数据中心低压配电系统设计研究

吕 明，刘 俊，杨 涛，高 鹏

（中国石油天然气股份有限公司吉林石化数据中心分公司，吉林 吉林市 132000）

1 研究背景

随着我国移动互联网的快速发展和第五代移动通信技术（5th-Generation Mobile Communication Technology，5G）的 正式商用，海量的数据资源日益庞大，其中所蕴含的信息得到各方的重视。因此，国内的数据中心得到了快速发展。数据中心中存储着大量的数据信息，这些数据信息中蕴含着巨大的研究价值和商业价值，因此数据中心的运行应具有较高的可靠性和稳定性［1-2］。为保障数据中心的电能供应，对数据中心采用可靠、稳定的供电方案有非常重要的意义。低压配电系统是数据中心常见的配电方式。文章对数据中心低压配电系统的设计和优化进行研究，为数据中心的配电研究提供可行的方案。

2 数据中心低压配电系统的设计

低压配电系统是数据中心稳定运行的能源系统。目前，低压配电系统在长时间的运行中逐渐暴露出智能化水平较低、鲁棒性较差和稳定性较差的现象［3］。因此，要提高数据中心低压配电系统的稳定性、鲁棒性和智能化水平，低压配电系统不仅应具备良好的低压供电能力，还要具有良好的防雷电、防水和防火等功能，能在不影响数据中心电能供应的情况下对配电系统进行维护和扩容。通过对数据中心低压配电系统进行设计，保障数据中心的各类服务器、存储设备、通信设备及其他电子设备的安全稳定运行，有效保障各类数据信息的安全性［4］。

数据中心低压配电系统主要由不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）配电系统、防雷接地子系统和安防子系统等组成。

2.1 UPS配电系统

UPS配电系统能为数据中心提供永不间断的电能。该系统一般采用双总线技术，由2台UPS构成，主要将电能提供给数据中心内的服务器、机柜设备和运行监控中心的计算机。2台UPS都引入独立的市电，当正常输入市电时，UPS能够稳压市电并提供给负载，同时可以使机内电池储能；当市电中断时，UPS能够立即用逆变器将电池内的储能进行转换并继续向负载供电，确保负载正常运行，避免设备出现不必要的硬件损害。当出现瞬间低电压、瞬间高电压、电涌、电线噪声、频率偏移等情况时，UPS系统还能够起到保护作用。因此，要合理设计与使用UPS系统，使其处于平稳的工作状态［5］。

数据中心机房内共配置了2台电源分配单元（Power Distribution Unit，PDU），务必确保机房内每台机柜都由2个独立的UPS回路供电。通过地板下电线槽引入实现机柜供电，安装IP65或IP44工业型防水插座，保证供电的连续可靠性和人员操作的安全性。

2.2 防雷接地系统

防雷接地系统是数据中心机房需要重点关注的对象，防雷接地系统不仅要有效防雷，防止因雷击而导致的损害，还要有效防止静电所导致的损害，对数据中心的安全稳定运行有着非常重要的意义［6］。

数据中心低压配电系统一般采用两级的安全避雷接地系统。在数据中心总电源进线处装配一级防雷接地系统（60 kA）， 在配电柜的电源进线处装配二级防雷接地系统（40 kA）。防雷接地系统主要由雷电接收器、接地装置、引下线和接地电阻等构成。其中，雷电接收器是直接或间接接受雷电的接闪器，一般由金属导体制作，常见的有避雷针、避雷器、架空地线等。接地装置包括接地体和接地线［7］。接地线是指杆塔的接地端子及电气设备与零线或其他接地体相连的不载流的金属导体。接地体一般是埋入土中，与土地有接触的金属导体。引下线能有效将累计电流从闪接器传导到接地装置的导体。接地电阻是衡量接地装置性能的重要参数，是指接地体的对地电阻的总和，其阻值为接地装置对地电压和流入土地中电流的比值。

2.3 空调配电系统

数据中心中大量的服务器、存储设备在运行过程中会产生大量的热量，需要配置空调制冷系统才能平衡机房内的温度。通常采用浸入式冷却或直接液冷却的方式确保机房内的温度稳定。由于数据中心机房环境的特殊性，空调系统需要具有较强的稳定性，数据中心24 h不间断运行，要维持数据中心机房工作的稳定性，制冷系统也必须要有较强的稳定性和较长时间的使用寿命，才能确保机房的恒温恒湿。因此，空调配电系统影响着数据中心运行的稳定性和可靠性。

空调配电系统内共有2组空调，每组4台，运行方式为3用1备。空调配电系统采用双电源供电，接入到两路独立的380 V/220 V、50 Hz电源上。为保障空调配电系统安全运行，每台空调的配电均与消防报警系统相连。

2.4 安防系统

数据中心安防系统由视频安防监控系统、出入口控制系统、电子巡更系统和入侵报警系统等子系统构成。安防系统是基于客户机/服务器（Client/Server，C/S）模式建立的分布式网络平台，实现对各子系统的集中控制和管理［8］。安全防范系统的故障应不影响各子系统的运行。在数据中心的各出入口安装摄像头、通信链路等，对数据中心的出入进行严格的管制，并由电子巡更系统加强对安排安保人员的管理，有效保障数据中心的安全。此外，为数据中心信息系统安装入侵报警系统，可以防止恶意访问和非法入侵，充分保护数据安全，有效提高数据中心的信息化安全水平。

2.5 低压配电及线路敷设方式

低压配电线路的敷设要安全可靠，不仅要保障供电连续性，还要有效减少线路损失，提高输电效率，保证电能质量良好。重要电力设备的配电线路使用ZR-VVR阻燃软电缆以放射型方式进行敷设。一般电力设备的配电线路使用WDZA-YJY低烟无卤电缆以放射与树干混合的方式进行敷设。照明、空调所有低压电线中采用ZR-BY阻燃铜芯线。出配电柜（箱）的支线线路，若有线槽则敷设在线槽内，若无线槽则运用金属管对线路进行保护，同时还需要在过长的配管线路中增加过路盒，对经过沉降缝的管线和桥架都要进行沉降处理。

2.6 数据中心照明系统

照明系统是数据中心设计中的重要基础设施。照明系统不仅要使工作区域能够很好地被照明，还要考虑节能的因素。在主机房中，需要设置正常照明、疏散照明、非消防备用照明。数据中心照度设计标准：机房区的平均照度为500 LX；应急照明的平均照度为50 LX；其他区的平均照度为300 LX；照明系统的配电柜采用双电源供电，电源经自动切换开关（TBBQ3）实现自动切换，再经配电开关分配后为数据中心的照明系统进行供电。

2.7 电气保护与接地系统

良好的接地系统不仅能够有效地抑制外来干扰的侵袭，确保电子电气设备安全可靠运行，还能够减少系统内部的相互干扰，使数据中心机房电源系统能保持一个稳定的零电位。电位漂移会造成磁介质的存储等设备出现数据读写失败，甚至产生故障［9］。因此，加强对数据中心的电气保护，设计稳定有效的接地系统有着非常重要的作用。数据中心机房一般采用TN-S接地系统，该系统具有线路简单、故障灵敏度高和成本较低等优势，适用于三相负荷比较平衡且单相负荷容量较小的场所。该系统共有5根线，分别为3根相线、1根中性线和1根保护接地线。该系统仅一点接地，用电设备的外露可导电部分接PE线。需要注意的是，PE线原则上是不允许断开的，否则会导致触电危险，所以TN-S系统需要考虑重复接地。

机房内所有电源插座回路专放接地线，且设置漏电保护开关。对高度不足2.4 m的灯具及I类灯具外壳都要确保与接地线连接。数据中心机房与接地系统相连：UPS输出端中性点工作接地、电气设备保护接地、弱电设备接地、防静电接地、防雷接地等电位接地都进行数据中心的联合接地体，有效保障数据中心电力系统安全稳定运行。

2.8 精密配电柜

数据中心低压配电系统中采用较为先进的精密配电技术方案，不同电气产品均能够在每个配电回路中进行热插拔操作。在配电柜中配备双路电源切换，以确保设备的安全稳定运行。同时，在进行配电系统的容量设计时，不仅要考虑数据中心的设备负载，还要考虑数据中心的发展规划需求。

3 结语

随着大数据产业快速发展，数据中心也在快速发展。数据中心中所存储的数据资源日益庞大，对配电系统提出了更高的要求。低压配电系统是数据中心安全稳定的基础性条件，经过系统、科学的设计和严谨的安装调试，能有效保障实现低压配电系统的建设目标，为数据中心安全稳定运行奠定基础。