浅谈数据中心供配电设计方案

【摘要】 在互联网产业高速发展的产业背景下，与之配套的大型数据中心建设数量加速增多，本文试从数据中心对供配电系统的需求进行分析，浅要探讨数据中心供配电系统设计方案。
【关键词】数据中心；供配电系统；供配电设计方案
 
1背景
       随着近年互联网产业发展，建立在计算机技术基础上的游戏、云计算、金融、大数据、智能家居等等领域发展蓬勃，对大规模的计算资源需求*，这就要求建设一系列相配套的大规模数据中心。一般的数据中心用于存储提供平台服务的设备，诸如服务器、存储硬盘、网络线缆等，这对电力供应的要求非常之高，耗电量也是巨大的。在进行数据中心的供配电系统设计工作中，涉及的细节繁杂，除了为巨量的线缆设备提供能够安全稳定工作的物理空间，还需要考虑路由布线、管理和维护等等因素。因此，本文通过分析其对于特殊的数据中心的功能需求，从而为深入的供配电设计提供设计思路。
 
2配电设计方案分级
       在进行数据中心设计工作时，通常参考《数据中心设计规范》（GB50174-2017）中的规定，一般将数据中心划分为A、B、C三个等级，分级依据则是综合考虑数据中心建成后的使用性质、遇到突发状况导致数据丢失或网络中断后可能会对经济和社会造成何等损失及影响程度。当数据中心在发生供电中断时，造成重大经济损失或公共场所秩序严重混乱者定性为A级；运行中断后造成较大经济损失或造成公共场所秩序混乱的定性为B级；其他的属于C级。而在异地建设的具有备份功能的机房则需要在设计阶段将等级确定为与原机房相同。在进行数据中心供配电系统设计过程中，要依照上述分区和分级的原则，供配电系统在实际作业状态下的稳定性和安全性是首要确保的。同时要考虑出现故障或发生不可抗力造成损坏后，如何*大程度上缩小故障影响的范围，降低潜在的重大经济损失或者公共秩序的扰乱。
 
3数据中心供配电系统设计思路
3.1供配电系统需求分析
       进行数据中心的供配电系统设计工作，首先需要分析在数据中心的实际业务过程中对供配电系统的功能需求，在以往的实践经验中可以主要概括为四点：连续、稳定、平衡、分类。连续是指数据中心的IT机柜往往是不间断使用的，需要全天候对数据进行处理，这就要求供电系统不间断供电。供电系统在工作状态中存在暂态电能质量的变化，*上称之为容忍区，在不间断供电的前提下，容忍区对数据中心的设备会带来一定损伤，但是只要在合理范围内，大部分信息设备对容忍区带来的电气损害是有能力承担的，通常供电系统在切换、电压跌落等状态下，控制在20ms以内的容忍区是不会对设备造成过大损害的。
       稳定是指为数据中心供电的电源设备需要保证频率稳定，波形失真控制在较小的范围内。稳态电压偏移值的要求比较严苛，需要控制在±3%之内，这对大部分市电供电系统而言要求过高，因此必须配备额外的UPS系统。平衡是要求在数据中心运行过程中三相电源保持平衡，三相平衡的稳定负载不会对供电设备带来太大的压力。分类是指数据中心中涉及的设备类型十分庞杂，这就需要把IT设备及相关辅助设备按照供配电保障要求进行分级布置，合理归置不同类别的设备，以保证整个供配电系统的在可用性不变的前提下降低成本。
3.2供配电系统布置原则
       在确定数据中心的供配电需求之后，设计人员着手布置供配电系统的过程中，首先要对变配电室、电力电池室等电房位置进行规划。结合机房工艺布局，并充分考虑未来业务发展的各种可能性，坚持贯彻“土建通用化、机电定制化”的原则，变配电室深入负荷中心的同时，供电系统采用模块化设计方案，实现供电路由优，大量节省有色金属的消耗量，减小供电损耗，在节省初期建设投资的同时，大大节省未来长期的运行损耗费用。一般情况下，首先在确定数据中心的IT机房位置后，在其附近布置变配电室和电力电池室。合理科学地规划供配电系统，按需求布置电设备房，从而做到在满足机架数量的情况下，更好的提高实际作业状态下供配电系统运行的稳定性和安全性。
3.2.1变配电所
       一般进行数据中心供配电系统的变配电室布置时，需充分考虑数据中心需配备的变配电房的数量和配电路由的先后顺序，其高压配电相关部分通常设置在首层，供IT负荷使用的变压器及其低压部分、不间断电源配电部分等则通常跨楼层布置。设置变配电所具体位置的同时也要充分考虑数据中心整体建筑的各个功能分区之间的作业需求，合理科学地进行设计规划。在对变配电方案设计时，原则上需要以终局容量作为核算标准来衡量方案的可扩展性，同时还要在物理空间角度节省成本。变配电的一部分工作对象是将交流市电线路与发电机组之间进行切换，这之间需要设置自动切换设备，通常采用带有旁路隔离开关型的ATS开关。通过比对数据中心电气工程设计规范，一般采取建设要求进行施工，在处理抵押配电系统和后端配电系统时，需要按照物理隔离的方式进行设置，这是为了保证电源发生物理碰撞或线路故障时，至少有一个电源被物理方式保护而不受损害。
3.2.2发电机房
       发电机房通常与数据中心的建筑部分独立开来，这是因为发电机组本身需要较大的物理空间进行归置，而且在作业过程中有大量的热量、震动和噪声的发散，会对机房精密设备造成一定影响。另外，发电机房的消防工作也是设计重点，需要保证发电机房内良好的通风条件，避免阳光直射，保持干燥阴凉，从而为发电机组的作业环境提供适合的工作温度。另外要备齐足够的消防救援设施，有条件的可以配置完善的消防检测预警系统。机房在普通情况下采用两路市电线路进行电力供应，如果遇到两路市电发生故障时，则柴油发电机组自动启动，对市电的配电系统供电，从而避免数据中心中断工作，保证其供电的连续性。根据数据中心的电气工程设计规范，不能采取热电联供系统、风力发电系统以及太阳能发电系统作为数据中心的应急电源，因为上述能源类型不能保证持续可靠的电力供应，会随着气候地理等条件的变化而发生变化，另外燃气发电机组因为容易发生燃气泄漏、气压不稳等情况，也不能作为数据中心信息设施的应急电源。
3.2.3UPS电源机房
       UPS电源机房通常相邻于主要设备机房，主机、配电柜以及电池之间保持一定距离。按A级机房等级为例，通常为数据中心机房区IT设备供电，规划由A/B路相互独立的UPS供电系统组成。规划每套UPS系统由N台UPS并机构成，UPS供电系统规划容量由机房区需要容量算出。UPS电源系统的配置需根据机房等级进行规划设计，如A级机房通常采用2N双总线容错系统向数据中心机房供电。UPS电源的设计额定容量不小于总负载容量的125%。根据相关规范要求，A级机房的大功率UPS应有两个电源输入端口，并应设置旁路系统。若三台及以上UPS系统并机运行时，需设置人工维修旁路。在空间位置足够的情况下，UPS后备蓄电池组设置独立的电池室，A/B系统物理隔离，IT设备UPS供电系统蓄电池后备时间（单台满载）按15min设计。
       对数据中心进行严谨分析后，确定了数据中心对于供配电设施连续、稳定、平衡、分类的需求。因此在进行数据中心供配电方案设计工作中，变配电所、发电机房、UPS电源机房应按照上述具体设计细节进行考量。除此之外，由于数据中心的设备种类复杂，用电情况很难准确预估，设计人员还需要考虑非IT设备的工作负荷情况，单独为ECC工位、显示屏幕、消防检测系统、应急照明等设备设置UPS电源供电，同时配备相应的冷冻水散热设施，空调设备等。在进行照明系统设置时，除了正常工作状态下的照明条件，还要考虑突发情况下的应急照明，以及远程照明控制。而为避免雷暴天气对电子设备的损伤，在考虑防雷和接地系统设计时，数据中心的电源系统需要满足《建筑防雷设计规范》和《建筑物电子信息防雷设计规定》的相关规定，数据中心雷电防护等级为A级，而供配电系统采取三级防雷措施，安装防雷防浪涌保护器。数据中心的接地系统设计要考虑保护接地、工作接地和防雷接地等共用一套接地装置。同时在数据中心机房内铺设防静电地板，同时在下部设置接地铜网格。
 
4安科瑞列头柜及监测产品介绍
       随着数据中心的迅猛发展，数据中心能耗问题也越来越突出，高效可靠的数据中心配电系统方案，是提高数据中心电能使用效率，降低设备能耗的有效方式。
       AMC系列数据中心精密配电系统是针对数据机房末端设计的，能够综合采集所有能源数据的智能系统，为交直流电源配电柜提供精确的电参量信息，并可通过通讯将数据上传到动环监控系统，实现对整个数据机房的实时监控和有效管理，为实现绿色IDC提供可靠保证。
4.1精密配电管理解决方案
4.1.1交流系统
1）功能要求：
       遥测：输入分路的三相电压、三相电流、有功功率、有功电度；输出分路的单相电压、单相电流、有功功率、有功电度；
       遥信：输入分路的过压/欠压，缺相,过流，输入分路和输出分路的开关状态,具备电流、功率需用量分析和统计，实现电压、电流、功率等参数的越限报警功能。
2）配置方案-示意图

配置方案
       多功能仪表PZ72L-E4
       电流互感器AKH-0.66-30I-XXA/5A
4.1.2直流系统
1)功能要求
       遥测：输入分路的电压、电流、功率、电度；
       遥信：输入分路的过压/欠压，输入分路的熔丝状态,具备电流、功率需用量分析和统计，实现电压、电流、功率等参数的越限功能。
2)配置方案-示意图

配置方案
       多功能仪表PZ72L-DE
       霍尔传感器AHKC-F-XXA/5V开关电源SBD-30（48V）
 
4.2产品规格



说明：■为标配功能。
 
4.3配套附件



5安科瑞母线槽监测产品介绍
5.1概述
       数据中心小母线系统是数据中心末端母线供配电系统的俗称。近年来，随着数据中心建设的快速发展和更高需求，智能小母线系统逐渐被应用于机房的末端配电中，具有电流小、插接方便、智能化程度高等特点，即插式插接箱给各个机柜内的PDU分配电。始端箱和插接箱内可设置监测模块，将数据上传至动环监控中心。
5.2AMB智能小母线管理系统
1）交流系统功能：
       遥测：三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电能、无功电能、电缆温度，系统频率、零序电流、零地电压、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电压/电流谐波含量、电流/功率；
       遥信：过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、过频率、欠频率越限、零地电压、零线电流、温/湿度告警，开关状态、开关跳闸；
2）直流系统功能：
       遥测：电压、电流、功率、电能、电缆温度、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电流/功率；
       遥信：过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、温/湿度告警，开关状态、开关跳闸；
 
5.3产品介绍



说明：■为标配功能。
 
6结语
       综上所述，大型数据中心根据相关规范被划分为三个等级，这要求设计人员需要充分考虑数据中心实际的供配电需求进行设计工作。在互联网发展迅速的当下，对数据中心供配电系统设计的研究可以有效提高供配电系统供电的效率和质量，在满足人们日常生活工作中对网络的需求的同时，也能很大程度地提升用电质量，这无疑是促进社会生产力进步和发展的一个途径。在对大型数据中心供配电系统设计和建设过程中，要时刻遵守相关设计原则，做好供配电系统布置工作，从而以*高效能地保证大型数据中心供配电系统建设方案的合理性和可行性。
 
 
参考文献
[1]王光荣.数据中心供配电系统的节能设计[J].电子技术与软件工程，
2019（02）：164.
[2]熊峰.电力供配电系统自动化控制发展趋势[J].中国新技术新产品，
2018（20）：14-15.
[3]安科瑞数据中心IDC配电监控解决方案.2020.03版.
[4]安科瑞企业微电网设计应用手册.2020.06版.
 
作者简介：
陈芳芳，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事数据中心智能小母线监控的研发及应用。