数据机房供配电问题的探讨

任俊达

REN Jun-da

（北京市建筑设计研究院有限公司）

(Beijing Institute of Architectural Design)

数据机房供配电问题的探讨

任俊达

REN Jun-da

（北京市建筑设计研究院有限公司）

(Beijing Institute of Architectural Design)

数据机房的供配电，既需要非常熟悉智能化数据机房功能需求，也需要供配电的知识，更需要对UPS有深入的掌握。结合相关的设计规范和实际情况，论文详细论述了数据机房电气参数的选定和UPS的容量选择。

数据机房；数据中心；供配电；UPS容量

1 引言

很多设计师在建筑智能化设计中没有对数据机房进行到位的深化设计。由于现场施工的需要，逐渐的对设计单位提出了更高的要求。但设计单位的电气工程师，往往是强电、弱电有分工，做机房设计的弱电设计人员不太懂供配电设计，强电的设计人员不太懂机房供电的需求和供电参数的选定。笔者结合实际的强电、弱电设计经验，和大家分享下关于数据机房供配电的若干思考。

2 数据机房的供配电需求

数据机房需要供电的设备主要分为3类：网络设备、空调设备和其他供电设备。

网络设备的供电：为保障数据机房供电的安全性和可靠性，网络总机房的网络设备按该项目的最高等级供电（一级负荷或二级负荷），并且单独配备UPS加强电源保障。接入层和汇聚层的网络机房，不需要UPS加强电源保障。

空调系统仅按该项目最高等级供电，为减少UPS的负载，空调不接入UPS。

其他供电设备，包括机房照明、应急照明、门禁等供电回路。

3 数据机房供配电容易出现的问题

3.1 设备容量的估算

此问题相对简单一些，一般按照网络机柜3kW估算，服务器机柜4kW估算即可。

3.2 UPS容量估算

《电子信息系统机房设计规范》（GB50174—2008）（以下简 称：规范GB50174）对UPS容量的规定：

UPS的基本容量可按式（1）计算：

式中， E为UPS系统的基本容量，kW/（kV·A）；P为电子信息设备的计算负荷，kW/（kV·A）。式（1）规定了UPS基本容量和设备计算负荷的关系，但如果仔细考虑，还有以下两方面的问题：

1）kW（功率）和kV·A（容量）是什么关系？

2）式中的计算负荷是不是设备的额定功率？

带着以上两个问题，我们来看图集《UPS与EPS电源装置的设计与安装》（15D202-3）（以下简称：图集15D202）对UPS容量的规定：

“UPS电源装置的容量选择应满足负载总容量，还应考虑可靠系数及功率因数。

S＞K×P/ cosφ

式中，S——UPS的容量，kV·A;

P——UPS所带的全部负荷之和，kW;

cosφ——负载的输入功率因数；

K——UPS带 载 率， 一 般 为60%～80%时，为最佳工作状态，因此K一般取1.2～1.6左右。”

显然，图集15D202比规范GB50174更细化一了些：

1）考虑了功率因数cosφ；

2）区分了kW和kV·A。

但图集15D202和规范GB50174还有一个容易被忽略的区别：规范GB50174的公式是“计算负荷”，图集15D202的公式是“全部负荷”。这是一个弱电设计师很难注意到的问题，但熟悉强电设计的人一眼就能看出问题：忽略了需要系数Kd！这也是本文想重点论述的。

在笔者经历的工程项目中，按规范和图集的要求配备的UPS，实测UPS输出的负载率仅为34.2%，UPS的负载率一般为60%～80%为最佳工作状态。为什么会出现这样的问题？经笔者和知名UPS厂家询问，向某设计院电气总工程师请教，确定了问题所在：忽略了需要系数Kd！

需要系数：也包含了同时系数，多台设备运行时，未必都是满载运行，多台用电设备的效率要小于1，且供电线路有损耗，这几种情况构成需用系数Kd。

首先，查阅《工业与民用配电设计手册》中可以参考的数据，“电子计算机主机的需要系数的取值为0.60～0.70，功率因数0.80”，这也是上述问题的原因所在，如果我们按规范GB50174或图集15D202中的公式，算出来的UPS容量是没有考虑需要系数的，设备在实际运行当中，必然存在着需要系数的问题。也就是说：设备不会100%的按额定功率运行，这也是在工程实例当中，UPS输出的负载率仅为34.2%的实际原因。

3.3 UPS电池计算和荷载

UPS电池容量计算，可参照图集15D202的方法计算，在此不再赘述。

UPS电池室的面积估算是设计人员必须要考虑的，根据UPS电池的计算数据，结合图集15D202给出了电池架的参考尺寸，估算电池室的占地面积。

GB50174附录A的技术要求：电池室活荷载为16kN/m2，是按双列4层摆放。如因结构条件制约，可将电池架铺开，以减小结构荷载。

3.4 合理选用的断路器，实际运行跳闸

这应该是困扰过很多施工人员的问题，合理选用了断路器，实际运行却意外跳闸，这问题的原因是UPS在交变-逆变的过程产生的谐波，导致的零序跳闸。解决此问题，可用谐波保护器予以解决。

另外，为方便检修，须考虑UPS和ATS开关的旁路。

4 相关问题的解决思路

通过以上陈述，比较突出的问题是计算UPS容量。

套用电力计算的基本公式，问题主要体现在了需要系数Kd的取值和功率因数cosφ的取值。

4.1 需要系数Kd的确定

根据网络设备功耗组成CPU、内存、主板、存储设备、风扇等部件的物理特性，当CPU高功率运行时，计算机的功耗主要来自CPU和内存，此时功耗较大；当CPU处于空载或低使用率的时候，计算机的功耗主要来风扇等辅助设备，此时功耗较小。计算机的实际使用功耗取决于CPU的使用率。

网络设备厂商在设计计算机电源时，从电源可靠性考虑，均增加了30%以上的余量，也就是说，即使当计算机满负荷运行时，其实际功耗也只有电源铭牌功率的70%左右。

根据实测经验数值，计算机设备的实际运行功耗一般在电源铭牌功率的35%～65%。以上数据是确定负荷计算中的需用系数Kd的依据。根据不同行业的用户或不同类型的应用对计算机系统的使用要求，Kd的取值略有不同，一般典型的Kd取值为0.6，适用于IDC运营机房、政府机关、金融行业以及各类数据机房。对于集群应用的用户Kd取值为0.6～0.7。对于大量采用刀片式服务器的集群应用系统，其Kd取值按照0.7计取。支撑特殊日期数据高峰访问量的数据中心，需要系数按1.0计取。

4.2 功率因数cosφ的确定

根据最近几年对用户机房内计算机设备功率因数的实际测量，平均值大约在0.8～0.9。考虑到不同地区电网的电能质量，建议按0.8计取。

4.3 UPS容量计算

普通标准机柜每台柜子额定容量按3kW计算，服务器机柜额定容量按4kW计算。

机房UPS全部负载之和Pe=4kW×机柜台数

机房设备计算容量Pjs=Pe×Kd

设备所需UPS容量P=Pjs/cosφ

机房UPS基本容量E≥K×P(K一般取 1.2～1.6)

推导出 ：E≥K×Pe×Kd/ cosφ

式中，E为UPS的容量，kV·A；Pe为UPS所带的全部负荷之和（额定容量，kW）；Kd为需要系数，一般取 0.6～0.7；cosφ为负载的输入功率因数；K为UPS带载率，一般取1.2～1.6。

4.4 UPS容量计算举例

例如：机房内有服务器机柜40台，每台服务器机柜按4kW，Kd取值为0.6，cosφ取值为0.8，K取 1.2。

Pe=4kW×40台=160kW

Pjs=Pe×Kd=160kW×0.6=96kW

P=Pjs/cosφ=96kW/0.8=120kV ·A

E≥1.2P=1.2×120kV·A=144kV·A

根据厂家UPS选型表，选定150kV·A 的 UPS（见表 1）。

5 结束语

综上所述，数据机房的供配电，需要考虑很多方面，电气参数的选择是关键。设计人员需根据使用类别，合理的选定网络机房或数据中心的需要系统和功率因数。通过以上论述，UPS容量（kV•A）按照设备额定容量（kW）的0.9～1.2倍选定比较合理。

表1 常用厂家UPS选型

[1] （GB50174—2008）电子信息系统机房设计规范[S].

[2] （GB50462—2008）电子信息系统机房施工与验收规范 [S].

[3] （15D202—3）UPS与EPS电源装置的设计与安装[S].

[4] 刘屏周，任元会.工业与民用配电设计手册（第四版）[K].北京：中国电力出版社，2017.

Discussion on Power Supply of Computer Room Engineering

Power supply for data room, both need to be very familiar with the requirements of the data room, but also need the knowledge of power supply, and also need to have an in-depth grasp of UPS. Combined with the design specif i cations and the actual situation, this paper discusses in detail the selection of electrical parameters and the selection of UPS capacity.

data room; data center; power supply; UPS capacity