机房电源系统探析

文｜浙江大华技术股份有限公司 李春晟

机房电源系统由供、配电两个子系统组成，它提供了机房运行的能源，十分重要。

1 概述

机房用电属于一级负荷，要有确切的保障措施，若发生断电事故，会造成重大的经济损失或数据丢失，因此一个完善的机房供配电系统是保证计算机设备、场地设备和辅助用电设备可靠运行的基本条件。高品质的机房供电系统体现在：无断电故障、高容错；在不影响负载运行的情况下可进行在线维护；有防雷、防火、防水等功能。机房供电设计包括负荷等级和额定容量的确定、电源的可靠性设计、防雷和接地技术措施等。

2 遵循的技术规范

2.1 机房分类

技术规范对机房在不同系统和范围的供配电需求做出了明确的要求，例如：依据《电子计算机场地通用规范》、《低压配电设计规范》的规定，数据中心机房供电系统根据计算机的性能、用途和运行方式（联网与否）等情况，划分为A、B、C三级，如表1所示。

表1 数据中心机房供电系统

在数据中心系统工程中，较为重要又有一定规模的机房，一般都按A级方案设计。

2.2 负荷等级和额定容量

依据计算机的用途和性质以及负荷分级的规定，采取相应的供电技术。对于一级负荷采用一类供电，重要机房供电属于一级负荷，按一级负荷的供电要求，必须保证两个以上独立的电源点供电，采用两条专用干线引进，两路独立电源在末端互投，建立连续供电系统，而且要保证供电的质量；对于二级负荷采用二类供电，建立带有备用的供电系统；对于三级负荷采用三类供电，按一般用户供电考虑。

机房用电系统要求提供的电源额定容量一般以两种方式给出：

（1）确定机房用电系统的总功率大小或机房用电系统的总电流。这是选取电力设备、总断路器、供电电缆、机房的总发热量以及精密空调都是必需考虑的问题。通常供电总功率应留有不少于25%的余量。

（2）确定各机柜、分机、设备等所要求的工作电流。这对设计计算机房的配电柜、选取合适的传输导线和分路开关也是必需的。针对电气设备额定电流，在整定总断路器和分路开关时要注意电气设备的启动电流值。在进行方案设计时，有些经验数据可供估算时参考，如：

◆ UPS功率：主机房可按350～400W/m2计算；照明用电可按15～20W/m2计算；

◆ 空调机电功率要根据机房制冷量考虑，主机房制冷量按400W/m2计算，辅助机房制冷量按300W/m2计算，然后再根据电气设备不同的效率和换算系数，确定空调系统用电负荷量。

2.3 电源的可靠性

我国的低压供电系统采用的是三相四线制，相电压为220V，线电压为380V。计算机系统一般要求三相五线制，即三根相线、一根零线、一根地线，地线单独接地，不与零线共地。在同一个数据中心供电系统中，送给各部分负荷的电压可以有220V和380V。

重要数据中心机房的供电，应采用双路电源末端自投，其配电柜（箱）需敷设专用线路。机房的双电源末端自投电源质量应按照A级标准进行设计和施工，即采用三相五线制和单相三线制，在稳态下，应达到电压为 380V（1±2%）、频率为（50Hz±0.2Hz）、波形失真不大于5%、瞬时断电时间小于4ms，并且根据用电设备对供电的要求来增加UPS不间断电源。

消防泵房、排烟设备机房、应急照明配电箱、专用空调等也应按双电源末端自投设计，其供电容量、配电柜（箱）的总开关载流量，除满足现有用电之外，应留有一定余量，各柜（箱）也应留出一定数量的备用出线回路。火灾自动报警系统除主电源外，还应配备直流备用电源。火灾自动报警系统的主电源开关，不应采用漏电保护。

安防系统的前端摄像机由安防专线集中供电。距离太远的亦可就近供电，但电源的通/断控制需由安防管理中心操作。当电压波动超出+5%～-10%时，设稳压电源装置，其标称功率不得小于系统使用功率的1.5倍。

2.4 防雷和接地

当系统采用联合接地时，接地极的接地电阻R≤1Ω；当采用单独接地时，R≤4Ω。在总配电室要做总等电位连接，各楼层的设备机房、楼层弱电间、楼层配电间的接地，采用局部等电位联接。贯穿弱电竖井的接地干线，应当是镀锌扁钢，截面尺寸不小于40mm×4mm，如果竖井内放置有源HUB（集线器）机柜，则弱电竖井的尺寸应适当加大，并配AC（220V，50Hz）电源。

机房的重要设备和配电柜（箱），必须按《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2000）第6.4的规定设计防雷击电磁脉冲的措施，并安装SPD电涌保护器、做好等电位连接。

3 机房供电系统

机房的重要性确定了安全、可靠是供配电系统设计的出发点。由于机房的供配电系统、照明、设备防雷、机房接地、UPS不间断电源等与一般的强电设计有所不同，又与弱电专业的十几个子系统密切相关。因此，它们处于强、弱电专业设计分工的接合部，有两种专业技术规范在这些界面上。目前有些规定还不十分明确，带来的问题是：机房各子系统的设计深度差距较大；几个主要弱电机房预留的位置不合适，面积过大或偏小；弱电竖井中遗漏接地干线和电源插座；UPS电源容量、支持时间长短不一；UPS电源供电方式是采用集中式还是分散式不能确定；各子系统的供电和接地方式不规范等。一部分设计文件中，还经常发现有文字说明描述不清楚、系统图和平面图五花八门、图形符号不按现行制图标准绘制等问题。工程建设，设计先行，要克服上述问题，设计者除了遵守规范以外，还要熟悉机房供电的特点。

3.1 机房常用的供电方式

（1）直接供电。将变电所送来的工频交流电直接送给计算机设备配电柜，然后再分配给计算机设备。直接供电方式具有设备少、投资运行费用低、供电简单、维修方便等优点。缺点是对电网质量要求高，容易受电网及负载变化的影响。一般来说，大中城市的供电系统可以满足主机及外围设备对电网质量的要求，但设计时要注意避免机房附近有较大负载的启动、电磁干扰等情况。

（2）不间断电源（UPS）供电。由于采用脉宽调频技术、高效功率器件的成熟、微处理器的发展等因素，不间断电源已经成为计算机房供电的主要手段。不间断电源最大的特点在于不间断性，而且能最大限度地提供稳定电压，隔离外电网的干扰。外电网一旦停电，UPS能在设备所允许的极短时间内（微秒至毫秒级）自动将备用能源经逆变器变换成电压、频率和相位都与原供电电源相同的电能继续向计算机供电。或者平时由逆变器供电，只在逆变器发生故障时，由静态电子开关自动将计算机瞬时切换到外电网供电或切换到另一台与之并联的UPS上，实现不间断供电。UPS提供的电源具有较高的电压和频率稳定性，波形失真也较小，干扰更优于外电网，是数据中心计算机系统最理想的供电方式。几乎所有的重要计算机设备都采用UPS供电。

（3）隔离供电。在交流进线后面加一个隔离变压器，然后再送给计算机。隔离变压器的一次侧和二次侧之间均加屏蔽层，并各引出一个抽头与一次侧、二次侧的零线连接，再经耦合电容接地，对电网瞬变干扰有隔离和衰减的作用。

（4）交流稳压器供电。

（5）发电机组供电。

3.2 动力供配电系统

由总配电柜馈出的动力供配电系统采用50Hz交流电，380V/220V三相五线电源，TN-S接地方式，零线和地线分开设置，且零地线之间电压小于1V。动力配电柜、照明配电箱采用放射式配电直接配至各用电设备。

机房内所有线缆须设计钢制桥架、线槽或钢管敷设。由于精密空调的供电电流大、负载动态范围宽，为防止干扰，应考虑另选路径单独敷设电缆。

动力配电柜（箱）具有火警联动保护功能，出现火警时可与消防系统联动，及时切断电源，关闭防烟防火阀，并且在值班室安装手动电源切断装置。动力柜、照明箱内的开关和主要元器件采用进口产品，并设置有效的防雷措施。

3.3 UPS供配电系统

UPS供配电系统的供电范围是计算机设备（主机和附属设备）、通信设备、网络设备、保安监控设备、消防系统、应急照明等。UPS输出配电回路（每个配电控制开关为一个回路）需按机房内设备要求设置，小型机/服务器、网络核心交换机及重要路由器要由独立双回路供电，其他计算机设备可用一个回路带3～4个插座，固定于地板下。

配电回路要预留若干个插座待以后扩展使用，安全插座型号、数量及位置可根据最终机房内设备数量来考虑。UPS主机的电源应设计单独回路馈送，不得与空调使用同一回路。

4 电源布置和系统设计

设计和施工必须充分了解并掌握供电对象。充分了解机房设备和系统的资料才能做好电源布置和系统设计，从而合理地满足机房用电需要。

机房应设单独电源管理间，用符合防火要求的隔墙与弱电设备隔离，避免电源管理间噪声、蓄电池酸碱液渗漏和电气火灾等事故传播到计算机设备机房内。在计算机设备机房与电源管理间，设单扇朝电源管理间方向开启的连通门，还可考虑设置玻璃观察视窗。电源管理间应做水泥地面，起到防潮、防湿的作用，可砌高0.3～0.5m的水泥平台搁置配电柜和UPS电源等。

机房配电还应考虑系统的扩展、升级等可能性，并应预留备用容量。单相负荷应均匀地分配在三相线路上，并使三相负荷不平衡度小于20%。

5 配电设备的安装和线路敷设

在机房设备布局确定的前提下，按照电气设备用途和设计图纸进行设备安装和线路敷设。

（1）设备安装。机房配电柜、UPS电源柜落地安装；照明配电箱底边距地1.4m墙上暗装；根据机房内设备负荷容量和分布情况，机柜（箱）内元器件配置做到排列有序、安装牢固、理线整齐、接线正确、标志明显、外观良好、内外清洁。电源柜及其他电气装置的底座应与建筑物地面牢靠固定。电气接线盒内无残留物，盖板整齐、严密、紧贴墙面，同类电气设备安装高度应一致。吊顶内电气装置应安装在便于维修处。特种电源配电装置应有明显标志，并注明频率、电压。暗装照明箱或开关面板宜安装在机房出入口附近墙面的方便位置。分体空调插座设置在机房内墙面上距地1.8m处。

（2）线路敷设。供电距离尽量短，主要是从供电安全考虑，电子计算机电源间应靠近主机房设备。主机房内活动地板下部的低压配电线路应采用铜芯屏蔽导线或铜芯屏蔽电缆。机房内的电源线、信号线和通信线应分别铺设，排列整齐，捆扎固定，长度留有余量。UPS电源配电箱（柜）引出的配电线路，穿薄皮钢管或阻燃PVC管，沿机房活动地板下敷设至各排设备桌、机柜和配线架的背面，经带穿线孔的活动地板引上，穿管保护进入金属导轨式插座线槽、机柜或配线架。控制台或设备桌后的敷线，用金属导轨式插座线槽并用螺栓固定，安装在设备桌背面距活动地板0.1～0.3m处。

1 张成泉等.机房工程.中国电力出版社.2008年12月

2 林小村主编.《数据中心建设与运行管理》.科学出版社.2010年4月