数据中心机房供配电设计要点

2020-02-03孙惠民徐其勤

电子技术与软件工程 2020年11期

孙惠民徐其勤

（中国电科二十八所江苏省南京市 210007）

1 数据中心机房供配电系统的设计内容

对数据中心机房而言，由于其内部包含的设备等相对较多，且这些设备对电力的依赖性很大，一旦电流电压难以保持稳定，都将会造成机房内相关设备的运行故障与异常。因此，数据中心机房设计中，必须要保障供配电系统设计的合理性，使得供配电系统的电流、电压负荷等能够满足机房内各种电气设备的运行要求。机房供配电系统设计中，需解决相关计算机设备，比如主机、网络、主控、电脑、终端等的用电问题，还需要保障其他附属设备，比如机房空调、照明系统、安防系统、消防系统等正常的供配电[1]。以某医院数据中心为例，其构成如图1 所示。

2 数据中心机房供配电需求

近年来，全球经济一体化快速发展，在此背景下衍生了新的经济模式与商业模式，要求数据中心在运行的过程中需坚持不间断服务。因此，数据中心机房供配电系统的设计基础需满足机房各类设备的用电需求，供配电系统的供配电业务是数据中心全天候运行的基础。

在数据中心的建设过程中，供配电系统设计中要充分考虑实际负荷与规划负荷之间存在的容量差，保障规划设计的合理性。由于在数据中心内包含了诸多的用电设备，不同用电设备之间存在着用电需求等级的差异性，在机房供配电系统的设计中，同样需要进行数据中心供配电方式与整个建筑物配电之间的协调性设计，实现建筑物已有供配电资源的合理利用，降低数据中心机房供配电系统设计、建设方面的资金与技术投入。此外，数据中心机房供配电系统的设计中，还需要具有一定的超前性，其供配电设计不仅要满足当下机房各类用电设备的用电需求、业务应用需求，还需要具有一定的可扩展性与兼容性[2]。因此，数据中心机房供配电系统设计中，需符合近期与远期目标的要求，遵循科学性、经济性、合理性的设计原则，尽量实现机房供配电系统运行中不必要的能源与资源消耗。

在数据中心机房中，同样包含了各种的网络交换设备、安全设备与应用服务器等特殊的设备，这些设备对于供配电质量的要求相对较高，需保障供配电系统的电源频率、谐波、电压稳定性等符合系统运行的要求，因此，在机房供配电系统的设计中，设计人员需遵守相应的设计要点。

3 数据中心机房供配电设计要点

3.1 数据中心机房的选址方面

由于数据中心的特殊性，在机房供配电系统的设计过程中，首先需重视机房的选址。数据中心机房选址需符合国家的相关法律法规要求、设计规范，尤其是要保障建筑物体需具备较好的抗震能力，其抗震性需在乙类级别以上。机房的地理位置要较好，良好的位置选择可以为线缆的接入等提供便捷，最好将机房与水源的距离控制在安全范围以内，并要保障数据中心机房的排水顺畅，避免积水对机房内相关设备设施的破坏。此外，数据中心机房还需远离火灾隐患区域，否则，一旦数据中心机房距离火灾隐患区域较近，当火灾发生时可能会造成设备设施的火灾事故，进而造成巨大的损失。雷电同样会对机房内相关设备产生不利影响，主要是由于机房内的大部分设备都为电气设备，雷击将会造成电气设备的损坏与异常运行，因此，在机房设计上，需尽量远离雷击区。

图1：医院数据中心机房构成

3.2 装修装饰方面

由于数据中心机房内各种设备设施对于运行环境等有着较高的要求，因此，在机房供配电系统的设计中，同样需要关注装饰装修方面的设计。数据中心机房供配电系统需严格根据相应的设计规范来进行，在一些环节需进行相应的加固。由于机房环境的特殊性，供配电系统内相关要素对运行环境的要求较高，在机房的装饰装修设计方面，需尽量选用噪音小、保温隔热性能好、防火防潮性能佳的材料。由于机房供配电系统的运行过程中会产生较大的能源消耗，因此，在设计中需要考虑节能环保因素，加强空调系统的设计，使得在系统的运行过程中能够实现空调冷热风的自然循环，加强机房与外界的空气交换与流通，为供配电设备设施创造良好的运行环境[3]。

3.3 消防方面

机房供配电的消防设计极为关键，在实际的过程中，需遵守国家的防火规范、火灾自动报警规范等。机房供配电如果存在设计的安全风险，在后期投入使用以后可能会出现严重的火灾隐患，为了最大程度上减小火灾事故所造成的损失，需在机房供配电系统设计中，进行相应的消防设计。机房消防设计需符合相应的耐火性要求，隔墙上门需采用甲级防火门。安全出口需在两个以上，即使在机房供配电出现了异常情况时，机房都能够正常启动安全出口。为保障机房消防等级，采用的是气体灭火装置，并需配备足够数量的呼吸器。机房供配电系统设计需考虑火灾、水灾等威胁，使得供配电系统具有一定的可靠性与安全性。

3.4 机房的布线方面

机房供配电系统的布线将是决定系统稳定、可靠运行的重要因素，因此，在机房供配电系统的设计中，同样需要保障布线的合理性，结合机房内各种用电设备的用电情况，遵循科学布线的原则。在数据中心机房供配电系统的设计中，需保持强电缆与弱电缆的独立性，将二者区分开来。此外，在布线过程中，还需要结合供配电需求，进行布线走向的科学控制，做好不同类型线缆的规划，避免线缆交叉错乱所引发的各种事故。

3.5 接地和防雷防静电方面

机房内的很多线缆与设备极易受到雷击威胁，因此，在机房供配电设计方面，同样需要注意接地、防雷与防静电设计，在这些设计环节，设计人员都需要遵循相应的设计要求与规范来进行。比如，在接地系统的设计方面，设计人员需做好电位连接网络，与附近的金属管道、接地汇流排等加以连接，使得机房供配电系统能够维持正常的运行状态，避免接地连接不当所造成的事故。数据中心、通信系统等常常会受到雷击威胁，因此，在机房供配电设计中，需要做好相应的防雷设计。防雷设计主要包含了直击雷防护、电源防护与信号系统防雷，而直击雷防护主要是通过接闪器、引下线、接地装置的应用来实现的，在雷电出现时，接闪器在接收到雷电以后，可以将其所接收到的雷电下引到地面。电源防护主要包含了一级防雷、二级防雷与三级防雷，需在电源末端进行防雷插座的设置。信号系统防雷中包含的设备较多，比如，线路、电子信息系统、设备监控装置、门禁系统与防雷设备器、避雷设备器等。在防静电设计方面，需借助于自铜排作为等电位连接的依据，在机房供配电系统内包含的金属管道、外壳、地板支架等，都需要由6mm2的接地线来通过最短的距离连接等电位网格来实现防静电处理[4]。

3.6 照明设计

数据中心机房供配电设计中，照明设计是其中的关键内容，其设计需严格根据机房中的照明需求来进行，保障机房供配电系统处于相对舒适的环境中，为数据中心机房工作人员、设备等创造相对良好的环境。数据中心内的各个区域都对照明系统设计有着极高的要求，照明系统设计需考虑UPS、电池、配电柜、柴油发电机等的布设因素，在数据中心机房内，这些设备的占地面积很大，在照明系统的设计上，需确定最佳的摆放位置，考虑功能因素、空间与承重设计的合理性。在数据中心机房内，需设置独立的配电间、交配电所等，且要保障这些设备与机房负荷中心保持较近的距离，尽量使得UPS 输出与用电设备之间的压降、损耗能够在最小的范围内。UPS 电源主机、配电柜与蓄电池组是否需要进行分隔设计，需尽量考虑数据中心机房设计的总体要求，以机房安全、可靠运行为基础。发电机机房需设置在地面一层，如果将发电机房设置在地下层，需在设计的过程中考虑进风与出风能否满足其实际的需求，并要保障发电机组储油装置的消防等级。

3.7 通风和空调方面

数据中心机房如果缺乏通风与空调设计，一些电气设备在长期高负荷的运转状态下将会出现温度过高的情况，一些零部件在高温状态下可能会出现损坏等现象。因此，数据中心机房供配电设计中，需通过通风与空调设计来保持系统良好的散热性，使得相关设备能够快速降温。由于在断电的情况下，空调系统难以保持正常的运行状态，但是，由于UPS 能够实现不间断供电，相关设备的温度难以在短时间内降下来，甚至会呈现出逐步升温的过程，而通风系统的设计能够保障在断电或者供电状态下设备的散热与降温[5]。当前，一些数据中心机房逐步将UPS 接入了空调。

3.8 UPS系统

由于数据中心机房必须要保持全天候运行，如果断电情况下要维持数据中心机房的正常运转，就必须进行UPS 系统的设计。因此，UPS 系统是任何数据中心机房都不可缺少的环节。在数据中心供配电设计中，UPS 系统的设计需结合数据中心机房的规模大小、用电负荷等来进行。通常情况下，UPS 包含了工频与高频，工频具有良好的抗冲击能力、抗干扰能力，能够维持系统的稳定性与可靠性，正是由于工频的这种特点，使得其价格相对较高，但是，高频具有更好的绿色性与节能效益[6]。对数据中心机房供配电而言，为保持整个机房的正常运行，最好选择工频机。

3.9 节能设计

当前，随着可持续发展理念的提出，各行各业几乎都在走新型绿色化道路，对数据中心机房供配电设计而言，在设计的过程中同样需要考虑节能设计因素。数据中心机房属于高耗能机房，在行业可持续发展、现代化发展的过程中，机房供配电节能设计逐步引起了人们的重视，利用电气节能能够有效解决数据中心机房的能耗问题。在数据中心机房供配电系统的运行过程中，电能是不可获取的能源资源，同样也是主要的能耗类型，导线、开关、变压器等设备是电能传输的介质，在传输过程中存在电能损耗，且伴随着电能传输，存在短期内的能量损失。如果在数据中心机房运行中存在严重的线损问题，那么，发热是其中最为突出的表现，发热是电能向热能转化的过程，当机房供配电相关设备、线路出现发热现象以后，导体的温度会在此过程中逐步升高，而温度升高将会加速绝缘材料的老化，甚至引发绝缘层的破坏，设备的绝缘性能大大降低，出现电力事故，而一旦数据中心机房出现了事故，将会影响数据中心的正常运转。线损还造成了能源的消耗，因此，数据中心机房供配电设计中，要实现节能设计，可以在供配电系统通过变压器的应用、无功补偿、谐波抑制来降低能耗[7]。