數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)設(shè)計研究

呂 明，劉 俊，楊 濤，高 鵬

（中國石油天然氣股份有限公司吉林石化數(shù)據(jù)中心分公司，吉林 吉林市 132000）

1 研究背景

隨著我國移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和第五代移動通信技術(shù)（5th-Generation Mobile Communication Technology，5G）的 正式商用，海量的數(shù)據(jù)資源日益龐大，其中所蘊含的信息得到各方的重視。因此，國內(nèi)的數(shù)據(jù)中心得到了快速發(fā)展。數(shù)據(jù)中心中存儲著大量的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息中蘊含著巨大的研究價值和商業(yè)價值，因此數(shù)據(jù)中心的運行應(yīng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性［1-2］。為保障數(shù)據(jù)中心的電能供應(yīng)，對數(shù)據(jù)中心采用可靠、穩(wěn)定的供電方案有非常重要的意義。低壓配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心常見的配電方式。文章對數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化進行研究，為數(shù)據(jù)中心的配電研究提供可行的方案。

2 數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計

低壓配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運行的能源系統(tǒng)。目前，低壓配電系統(tǒng)在長時間的運行中逐漸暴露出智能化水平較低、魯棒性較差和穩(wěn)定性較差的現(xiàn)象［3］。因此，要提高數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性和智能化水平，低壓配電系統(tǒng)不僅應(yīng)具備良好的低壓供電能力，還要具有良好的防雷電、防水和防火等功能，能在不影響數(shù)據(jù)中心電能供應(yīng)的情況下對配電系統(tǒng)進行維護和擴容。通過對數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)進行設(shè)計，保障數(shù)據(jù)中心的各類服務(wù)器、存儲設(shè)備、通信設(shè)備及其他電子設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，有效保障各類數(shù)據(jù)信息的安全性［4］。

數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)主要由不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）配電系統(tǒng)、防雷接地子系統(tǒng)和安防子系統(tǒng)等組成。

2.1 UPS配電系統(tǒng)

UPS配電系統(tǒng)能為數(shù)據(jù)中心提供永不間斷的電能。該系統(tǒng)一般采用雙總線技術(shù)，由2臺UPS構(gòu)成，主要將電能提供給數(shù)據(jù)中心內(nèi)的服務(wù)器、機柜設(shè)備和運行監(jiān)控中心的計算機。2臺UPS都引入獨立的市電，當正常輸入市電時，UPS能夠穩(wěn)壓市電并提供給負載，同時可以使機內(nèi)電池儲能；當市電中斷時，UPS能夠立即用逆變器將電池內(nèi)的儲能進行轉(zhuǎn)換并繼續(xù)向負載供電，確保負載正常運行，避免設(shè)備出現(xiàn)不必要的硬件損害。當出現(xiàn)瞬間低電壓、瞬間高電壓、電涌、電線噪聲、頻率偏移等情況時，UPS系統(tǒng)還能夠起到保護作用。因此，要合理設(shè)計與使用UPS系統(tǒng)，使其處于平穩(wěn)的工作狀態(tài)［5］。

數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)共配置了2臺電源分配單元（Power Distribution Unit，PDU），務(wù)必確保機房內(nèi)每臺機柜都由2個獨立的UPS回路供電。通過地板下電線槽引入實現(xiàn)機柜供電，安裝IP65或IP44工業(yè)型防水插座，保證供電的連續(xù)可靠性和人員操作的安全性。

2.2 防雷接地系統(tǒng)

防雷接地系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心機房需要重點關(guān)注的對象，防雷接地系統(tǒng)不僅要有效防雷，防止因雷擊而導致的損害，還要有效防止靜電所導致的損害，對數(shù)據(jù)中心的安全穩(wěn)定運行有著非常重要的意義［6］。

數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)一般采用兩級的安全避雷接地系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)中心總電源進線處裝配一級防雷接地系統(tǒng)（60 kA）， 在配電柜的電源進線處裝配二級防雷接地系統(tǒng)（40 kA）。防雷接地系統(tǒng)主要由雷電接收器、接地裝置、引下線和接地電阻等構(gòu)成。其中，雷電接收器是直接或間接接受雷電的接閃器，一般由金屬導體制作，常見的有避雷針、避雷器、架空地線等。接地裝置包括接地體和接地線［7］。接地線是指桿塔的接地端子及電氣設(shè)備與零線或其他接地體相連的不載流的金屬導體。接地體一般是埋入土中，與土地有接觸的金屬導體。引下線能有效將累計電流從閃接器傳導到接地裝置的導體。接地電阻是衡量接地裝置性能的重要參數(shù)，是指接地體的對地電阻的總和，其阻值為接地裝置對地電壓和流入土地中電流的比值。

2.3 空調(diào)配電系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心中大量的服務(wù)器、存儲設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量，需要配置空調(diào)制冷系統(tǒng)才能平衡機房內(nèi)的溫度。通常采用浸入式冷卻或直接液冷卻的方式確保機房內(nèi)的溫度穩(wěn)定。由于數(shù)據(jù)中心機房環(huán)境的特殊性，空調(diào)系統(tǒng)需要具有較強的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)中心24 h不間斷運行，要維持數(shù)據(jù)中心機房工作的穩(wěn)定性，制冷系統(tǒng)也必須要有較強的穩(wěn)定性和較長時間的使用壽命，才能確保機房的恒溫恒濕。因此，空調(diào)配電系統(tǒng)影響著數(shù)據(jù)中心運行的穩(wěn)定性和可靠性。

空調(diào)配電系統(tǒng)內(nèi)共有2組空調(diào)，每組4臺，運行方式為3用1備。空調(diào)配電系統(tǒng)采用雙電源供電，接入到兩路獨立的380 V/220 V、50 Hz電源上。為保障空調(diào)配電系統(tǒng)安全運行，每臺空調(diào)的配電均與消防報警系統(tǒng)相連。

2.4 安防系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心安防系統(tǒng)由視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、電子巡更系統(tǒng)和入侵報警系統(tǒng)等子系統(tǒng)構(gòu)成。安防系統(tǒng)是基于客戶機/服務(wù)器（Client/Server，C/S）模式建立的分布式網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)對各子系統(tǒng)的集中控制和管理［8］。安全防范系統(tǒng)的故障應(yīng)不影響各子系統(tǒng)的運行。在數(shù)據(jù)中心的各出入口安裝攝像頭、通信鏈路等，對數(shù)據(jù)中心的出入進行嚴格的管制，并由電子巡更系統(tǒng)加強對安排安保人員的管理，有效保障數(shù)據(jù)中心的安全。此外，為數(shù)據(jù)中心信息系統(tǒng)安裝入侵報警系統(tǒng)，可以防止惡意訪問和非法入侵，充分保護數(shù)據(jù)安全，有效提高數(shù)據(jù)中心的信息化安全水平。

2.5 低壓配電及線路敷設(shè)方式

低壓配電線路的敷設(shè)要安全可靠，不僅要保障供電連續(xù)性，還要有效減少線路損失，提高輸電效率，保證電能質(zhì)量良好。重要電力設(shè)備的配電線路使用ZR-VVR阻燃軟電纜以放射型方式進行敷設(shè)。一般電力設(shè)備的配電線路使用WDZA-YJY低煙無鹵電纜以放射與樹干混合的方式進行敷設(shè)。照明、空調(diào)所有低壓電線中采用ZR-BY阻燃銅芯線。出配電柜（箱）的支線線路，若有線槽則敷設(shè)在線槽內(nèi)，若無線槽則運用金屬管對線路進行保護，同時還需要在過長的配管線路中增加過路盒，對經(jīng)過沉降縫的管線和橋架都要進行沉降處理。

2.6 數(shù)據(jù)中心照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心設(shè)計中的重要基礎(chǔ)設(shè)施。照明系統(tǒng)不僅要使工作區(qū)域能夠很好地被照明，還要考慮節(jié)能的因素。在主機房中，需要設(shè)置正常照明、疏散照明、非消防備用照明。數(shù)據(jù)中心照度設(shè)計標準：機房區(qū)的平均照度為500 LX；應(yīng)急照明的平均照度為50 LX；其他區(qū)的平均照度為300 LX；照明系統(tǒng)的配電柜采用雙電源供電，電源經(jīng)自動切換開關(guān)（TBBQ3）實現(xiàn)自動切換，再經(jīng)配電開關(guān)分配后為數(shù)據(jù)中心的照明系統(tǒng)進行供電。

2.7 電氣保護與接地系統(tǒng)

良好的接地系統(tǒng)不僅能夠有效地抑制外來干擾的侵襲，確保電子電氣設(shè)備安全可靠運行，還能夠減少系統(tǒng)內(nèi)部的相互干擾，使數(shù)據(jù)中心機房電源系統(tǒng)能保持一個穩(wěn)定的零電位。電位漂移會造成磁介質(zhì)的存儲等設(shè)備出現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫失敗，甚至產(chǎn)生故障［9］。因此，加強對數(shù)據(jù)中心的電氣保護，設(shè)計穩(wěn)定有效的接地系統(tǒng)有著非常重要的作用。數(shù)據(jù)中心機房一般采用TN-S接地系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有線路簡單、故障靈敏度高和成本較低等優(yōu)勢，適用于三相負荷比較平衡且單相負荷容量較小的場所。該系統(tǒng)共有5根線，分別為3根相線、1根中性線和1根保護接地線。該系統(tǒng)僅一點接地，用電設(shè)備的外露可導電部分接PE線。需要注意的是，PE線原則上是不允許斷開的，否則會導致觸電危險，所以TN-S系統(tǒng)需要考慮重復(fù)接地。

機房內(nèi)所有電源插座回路專放接地線，且設(shè)置漏電保護開關(guān)。對高度不足2.4 m的燈具及I類燈具外殼都要確保與接地線連接。數(shù)據(jù)中心機房與接地系統(tǒng)相連：UPS輸出端中性點工作接地、電氣設(shè)備保護接地、弱電設(shè)備接地、防靜電接地、防雷接地等電位接地都進行數(shù)據(jù)中心的聯(lián)合接地體，有效保障數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

2.8 精密配電柜

數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)中采用較為先進的精密配電技術(shù)方案，不同電氣產(chǎn)品均能夠在每個配電回路中進行熱插拔操作。在配電柜中配備雙路電源切換，以確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。同時，在進行配電系統(tǒng)的容量設(shè)計時，不僅要考慮數(shù)據(jù)中心的設(shè)備負載，還要考慮數(shù)據(jù)中心的發(fā)展規(guī)劃需求。

3 結(jié)語

隨著大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心也在快速發(fā)展。數(shù)據(jù)中心中所存儲的數(shù)據(jù)資源日益龐大，對配電系統(tǒng)提出了更高的要求。低壓配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)性條件，經(jīng)過系統(tǒng)、科學的設(shè)計和嚴謹?shù)陌惭b調(diào)試，能有效保障實現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)的建設(shè)目標，為數(shù)據(jù)中心安全穩(wěn)定運行奠定基礎(chǔ)。