数据中心机房配电系统的分析

武 翔

（贵州省体育彩票管理中心，贵州 贵阳 550002）

0 引 言

数据中心是服务器机房、网络数据交互设备、服务器机房辅助电子设备以及机房支持区域建筑物的总称，主要任务是进行网络数据的处理与交换，通过服务器储存交流的数据。数据中心运行保障核心是电力的稳定供应和断电情况下UPS（Uninterrupted Power Supply）的稳定运行保障。一旦电力不稳定，很容易对服务器机房造成损害，引起网络的传输业务问题，甚至数据的丢失。而UPS的响应速度不佳、供电电压不足和供电时间过短等，容易导致数据未备份或数据备份不完整问题，直接影响数据中心业务。所以，做好数据机房配电系统的设计与施工是数据中心建立时的重中之重[1]。

1 数据中心机房配电系统照明设计

数据中心机房配电系统照明设计主要的要求分为：光照强度、眩光控制、应急照明和配电箱四大类。

1.1 光照强度要求

在机房配电系统的照明设计中，光照强度需要按照国标，结合工程设计的实际情况进行调整。要求机房的光照强度不低于500 lux，辅助机房的光照强度不低于300 lux[2]。设计中应在保证光照强度的情况下优化灯具安放位置，如放置在两排机柜中间，以提高整体美观度。

1.2 眩光限制

数据中心机房对眩光限制的要求是：主要机房要求完全无眩光；一类辅助机房要求允许有轻微眩光[3]；二类辅助机房及以下要求允许有少量人眼能够感受到的眩光。根据机房分类要求，将限制规划为1、2、3级。

1.3 应急照明

数据中心机房配电系统中的应急照明系统主要由EPS（Emergency Power Supply）电源、照明灯泡和应急出口指示灯组成。当停电时控制器启动逆变器，并运行输出切换装置，将供电状态转换为逆变器供电，从而通过EPS对数据中心进行照明。同时，断电后由EPS连接的应急照明灯泡与应急出口指示灯开始工作，从而保证停电后的应急照明需求[4]。

1.4 照明配电箱要求

照明配电箱需要设置脱扣装置，可以在接收到建筑内消防系统的联动信号后切断电源供应，防止出现二次电火灾害。

2 数据中心机房配电系统UPS设计

2.1 UPS容量确定

数据中心机房的供电必须由UPS系统提供，而在UPS系统设计中，首先需要考虑额定容量是否满足数据中心机房的整体需要。计算UPS基本容量的公式为：

其中E是UPS的基本容量，P是机房中设备的总负荷量，单位为kW/kVA。

在确定UPS容量时，需要比设备总负荷量多留出一部分余量的原因：一是提高UPS的额定阈值，防止设备出现功率波动后导致UPS额定容量不足，从而提高供电稳定性；二是为今后可能出现的设备升级或增加进行预留。

2.2 UPS输入配电设计

首先将数据机房所在市电变电所中的两台变压器配电柜输出电引入UPS机房输入柜，同时保证与发电机配电柜的电源切换能力，实现两种配电柜的自动切换；在回路配电过程中，将除精密空调配电柜和应急冷冻机配电柜以外的用电设备通过不同的UPS回路分别配电，降低对设备的干扰；精密空调配电柜和应急冷冻机配电柜的电源，直接通过发电机和数据机房的配电器引入；如果数据中心规模较大，可以通过专用变压器对电子设备的UPS进行专项配电，同时当数据中心的用电处于低负荷期时，也可以通过专用的低压反馈线路对UPS进行供电。

2.3 UPS输出配电设计

基于《电子信息系统机房设计规范》中“市电与柴油发电机应通过带有旁路功能的自动转换开关进行切换，且保证自动转换开关在检修时不影响电源切换”的规定[5]，在UPS的配电线路中，进线电源需要通过自动转换开关进行UPS与发电机电源的自动切换。由于UPS进线柜尺寸相比ATS的尺寸要稍大，安装时需要注意。数据中心机房作为重要的数据处理设施，需要保证容错率。保障容错率的方式是构建两套及以上的服务器系统，通过最低同时存在两套及以上服务器系统运行的方式来应对特殊情况，如设备故障、操作故障等，保证服务器机房的正常运行。常用的USP方向容错系统搭建方式是并联冗余方式，将同样型号的UPS并联，但额定负载只有一台UPS大小[6]。当一台UPS出现故障时，其他UPS依然可以继续工作，保证稳定供电，从而提高供电的稳定性。此外，可以通过提高UPS的并联数量进一步提高供电系统的可靠性。在并联冗余供电方式中，主要分为2N和2（N+1）两种供电方式，从而保证在任何时刻都有最低两台UPS提供稳定的供电。UPS一旦出现问题，可以通过自带的内部维修旁路开关进行维修，维修效率较高。同时，在输出配电柜上安装并联空开，可以轻松实现UPS的容量扩充，且不对当前UPS系统造成供电影响。如果需要对单台UPS进行维护，可以关闭相应UPS的空开，在不对当前UPS系统造成影响的情况下安全维护这台UPS。如果条件允许，UPS系统应当建立外部维修旁路，以保证对并联系统的维修便捷性[7]。

在UPS对设备与机房进行供电的过程中，电源首先通过正常供电线路经过转换开关和断路器进入UPS。UPS通过输出回路将电力输送至配电柜，并通过专用的PDU（Power Distribution Unit）对数据机房进行供电。当电源出现故障时，启动发电机的应急电源，通过转换开关将电力输送到断路器，然后进入UPS的输出回路，并从传送到针对数据机房的配电输出柜。而在电源故障发生到应急电源输送至数据机房的间隔中，需要通过UPS对数据机房提供电源，保证数据的安全。UPS的电池容量需要最低维持机房运行15 min，以保证数据的备份，而大型机房则需要更高的电池容量。例如，省级公安系统的服务器机房的UPS电池容量可以给服务器机房提供3.5 h的运行时长，以保证服务器的数据备份能够顺利完成；当单台UPS出现内部故障时，将这台UPS旁接的空开断开，并对UPS进行维修；当UPS的并联冗余供电系统需要进行检修时，UPS的整个输入输出线路通过断路器断开，电源通过外旁路继续对PDU供电，进而可以在保证服务器正常运行的情况下安全检修UPS[8]。

2.4 各终端的配电设计

为了防止中性线和PE线之间的电位差达不到设备的实用要求而导致设备损毁，PDU的进线处需要设置变压器来降低电位差，以保障设备的正常使用。常见的PDU进线处变压器方案为采用380～220 V额定数值的隔离变压器引出新的中性线，从而保证电位差的稳定。如同UPS的并联冗余系统一样，数据机房系统也使用2N的双路冗余线路系统，PDU数量为最低两个的偶数，每个MCB（Main Circuit Breaker，微型断路器）对应一个机柜电源，也就是UPS的两路输出电路经过PDU对设备进行双路供电，保障系统在任何故障下的运行稳定性[9]。为了保障PDU中各路电源的状况，运维人员应当通过PDU自带的通信接口连接计算机，并建立相关通信协议，实时监控PDU的数据，提高对电力分配和电力稳定程度的掌握水平。

3 数据中心机房配电系统接地设计

为了保障机房安全，在建立数据中心机房接地系统时，需要考虑交流工作地、安全保护地、防雷保护地以及专用直流工作地四大类。需要从机房的实际情况出发，与建筑设计相结合，保证数据中心机房配电系统的接地设计能够满足接地电阻的基本要求。建筑结构中的接地扁钢结构可以用作安全保护地和防雷保护地。

在机房的抗静电系统方面，应当根据机房的状况进行抗静电底板的接地处理，保证机房静电电压U＜1kV。如何保证静电电压，主要在于接地和地板的内外电阻。而机房内的所有金属建筑结构全部需要接地，防止金属结构产生较大电压导致电源波动而影响设备运行甚至损害设备[10]。

4 数据中心机房配电系统防雷设计

雷电是对数据中心机房危害最大的一种外界因素。一旦遭遇雷击，很容易将低压电源系统击穿，损坏设备元器件。所以，为了保护设备免受雷电灾害的影响，应当采取有效的控制电源扰动手段，将浪涌电流接地。同时，在所有低压电源系统上安装一级电源避雷器，在机房的进线配电柜上安装耳机电源避雷器，UPS与PDU上安装三级电源避雷器，从而通过多层避雷手段保证设备不受雷电影响，大大降低低压电源系统被击穿的可能。

5 数据中心机房配电系统设计及施工问题

5.1 机房配电系统容量设计

由于数据中心机房的重要作用和服务器机房极高的电力负荷需求，对于机房配电系统的设计需要严格谨慎。在负荷容量的统计过程中，需要结合除去机房之外的周边用电设备如建筑中的弱电系统和一级负荷用电进行设计，以保证配电系统能够承受整体供电容量的需求，并预留一定冗余，保证后期机房设备拓展的容量需求。由于单个服务器体积较小，在固定空间内功耗提高的情况下，UPS的配置容量应当跟随系统配电容量进行相应提升，以保证未来供应机房功耗的容量充足。

5.2 数据中心机房配电系统设计要结合多领域

机房配电系统的设计需融合多个专业领域知识，设计中要严格考量这些领域的专业性。

5.2.1 机房装修

机房内配套设备的安装要结合机房配电相关规范进行调整，保证功能和视觉的效果要求。装修中应注意金属材料的使用，务必将金属材料接地，以减少静电的产生。

5.2.2 走线设计

机房走线分为上走线和下走线两种方式。在走线方式设计中，除需要考虑机房层高等基础条件外，还必须严格规范空调、排风、消防管道的走线方式，防止线槽与各专业管线交错造成不符合相关设计标准、影响后期运维的问题。

5.2.3 弱电供电

在数据中心机房配电系统设计中，需要优化弱电供电。例如，门禁系统的供电可以加装继电器，为消防联动提供便捷，同时保证各个系统的电源独立，对每个系统、每个设备进行单独断路，且不影响其他设备和系统的运作。

5.3 设计及施工安装要点

安装数据中心机房配电系统时，应严格遵守规范，满足数据中心机房的需求。例如，UPS到信息中心设备的电力输出应当减少连接节点，保证信息中心供电的稳定性，同时要在设计时加装电量监控设备，如在配电柜上安装电量仪、PDU接入信息系统查询供电情况等，掌握机房配电系统的运行状态。要规范化调整设备的摆放位置与布局，提高散热的同时，方便配电安装与维修。

5.4 结合造价情况与现有需求的信息进行合理规划

在机房建设项目中，经常由于造价不足出现未能达到客户过高要求的情况，因而出现了功能的阉割和客户要求的技术在实际情况下不能起到作用的情况。针对这种情况，一方面与客户进行详细沟通，对设计的可行性进行详细论证，保证要求的合理性，另一方面要针对客户的需求和预算制定合理可行的建设方案。

6 结 论

当前，数据信息技术和应用需求不断提升，对数据中心的性能、存储要求与稳定性也越来越高，配电系统的规划与建设变得尤为重要。因此，对数据中心机房配电系统进行简要分析与设计，在实际项目规划建设中，需根据相关国家及行业标准，结合项目实际需求和基础设施情况，进行统一规划和科学设计。