中小型数据中心电力系统设计的几点探讨

2015-08-27陶向东

机电信息 2015年33期

凌越陶向东

（无锡城市职业技术学院，江苏无锡214153）

0 引言

随着云计算、大数据技术的大量应用以及政策层面对“双创四众”的大力支持，数据中心由传统的业务支撑系统逐渐转变成核心战略部门，由此对数据中心的要求也不断提高，设备性能不断增强，功率密度也越来越高。为保障IT核心设备连续可靠运行，节约能源并提高能源利用率，数据中心的电气系统设计有其独特要求。

1 中小型数据中心对电力系统的要求

目前，数据中心呈现出IT设施云化、绿色环保节能、高密度和高容量、负载动态适应、可扩展、可视和高度自动化等特点。一方面，信息技术的迅猛发展，对数据中心的设计方案、建设模式、技术措施等提出了全新挑战；另一方面，在实际工作中，一些中小型数据中心的电力系统由不具备相应设计资质的弱电施工企业、IT设备供应商进行设计，埋下了隐患。

数据中心的设计应根据用户对供电可靠性以及安全和节能的要求，确定机房等级，再按相应等级确定适合的供配电系统。由于数据中心的特点，要求电力系统的设计更加稳定可靠、绿色节能、柔性可扩展。

2 中小型数据中心电力系统设计的参照标准

数据中心机房的电力系统设计的主要设计标准有：《供配电系统设计规范》（GB50052—2009）、《电子信息系统机房设计规范》（GB50174—2008）、《中国电信IDC机房设计规范（暂行）》（DXJS1029—2011）、《数据中心电信基础设施标准》（ANSI／TIA－942），以及综合布线、照明、防火、火灾自动报警等相应规范。

《供配电系统设计规范》（GB50052—2009）中对负荷分级及供电的要求为：一级负荷应由双重电源供电，当一电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏。二级负荷的供电系统，宜由两回线路供电。

《电子信息系统机房设计规范》（GB50174—2008）中，将电子信息系统机房划分为A、B、C三级。在《民用建筑电气设计规范》（JGJ16—2008）中，数据中心通常为一级负荷，比如民用建筑中大型金融中心的关键电子计算机系统，属于一级负荷中特别重要负荷；对于机械工厂等场所的计算中心，最低为二级负荷。

当数据中心需要按照国际标准设计时，则要同时满足《数据中心的电信基础设施标准》（ANSI／TIA－942）的要求。

在数据中心建筑群体节能体系方面，最具代表性的是我国《绿色建筑评价标准》（GB／T50378—2006）以及美国LEEDTM绿色建筑认证体系；在数据中心设备设施能源效率方面，最具代表性的是绿色网格组织的PUE值评估。PUE（Power Usage Effectiveness）是数据中心总能耗与IT设备能耗之比，是迄今为止使用最广泛的数据中心效率指标。根据现有统计，国内已建成的数据中心PUE一般在2.1～2.4之间，有的甚至达到3；而国际上的一些绿色数据中心则可降到1.6～1.8。

数据中心用电负荷密度高、总量大，其供配电系统设计应充分运用成熟有效的节能措施，降低系统损耗。同一个机房内的不同部分可以根据实际情况，按不同的标准进行设计。

3 中小型数据中心设计实例

IT设备具有高频升级换代的特性，每2～3年就会出现新的技术和设备，数据中心升级改造频率较高。模块化设计的可扩展性优良，可延长数据中心生命周期，是中小型数据中心建设的优选方案之一。对于新建数据中心，负载率一般不满50%，模块化设计可提高电源效率，降低PUE，达到节能的目的。下面以某单位数据中心机房设计为例进行分析，其采用了全模块化设计。

3.1 供配电

该机房采用10kV双母线分段供电，变电所位于数据中心所在建筑地下室，用两台干式变压器实现10／0.4kV变压。对于0.4kV侧的配电系统，国家建筑标准设计图集09DX009《电子信息系统机房工程设计与安装》中有相应说明。各数据中心机房内的动力设备与电子信息设备的不间断电源系统应由不同回路配电。低压配电系统不应采用TN－C系统。

机房设计为B级（Tier3），两台干式变压器各进一路入模块化机房配电单元，单路用电负荷为400kVA，UPS采用2 N冗余（也可用N＋1冗余），提供两条完全独立的供电线路，每条都可以独立支持负载，每个机架上采用双PDU供电。精密配电单元不仅可以实现传统的防浪涌、过压、欠压和过流保护等，还可以实现电压、电流、功率因数等多项实时在线监测。末端配电系统示意图如图1所示。

图1 末端配电示意图

3.2 负荷计算

数据中心的负荷计算应分为两个层级，不间断电源系统（UPS）负荷和变配电系统负荷。对于UPS供电而言，UPS应有自动和手动旁路装置，确定UPS的基本容量时应留有余量，不间断电源系统的基本容量计算方法如下：

3.2.1 利用系数法

UPS的基本容量（不包含备份不间断电源系统设备）E≥1.2Pc，E的单位是kW／kVA。电子信息设备的计算负荷：

式中，Km为最大系数；∑Pav为设备平均负荷的有功功率之和；Kl为利用系数，按0.75～0.85估算；Pε为设备功率（kW）。

如果以机架负荷进行计算，根据《中国电信IDC机房设计规范（暂行）》（DXJS1029—2011），中低功率密度机架的单机架功率≤3.2kW，高功率密度机架的单机架功率介于3.2～7kW，超高密度机架的单机架功率大于7kW。

3.2.2 单位面积指标法

有功功率：

式中，ps为单位面积功率（W／m2）；S 为面积（m2）。

根据《数据中心电信基础设施标准》（ANSI／TIA－942），机房电源密度可以按照0.38～2.7kW／m2估算。

具体负荷设备明确时，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。

3.3 照明

根据《建筑照明设计标准》（GB50034—2013），数据中心机房0.75m水平面照度标准值为500lx，统一眩光值（UGR）为19，照度均匀度大于0.7，显色指数为80。在选用照明光源时，应选用负荷节能评价值较高的高效率光源。在高小于4m的机房，使用直管型荧光灯时，应选用细管径的T8或T5直管型或紧凑型荧光灯。选用细管径的荧光灯比粗管径荧光灯节电约10%，选用中间色温4 000K直管型荧光灯比6 200K的高色温直管型荧光灯节电12%。目前5W的LED光效达40lm／W，在条件适合的场所，应扩大LED照明的使用。灯具所配带的格栅、棱镜、乳白玻璃罩等附件会引起光输出的下降，不利于节能，应选用开敞式灯具。B级以上机房一般不设外窗，从安全角度出发，疏散通道的照度不应低于5lx。

3.4 防雷与接地

在进行数据中心防雷和接地设计时，除符合《电子信息系统机房设计规范》（GB50174—2008）外，还应符合现行国标《建筑物防雷设计规范》（GB50057—2010）和《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343—2012）的有关规定。

IT设备一般有两个接地：一个是保护接地，另一个是信号接地。按IEC标准规定，它们共用一个接地装置。接地方式可采用星型、网型、混合型等电位连接方式，为同时满足高频和低频信号接地的要求，每台电子信息设备应有两根不同长度的连接导体与等电位连接网格连接。等电位连接网格的尺寸取决于IT设备的摆放密度，本文数据中心机房网格尺寸为600mm×600mm。

3.5 智能管理

智能管理是用于解决数据中心管理日益复杂化问题的技术方案，简化了管理，降低了运维成本，提高了人员工作效率，是降低数据中心能耗的关键技术。

本文MDC的基础设施管理（DCIM）涵盖KVM、环境监测、电源管理、安全监控等，不仅可以基于 Web进行互联网远程监控，还能通过SMS系统发送预定义的短信通知。其中，UPS远程监控示意图如图2所示。

图2 远程UPS监控图

4 中小型数据中心电力系统设计的几点探讨

数据中心的电气系统与普通民用建筑设计有较大的不同，设计时不应局限于以往的常规系统的设计经验，而需收集大量相关资料，结合现场情况进行具体分析，在本文的MDC电气系统设计中，有以下三个观点可供探讨：

4.1 模块化架构可提高可靠性和灵活性

MDC的益处主要是按需建设、分期投资；按需分配、快速部署，MDC的优越性有：节约能效、安全可靠；设计复用、变更灵活；预制生产、缩短周期；规范实施、降低风险；标准管理、规范有序。这些特性在确保当前IT设备充分使用的同时，兼顾了未来的数据中心扩容，并极大地降低了设计和施工成本，是中小型数据中心电力系统设计的有效解决方案。在实施模块化设计时，可采用工业封闭母线取代电缆桥架，提升机房内配电系统的弹性。

4.2 模块化UPS和高压直流（HVDC）可提高电源效率

大部分IT设备电源模块采用过补偿设计，功率因数均在0.99～1之间，实际运行达到0.95及以上，要想提升负载率，电源功率因数必须与其匹配。工频UPS功率因数为0.8，模块热插拔的模块化UPS、HVDC都是高频产品，功率因数在0.95以上。UPS对于50%以下的负载率无法提高效率。同时，由于UPS的单机可靠性较低，通常在数据中心配置N＋1、2 N、2×（N＋1）方案，成本高，系统较复杂。

电信行业IDC机房已推广HVDC多年，在节能、投资成本、可靠性及运维便捷性等方面较传统的UPS都有明显优势。HVDC的优点有：电池直挂在输出母线上，不仅提供备份，也可滤除供电支路谐波，提高供电质量；兼容现有IT设备的高频开关电源，用电设备几乎不用做任何更改；模块化设计，拓扑简单，运维方便。但当前HVDC采用IT供电架构，需考虑GB50174—2008的TN－S供电架构要求。