得在整個(gè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中，囊括了電氣工程、機(jī)房裝修工程、綜合布線排線、監(jiān)控門禁、消防安全等諸多的內(nèi)容[2]。數(shù)據(jù)中心機(jī)房的設(shè)計(jì)內(nèi)容中，綜合布線排線、配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

2.2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計(jì)具有復(fù)雜性、系統(tǒng)性與綜合性。為保障數(shù)據(jù)中心機(jī)房作用的發(fā)揮，在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員需充分考慮機(jī)房?jī)?nèi)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境、防災(zāi)安全等要求。此外，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的設(shè)計(jì)周期很長(zhǎng)，從機(jī)房土建初步設(shè)計(jì)到竣工驗(yàn)收階段，往往會(huì)占據(jù)較長(zhǎng)的時(shí)間。在整個(gè)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，包含了多個(gè)工序、工種之間的協(xié)調(diào)性與配合性，參與的部門相對(duì)較多，各個(gè)部門與主體在參與數(shù)據(jù)中心機(jī)房項(xiàng)目的過(guò)程中，不僅需要切實(shí)履行好自身的職責(zé)權(quán)限，還需要加強(qiáng)不同部門之間的配合與協(xié)調(diào)，保障機(jī)房工藝技術(shù)、整體布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)弱電等各個(gè)環(huán)節(jié)都能夠達(dá)到全面配合的效果。

3 數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)存在的問(wèn)題

3.1 系統(tǒng)容量的整體規(guī)劃不合理

近年來(lái)，隨著各行各業(yè)發(fā)展中對(duì)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的使用要求逐步提高，數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)的重要性日益凸顯，尤其是隨著高層建筑項(xiàng)目的逐步增多，很多行業(yè)主體都建立了專門的數(shù)據(jù)中心機(jī)房，以發(fā)揮數(shù)據(jù)機(jī)房在業(yè)務(wù)、服務(wù)開(kāi)展中的作用。以樓宇建設(shè)為例，大樓的一級(jí)負(fù)荷用電常常被納入機(jī)房配電系統(tǒng)中，再加上機(jī)房?jī)?nèi)還包含了計(jì)算機(jī)設(shè)備，相關(guān)的弱電系統(tǒng)如閉路電視監(jiān)控、入侵警報(bào)系統(tǒng)等都是配電系統(tǒng)的服務(wù)范疇，因此，由于配電系統(tǒng)中包含的服務(wù)設(shè)備、子系統(tǒng)等相對(duì)較多，這就要求相關(guān)人員在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需充分考慮多方面的因素，實(shí)現(xiàn)整體規(guī)劃[3]。一些數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)不穩(wěn)定常常是由于配電系統(tǒng)容量規(guī)劃不足所造成的，當(dāng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)的相關(guān)設(shè)備在運(yùn)行的過(guò)程中，需要的電壓、電流等相對(duì)較高，如果配電系統(tǒng)的容量不足，將會(huì)難以滿足穩(wěn)定、安全與可靠運(yùn)行的要求。

3.2 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與其他專業(yè)設(shè)計(jì)的配合性不足

機(jī)房配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心機(jī)房的重要組成，要保持配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，為數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)相關(guān)電氣設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等提供重要的保障，就必須使得配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與其他專業(yè)設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)，但是，在實(shí)際的機(jī)房配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，一些設(shè)計(jì)人員常常缺乏配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與其他專業(yè)設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中存在諸多的問(wèn)題。數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)裝修從空間上主要包含了吊頂上、地板下、頂板與地板間結(jié)構(gòu)，在電氣設(shè)備、器件等的安裝方面，需考慮燈具與頂板的搭配、安裝位置是否合理等，一些設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)、安裝方面缺乏科學(xué)管理，存在安裝位置選擇不當(dāng)、燈具與頂板搭配不合理等情況。此外，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的吊頂上、地板下包含了諸多的管線布設(shè)，在設(shè)計(jì)中常常存在排風(fēng)管道、消防管道與強(qiáng)弱電線的交叉情況，難以進(jìn)行吊頂標(biāo)高的科學(xué)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員只能通過(guò)降低機(jī)房標(biāo)高、用地板下線槽擋住專用空調(diào)送風(fēng)口的方式來(lái)加以處理，這種情況下，存在風(fēng)阻提高、線槽生銹的風(fēng)險(xiǎn)[4]。由于數(shù)據(jù)中心的特殊性，在機(jī)房?jī)?nèi)常常需要進(jìn)行門禁、攝像頭等弱電設(shè)備的安裝，如果數(shù)據(jù)中心機(jī)房的面積較大、大弱電設(shè)備的數(shù)量較多時(shí)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中需進(jìn)行弱電系統(tǒng)的集中與分散設(shè)計(jì)，否則，設(shè)計(jì)不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致在數(shù)據(jù)中心機(jī)房運(yùn)行的過(guò)程中，某一個(gè)系統(tǒng)故障會(huì)引起其他系統(tǒng)、設(shè)備的故障。

3.3 工程造價(jià)與現(xiàn)有需求之間的矛盾

數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)的資金投入較大，為了達(dá)到數(shù)據(jù)中心機(jī)房使用的要求，在實(shí)際的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員往往會(huì)考慮多方面的因素，力求用最低的造價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)最好的設(shè)計(jì)質(zhì)量。但是，由于數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)各個(gè)設(shè)備的性能會(huì)影響數(shù)據(jù)中心機(jī)房的設(shè)計(jì)效果，如果過(guò)于關(guān)注工程造價(jià)，只能在設(shè)計(jì)中選用低性能的設(shè)備與配置，最終也就會(huì)降低數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。因此，工程造價(jià)與現(xiàn)有需求之間的矛盾是一些數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中面臨的一個(gè)重要難題，設(shè)計(jì)人員需從用戶的使用需求著手，加強(qiáng)與用戶的協(xié)調(diào)與溝通，妥善解決設(shè)計(jì)造價(jià)與現(xiàn)有需求之間的矛盾。

4 數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)的改進(jìn)

4.1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)的負(fù)荷等級(jí)

從當(dāng)前數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)的應(yīng)用情況來(lái)看，配電系統(tǒng)用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)主要包含了UPS 電源系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)與變配電系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)，其中，前者是UPS 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提，后者是變配電系統(tǒng)、自備應(yīng)急電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考。從UPS 電源系統(tǒng)負(fù)荷的構(gòu)成來(lái)看，主要包含了通信機(jī)房、自動(dòng)化機(jī)房設(shè)備的精密配電柜負(fù)荷與值班中心負(fù)荷、終端大屏等構(gòu)成，如圖1所示。UPS 電源系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)組成部分能夠在數(shù)據(jù)中心機(jī)房啟動(dòng)以發(fā)揮各自的作用，保障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理與傳遞。變配電系統(tǒng)負(fù)荷主要包含了機(jī)房照明、應(yīng)急照明、精密空調(diào)系統(tǒng)等相關(guān)的電氣設(shè)備，在整個(gè)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員必須要考慮系統(tǒng)的容量，既要保障系統(tǒng)的容量，還需要在滿足容量的基礎(chǔ)上使得系統(tǒng)具備一定的擴(kuò)容能力，避免系統(tǒng)容量不足影響配電系統(tǒng)的電壓的穩(wěn)定性[5]。

4.2 電源容量規(guī)劃設(shè)計(jì)

4.2.1 IT 設(shè)備耗電需求估算

在數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)，包含了各種的IT 設(shè)備，要提高配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，使得電源容量的設(shè)計(jì)能夠符合數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)各種電氣設(shè)備、IT 設(shè)備的運(yùn)行需求。IT 設(shè)備總消耗是所有機(jī)架功率消耗的綜合，一般情況下，單機(jī)機(jī)架功率在3.2kW 以下的為中低功率密度機(jī)架，而功率在3.2 ～7kW 的為高功率密度機(jī)架，而在7kW 以上的就是超高功率密度機(jī)架。當(dāng)數(shù)據(jù)中心建成以后，如果已經(jīng)明確了所需要安裝的各種設(shè)備類型與情況，相關(guān)設(shè)計(jì)人員需結(jié)合這些設(shè)備的功耗情況，準(zhǔn)確測(cè)算IT 設(shè)備的總體功率需求。

4.2.2 空調(diào)能耗估算

由于在數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)包含了大型服務(wù)器、電氣設(shè)備等，制冷空調(diào)總功耗是IT 設(shè)備功率、照明、人員活動(dòng)散熱的總和。IT 設(shè)備是數(shù)據(jù)中心機(jī)房的主要熱源，在IT 設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的能耗幾乎可以100%轉(zhuǎn)化為熱源。此外，數(shù)據(jù)中心機(jī)房還包含了環(huán)境熱源、燈光照明、人類活動(dòng)等，這些熱源相對(duì)較少，幾乎可以忽略不計(jì)。根據(jù)前期IT 設(shè)備功耗的估算情況，能夠計(jì)算出空調(diào)的能耗情況，進(jìn)而在整個(gè)機(jī)房配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，減少各種設(shè)備運(yùn)行中的能源消耗，使得配電系統(tǒng)的電源容量能夠滿足設(shè)備運(yùn)行與使用的要求。

4.3 數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)布置

4.3.1 遵守配電系統(tǒng)布置原則

在數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)的改進(jìn)中，為發(fā)揮配電中心在整個(gè)數(shù)據(jù)中心中的作用，相關(guān)人員在進(jìn)行配電系統(tǒng)的布置中，需遵守相應(yīng)的布置原則，比如，盡量使得變配電所、UPS 電源機(jī)房等靠近設(shè)備機(jī)房也就是負(fù)荷中心的位置。在變配電所、發(fā)電機(jī)房、UPS 電源機(jī)房的布置過(guò)程中，還需要留有一定的面積，使得這些機(jī)房、設(shè)備具有可擴(kuò)展性，能夠在后期數(shù)據(jù)中心的不斷改進(jìn)中留有一定的擴(kuò)展空間。在配電系統(tǒng)的布置過(guò)程中，還需要留有一定的供電線路通道。

4.3.2 變配電所布置要合理

如果數(shù)據(jù)中心機(jī)房為單幢建筑結(jié)構(gòu)，在變配電所的布置方面，盡量選用附設(shè)式變配電所，并將其布置在地面一層與二層的位置。如果一些數(shù)據(jù)中心機(jī)房的結(jié)構(gòu)相對(duì)特殊，附設(shè)式變配電所需設(shè)置在地下層時(shí)，要盡量避免在最底層的布置。

4.3.3 采用先進(jìn)的智能配電單元

數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)的改進(jìn)中，要加大先進(jìn)智能配電單元的應(yīng)用，比如，配電列頭柜作為一種新型的智能配電單元，在一些數(shù)據(jù)中心機(jī)房中得到了廣泛的應(yīng)用。具體來(lái)說(shuō)，可以將智能配電列頭柜安裝于設(shè)備機(jī)柜的一側(cè)位置處，并配置相應(yīng)的參數(shù)測(cè)量?jī)x、模塊化分配單元、可熱插拔斷路器等。這種智能配電列頭柜的應(yīng)用，使得在數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行與使用過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、在線監(jiān)測(cè)，對(duì)其所負(fù)載的電流分布與功率分布等加以全面、實(shí)時(shí)管理，有效發(fā)揮了參數(shù)測(cè)量?jī)x、數(shù)據(jù)采集與控制等多種作用。此外，智能配電列頭柜還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每相及中性線上電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率與無(wú)功功率等參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，根據(jù)這些測(cè)量結(jié)果，有關(guān)人員能進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心能耗的控制。智能配電單元作為一種模塊化單元，為數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)的擴(kuò)容提供了便捷。

圖1：智能母線槽配電

4.3.4 模塊化UPS 的應(yīng)用

模塊化UPS 的應(yīng)用中，主要是在進(jìn)行UPS 設(shè)備的配置時(shí)，考慮數(shù)據(jù)中心各類設(shè)備的遠(yuǎn)期負(fù)荷，雖然這種配置方式下使得數(shù)據(jù)中心前期的投入相對(duì)較高，但是在后期卻有著良好的應(yīng)用效果。與傳統(tǒng)的UPS 相比，模塊化UPS 的應(yīng)用能夠大大提高系統(tǒng)的可靠性，即使單一模塊出現(xiàn)了故障，也不會(huì)影響其他模塊的正常工作，且模塊化UPS 具有可熱插拔性質(zhì)，即使出現(xiàn)了故障，也能夠在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常。此外，模塊化UPS 還具有節(jié)能性、便捷性、靈活性等多種優(yōu)勢(shì)，在一些容量較小的數(shù)據(jù)中心機(jī)房中能夠得到良好的應(yīng)用。

4.4 新型配電方案

新型配電方案主要是母線槽配電方案，這種配電方案屬于一種智能化的配電手段，在歐美地區(qū)的應(yīng)用相對(duì)廣泛，且技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，其整體構(gòu)造如圖1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái)，很多用戶在開(kāi)展業(yè)務(wù)的過(guò)程中，越來(lái)越依賴數(shù)據(jù)中心，加大了在數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的投入。一些數(shù)據(jù)中心建成以后，由于機(jī)房配電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性不足，難以保障數(shù)據(jù)中心的正常使用，因此，相關(guān)用戶需針對(duì)機(jī)房配電系統(tǒng)的存在問(wèn)題，實(shí)施相應(yīng)的改進(jìn)與設(shè)計(jì)，提高數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)的可靠性。