數(shù)據(jù)中心機房供配電方案探討

劉鑌

廣東正恒建筑設(shè)計有限公司 廣東 梅州 514000

引言

數(shù)據(jù)中心機房是基于現(xiàn)代信息時代產(chǎn)物，為多個業(yè)務(wù)實現(xiàn)提供可靠性較高的環(huán)境，其中核心部分為供配電系統(tǒng)，供配電系統(tǒng)穩(wěn)定性，可有效保證系統(tǒng)發(fā)揮自身價值，以及各項核心業(yè)務(wù)處于正常運作。與常規(guī)建筑供配電系統(tǒng)相較，具有一定的復(fù)雜性，涵蓋多個系統(tǒng)，相互間存在影響，有必要實際設(shè)計供配電設(shè)計方案過程中，綜合性考量各方面因素，保證供配電設(shè)計方案具有合理性及科學(xué)性。

1 數(shù)據(jù)中心機房供配電方案設(shè)計標(biāo)準及原則

一方面，數(shù)據(jù)中心具有專項設(shè)計標(biāo)準，全球第一個綜合性數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)標(biāo)準于2005年批準使用，我國相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準均在國內(nèi)數(shù)據(jù)中心建設(shè)發(fā)展基礎(chǔ)上形成，數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范GB50174-2017實施。數(shù)據(jù)中心需按照用戶重要程度，以及業(yè)主對數(shù)據(jù)中心可靠性實際需求，確定機房實際等級，以此為基礎(chǔ)確定合適的供配電系統(tǒng)。國內(nèi)數(shù)據(jù)中心應(yīng)滿足國內(nèi)相關(guān)規(guī)程標(biāo)準，供配電實際設(shè)計方案制定時，應(yīng)按照機房實際應(yīng)用性質(zhì)、管理要求等，確定其實際屬于級別。另一方面，供配電設(shè)計方案原則。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)嚴格依照相關(guān)標(biāo)準、規(guī)范，綜合性考量數(shù)據(jù)中心實際用電特征、供電要求高等要求，采取行之有效的措施，保證其相關(guān)配置滿足相關(guān)要求。數(shù)據(jù)中心供配電設(shè)計方案制定過程中，為保證其方案科學(xué)性及合理性，應(yīng)遵循一定的原則，如分區(qū)、分級原則，保證處于同一功能區(qū)域內(nèi)，設(shè)備運行供電穩(wěn)定、可靠。應(yīng)保證數(shù)據(jù)中心內(nèi)部所有設(shè)備根據(jù)相關(guān)標(biāo)準運行，以免各設(shè)備運行相互干擾。數(shù)據(jù)中心整體用電密度高，實際體量較大，供配電系統(tǒng)方案設(shè)計構(gòu)成中，應(yīng)充分應(yīng)用節(jié)能措施，減少供配電系統(tǒng)中實際損耗[1]。

2 數(shù)據(jù)中心機房供配電系統(tǒng)需求分析

隨信息技術(shù)高速發(fā)展，以及互聯(lián)網(wǎng)日漸普及，信息系統(tǒng)在各領(lǐng)域中應(yīng)用不斷深入，信息呈爆發(fā)式增長，對數(shù)據(jù)中心提出新的挑戰(zhàn)，信息設(shè)備功能趨于多元化，自身性能不斷優(yōu)化升級，功率密度越來越高。數(shù)據(jù)中心設(shè)備柜用電負荷提高至6kVA/臺，甚至超過該數(shù)值，機房單位面積均用電負荷提高至超過2kVA每平方。數(shù)據(jù)中心用電負荷主要體現(xiàn)在兩大模塊，即市電供電系統(tǒng)負荷、USP供電系統(tǒng)負荷，前者主要包含機房照明、建筑電氣設(shè)備等，后者主要是供要求不間斷電源負荷及充電負荷之和。

在數(shù)據(jù)中心建設(shè)機房建設(shè)中，開展供配電系統(tǒng)需求分析還需要考慮設(shè)備實際符合與規(guī)劃符合之間的容量差，這樣才能保證整個項目設(shè)計規(guī)劃的合理性。要注意的是，在數(shù)據(jù)中心機房中，用電設(shè)備的類型多樣，這些設(shè)備在用電需求等層面存在較大的差異，基于此，為滿足整個機房用電設(shè)備的應(yīng)用需要，需要重視機房用電的有效規(guī)劃，實現(xiàn)機房用電與整個建筑用電的有效協(xié)調(diào)。在機房實際用電規(guī)劃中，還應(yīng)樹立超前性理念，對機房各類用電設(shè)備需求、業(yè)務(wù)需求進行拓展和兼容設(shè)計，確保整體機房供配電整體設(shè)計的科學(xué)性、合理性。譬如，機房中的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、安全設(shè)備在電源頻率、諧波及電源穩(wěn)定性等層面均存在較大差異性，故而應(yīng)結(jié)合實際需要，開展數(shù)據(jù)中心機房個設(shè)備供配電系統(tǒng)設(shè)計，以此來滿足系統(tǒng)的實際應(yīng)用需要。

3 數(shù)據(jù)中心機房供配電系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 供配電系統(tǒng)的布置

數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)供配電系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量較多，不僅包含USP、電池，而且涉及備用柴油發(fā)電機等，上述設(shè)備實際放置面積較大，為保證各設(shè)備功能良好實現(xiàn)，需綜合性考量其放置布局規(guī)劃。為進一步保證UPS輸出至各設(shè)備間電能耗損降至最低，應(yīng)為數(shù)據(jù)中心配置單獨的配電間、變配電所等，并保證UPS電源機房臨近設(shè)備機房。UPS電源主機、配電柜等是否進行隔開，取決于數(shù)據(jù)中心實際狀況。同時，UPS屬于大型設(shè)備，后續(xù)運行工作過程中，形成的噪聲較大，應(yīng)布置于承重較佳，且對辦公及休息不會造成影響區(qū)域。配電柜具體位置規(guī)劃設(shè)計，需綜合性考量上述要求。柴油發(fā)電機房通常布設(shè)于地面一層或室外單獨設(shè)置，值得一提的是，應(yīng)審核進、出通道設(shè)計是否與相關(guān)規(guī)程相吻合，注重發(fā)電機組實際儲油裝置布置需求。為保證后續(xù)對多個機房進行升級改造，需將發(fā)電機房、UPS機房存留一定的空間，便于后續(xù)機房整體優(yōu)化改造，針對并非專業(yè)設(shè)計用于數(shù)據(jù)中心建筑，并應(yīng)審核其是否滿足線路敷設(shè)標(biāo)準要求[2]。

3.2 供配電系統(tǒng)設(shè)計方案

3.2.1 市電動力配電系統(tǒng)設(shè)計。市電動力配電需提供的供電設(shè)備較多，不僅包含空調(diào)設(shè)備、普通照明，而且涉及一般動力等，上述設(shè)備通常為總配電輸出動力提供配電系統(tǒng)，接地方式采用TN-S，地線與零線應(yīng)獨立分隔布置，并將兩者間電壓控制于不超過1V。為從本質(zhì)層面保證數(shù)據(jù)中心電源具有可靠性，通常建議需增設(shè)兩路電源，若現(xiàn)場布設(shè)條件難以滿足，也可引入一條。市電電源實際供電容量需可滿足一、二級負荷實際要求，供電實際容量可保證供電一同運行，兩路電源均處于設(shè)備輸入端，且可實現(xiàn)自動切換。市電動力配電柜選用放射式配電方式頻次較高，直接傳輸配置于各用電設(shè)備中，機房內(nèi)部配電線選取上金屬管槽敷設(shè)，同時配電柜擁有聯(lián)動自保護功效，若特殊狀況下引發(fā)火災(zāi)，其會自動形成預(yù)警，并第一時間切斷電源[3]。

3.2.2 自備應(yīng)急電源系統(tǒng)設(shè)計。備用電源系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心機房可靠運行基礎(chǔ)保證，一般會選用柴油發(fā)電機機組作為備用，規(guī)格較大的數(shù)據(jù)中心，可選取大功率燃氣輪機發(fā)電機組，由于實際輸出電源質(zhì)量較佳，體積較小，重量較輕。按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準，數(shù)據(jù)中心應(yīng)配置相應(yīng)的應(yīng)急電源，以此滿足各類突發(fā)狀況，實際供電容量需滿足相關(guān)標(biāo)準。數(shù)據(jù)中心機房布設(shè)區(qū)域條件受限，且對電源可靠性較高時，為保證其運行安全性，可選取移動式發(fā)電機組為備用。發(fā)電機組內(nèi)部存儲燃料實際量，取決于數(shù)據(jù)中心等級要求，通常應(yīng)超過發(fā)電機組滿負荷運行8小時用油量。

3.2.3 UPS供配電系統(tǒng)設(shè)計方案。UPS配電在多個領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用成效，其內(nèi)部包含多個設(shè)備，一般其系統(tǒng)輸出采取三級配電方式，即系統(tǒng)輸出配電柜、機房配電柜、機柜配電單元。UPS系統(tǒng)蓄電池組實際容量計算方式包含兩種，其一是按照負荷電流進行計算；其二是按照負荷功率進行計算，前者最終計算最終結(jié)果是蓄電池總?cè)萘浚筮x取蓄電池容量及組數(shù)；后者最終計算結(jié)果為選定容量規(guī)格蓄電池組數(shù)，兩者不同計算方式均可相互檢驗。單、雙電源設(shè)備實際容量不盡相同，需按照實際狀況，選取合適的容量。若負荷設(shè)備對接地電壓具有較高的要求，可在配電柜增設(shè)相應(yīng)的隔離變壓器，進而保證輸出電源質(zhì)量滿足相關(guān)要求。數(shù)據(jù)中心UPS供配電實現(xiàn)供電目標(biāo)，一般會選取冗余方式，保證供電過程中，一臺設(shè)備出現(xiàn)異常狀況，無法提供供電，仍可滿足相關(guān)設(shè)備用電需求，單機供電無法完成。分析該供配電方案，通常使用方式如下：

3.2.3.1 熱備份式冗余UPS供電方式。其中主機及備用機承擔(dān)負載主體目標(biāo)不同，前者承擔(dān)負載，后者處于空載或非負載，備用機與輸入端予以連接，此種布置方式具有良好的靈活性，無須要求兩臺UPS品牌相同，且不需增加額外輔助電路，控制實際成本。如UPS主機發(fā)生故障，備用機需承擔(dān)全部負載，表明實際設(shè)計過程中，需準確計算UPS故障下備用機所需承擔(dān)的總負載。但此種配置方式核心不足在于備用機具有階躍性負載承載能力，難以達成電源容量有效擴充，可將容量不同的UPS通過銜接方式，以最小容量輸出。

3.2.3.2 直接并機冗余UPS供電方式。為克服備份供電系統(tǒng)運作不足，UPS技術(shù)在不斷實踐中優(yōu)化升級，將自身輸出功率相同的UPS進行并聯(lián)，形成完整的供電系統(tǒng)。為保證該系統(tǒng)正常運作，對電源運作要求較高，應(yīng)保證頻次、相變一致。此外，此種配置方式瞬時承載力較大，可完成功率自行均勻配置，系統(tǒng)相互間為主備，確保供電可靠性及安全性。

3.2.3.3 雙總線冗余供電方式。雙總線供電主要是采用兩條總線對后端設(shè)備進行供電方式，每一條總線上擁有與UPS相同的供電方式，提高輸出電源供電可靠性。此種供電方式可實現(xiàn)兩個“在線”，即三線擴容、在線升級，滿足雙電源用電設(shè)備需求。但此種供電方式相當(dāng)于構(gòu)建兩個前者闡述供電方式回路，增加一定的成本支出。

3.3 供配電設(shè)備安裝及線路敷設(shè)

在數(shù)據(jù)中心機房供配電設(shè)計中，還需要注重配電設(shè)備安裝及線路敷設(shè)的系統(tǒng)設(shè)計。其中在供配電設(shè)計安裝中，應(yīng)重視機房配電柜、UPS電源柜、消防設(shè)備等內(nèi)容的安裝設(shè)計；要求這些設(shè)備應(yīng)落地安裝，配電柜應(yīng)與其他建筑銜接具有牢固性；機房內(nèi)部設(shè)備旁應(yīng)布設(shè)相應(yīng)測試插座，標(biāo)識相應(yīng)的警示。而在機房及線路敷設(shè)設(shè)計中，全部電路敷設(shè)需嚴格依照設(shè)計圖紙實施，綜合考量供電距離應(yīng)盡量短，為以免機房內(nèi)線路造成干擾，應(yīng)進行分別鋪設(shè)，不能放于同一個線槽內(nèi)。譬如在機房配電柜安裝設(shè)計中，要求嚴格設(shè)計確定配電柜、開關(guān)柜等的具體位置，實現(xiàn)設(shè)計科學(xué)、合理、美觀、效益相結(jié)合。其次在配電柜的導(dǎo)線、電氣元件、電源進線等要素等項目設(shè)計中，需確保這些項目線路壓接緊密，連接牢固無松動，尤其是在機房配電柜箱體設(shè)計中，需確保其具有保護接地線端子和中性線接線端子。同時應(yīng)重視配電柜具體參數(shù)和特殊需求設(shè)計，為后期配電柜的高效使用奠定良好基礎(chǔ)。最后在配電柜線路敷設(shè)中，需在規(guī)范，精細、嚴密原則的指導(dǎo)下，規(guī)范的導(dǎo)線顏色黃綠紅對應(yīng)ABC相，不斷提升配電柜、電纜橋架的線纜 敷設(shè)設(shè)計水平。在機房布線設(shè)計中，應(yīng)嚴格按照強電纜和弱電纜分離的原則進行布線設(shè)計，避免線纜交叉引發(fā)故障。

3.3.4 可靠性接地。數(shù)據(jù)中心接地方式應(yīng)選用聯(lián)合方式，針對重要機房而言，需全面做好接地措施，保證系統(tǒng)運行安全性，如配電箱及配電柜金屬架。門與框架接地端子銜接部位，需采用銅線予以連接，照明配電箱內(nèi)漏電保護器，其實際動作應(yīng)小于30mA，接地直線與干線相銜接需單獨進行接地，禁止實現(xiàn)串聯(lián)。金屬電纜橋架及其支架長度應(yīng)超過2處于接地干線相連接，接地線最小允許截面面積不小于6mm2，接地在插座間禁止串聯(lián)銜接。另外，在數(shù)據(jù)中心機房接地設(shè)計中，還需要考慮以下要素：其一，在防雷設(shè)計中，不僅要求考慮直擊雷防護，電源防護，而且應(yīng)重視信號系統(tǒng)防雷控制；其二，防雷措施應(yīng)用中，應(yīng)系統(tǒng)使用接閃器、引下線、接線裝置的設(shè)計及使用，提升防雷接地效果。其三，應(yīng)嚴格按照一、二、三級的要求進行機房電源防雷設(shè)計，提升機房防雷接地設(shè)計的整體質(zhì)量。值得注意的是，新時期，人們對于數(shù)據(jù)中心機房供配電設(shè)計質(zhì)量提出了較高要求，即在滿足數(shù)據(jù)中心機房供配電功能要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)系統(tǒng)化地開展數(shù)據(jù)中心機房供配電的節(jié)能設(shè)計，要求在供配電系統(tǒng)配置應(yīng)用中，盡可能地減少設(shè)備運行能耗，這樣能提升供配電系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量及運行管理質(zhì)量，滿足新時期的數(shù)據(jù)中心機房應(yīng)用需要。

4 結(jié)束語

用途、等級不同數(shù)據(jù)中心供配電實際要求存在較大差異性，其與數(shù)據(jù)中心運維成本息息相關(guān)，供配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)綜合性考量多方面因素，按照數(shù)據(jù)中心對供電可靠性要求，在電源選取、供配電布置等采取有效措施，應(yīng)用成熟節(jié)能措施，降低供配電系統(tǒng)設(shè)計損耗。