数据中心机房供电配电及能效管理系统设计

 崔庭宇

江苏安科瑞电器制造有限公司  江苏江阴

摘要：现代的数据中心中都包括大量的计算机，对于这种场所的电力供应，都要求供电系统需要在所有的时间都有效，这就不同于一般建筑的供配电系统，它是一个交叉的系统，涉及到市电供电、防雷接地、防静电、UPS不间断供电、柴油发电机等，每个系统互相交叉，互有影响，这就使我们在设计时需要考虑多方面的因素。本文从数据中心的高压供电系统到末端精密配电系统介绍数据中心供配电及能效管理系统的设计。

一、系统概述

现代的数据中心机房中都包括大量的计算机，对于这种场所的电力供应，都要求供电系统需要在所有的时间都有效，扩容容易，维护简便，容错力强，主要的是性价比高。数据中心机房是现代信息化建设的基础工程，为各个业务提供稳定、安全的工作环境，而机房的供配电系统就是这基础工程的心脏和大动脉，供配电系统的稳定，能够保障其它系统发挥作用和核心业务正常运行。系统不同于一般建筑的供配电系统，它是一个交叉的系统，涉及到市电供电、防雷接地、防静电、UPS不间断供电、柴油发电机等，各个系统互相交叉，互有影响，这就使我们在设计时需要考虑多方面的因素。

二、设计标准

数据中心有专门的设计标准，综合性的数据中心电信基础标TIA-942《数据中心电信基础设施标准》，是2005年4月由美国电信产业协会(TIA)、TIA技术工程委员会(TR42)和美国国家标准学会(ANSI)批准的。国内的相关规范和标准也是综合国外标准以及国内数据中心建设发展情况做出的，数据中心设计规范GB50174—2008《电子信息系统机房设计规范》也于2008年l1月12日发布，2009年6月1日开始实施。

设计一个数据中心首先需要根据用户重要性和业主对数据中心可靠性、安全性等的具体需求，确定机房等级．再按照相应等级确定适合的供配电系统。国内的数据中心首先需要满足国内规范的要求。GB 50174—2008中关于数据中心的分级规定如下：电子信息系统机房应划分为A、B、C三级。设计时应根据机房的使用性质、管理要求及其在经济和社会中的重要性质确定所属级别。

三、设计原则

数据中心供配电系统设计应执行或参照执行国家和行业相关标准、规范，并可参考国外相关标准、规范，结合考虑数据中心用电负荷密度高、供电可靠性要求高等特性采取适当的技术措施。同时，应满足项目建设单位的企业标准、规范的要求。

数据中心供配电系统设计应遵循分区、分级的原则，同一功能区域内的各类设备的供电可靠性，应能保证所有设备能够按照该区域标准的要求运行，并将供配电系统局部故障的影响面控制在尽可能小的范围。

数据中心用电负荷密度高、总量大，其供配电系统设计中应充分运用成熟有效的节能措施，降低供配电系统的损耗。

四、数据中心机房供配电系统需求分析

随着信息技术的迅速发展和互联网的普及，社会各界对信息系统的应用越来越广泛，信息和数据量呈几何级增长，由此对数据中心的需求日益增加，对数据中心的要求也不断提高，信息设备功能越来越强，功率密度越来越高。数据中心设备机柜用电负荷由以前的2kVA/台，提高到3kVA/台、4kVA/台，甚至更高。机房单位面积的平均用电负荷也由1kVA每平方，提高到1.5kVA每平方、2kVA每平方，甚至更高。

数据中心用电负荷的统计应分为两个层次，即：UPS供电系统负荷(输出)和市电供电系统负荷。市电供电系统负荷(输出)的统计主要包括：UPS供电系统(输入)、机房精密空调系统、机房照明及建筑电气设备等。UPS供电系统负荷(输入)＝供电负荷+充电负荷。机房精密空调系统负荷＝N台主用空调机组额定负荷容量×负荷率。UPS供电系统负荷(输出)的统计主要包括：计算机设备、服务器、存储、网络设备、小型机等，在负荷设备明确时，按设备数据统计，具体负荷设备不明确时，按设备机柜平均负荷统计。设备机柜数量也不明确时，可按机房面积平均负荷估计。

在发热量较大的情况下，如果柴油发电机未能及时启动而导致精密空调失电停止工作超过3分钟，机柜内服务器温度将会急剧升高而宕机，因此在可靠性要求比较高的情况下精密空调也可由UPS提供不间断电源，在柴油发电机启动前利用剩余冷冻水继续保持机柜气流循环散热，直到发电机全部启动。

五、数据中心机房供配电系统设计

5.1 供配电系统的布置 

数据中心机房供配电系统主要设备有：UPS、电池、配电柜和柴油发电机等。这些设备单位占地面积、重量大，对于这些设备的摆放位置既要考虑功能上的需求，又要考虑空间和承重的需要，还要考虑对外界的危害。

数据中心机房供电系统应有独立的配电间、变配电所，UPS 电源机房应靠近设备机房(负荷中心)布置，这样能保证从UPS输出到用电设备之间的压降和损耗尽可能的小。UPS 电源主机、配电柜与蓄电池组是否需要分隔，按照数据中心等级的要求决定，另外还需要考虑到UPS属于大型设备，重量比较大，噪声大，需要摆放在一个承重比较好，并且不影响办公和休息环境的地方。配电柜位置的选择，主要考虑功能上的需求，配电柜应在满足功能分区的基础上，尽可能靠近供电负载。发电机房宜设置在地面一层，当发电机房设置于地下层时，应特别注意进、出风通道能否满足要求，应注意发电机组储油装置（日用油箱、储油罐）的消防要求。

变配电所、发电机房、UPS电源机房均应留有足够的面积，可与设备机房同步发展，应对设备机房面积扩展或设备机房功率密度上升引起的供电需求。于非专门设计用于数据中心的建筑，应注意其是否满足设备安装和线路敷设的要求，包括楼面荷载、净高、抗震等级、耐火等级等方面。

下图为典型数据中心的供配电系统示意图，采用双路110kV进线，配置10kV柴油发电机作为自备应急电源，UPS采用冗余供电方式，末端精密配电柜和精密空调均采用UPS供电，提高数据中心运行稳定性，见图1。