数据中心机房供配电方案探讨

2021-12-26刘镔

科学与信息化 2021年19期

刘镔

广东正恒建筑设计有限公司广东梅州 514000

引言

数据中心机房是基于现代信息时代产物，为多个业务实现提供可靠性较高的环境，其中核心部分为供配电系统，供配电系统稳定性，可有效保证系统发挥自身价值，以及各项核心业务处于正常运作。与常规建筑供配电系统相较，具有一定的复杂性，涵盖多个系统，相互间存在影响，有必要实际设计供配电设计方案过程中，综合性考量各方面因素，保证供配电设计方案具有合理性及科学性。

1 数据中心机房供配电方案设计标准及原则

一方面，数据中心具有专项设计标准，全球第一个综合性数据中心电信基础标准于2005年批准使用，我国相关规范及标准均在国内数据中心建设发展基础上形成，数据中心设计规范GB50174-2017实施。数据中心需按照用户重要程度，以及业主对数据中心可靠性实际需求，确定机房实际等级，以此为基础确定合适的供配电系统。国内数据中心应满足国内相关规程标准，供配电实际设计方案制定时，应按照机房实际应用性质、管理要求等，确定其实际属于级别。另一方面，供配电设计方案原则。数据中心供配电系统设计，应严格依照相关标准、规范，综合性考量数据中心实际用电特征、供电要求高等要求，采取行之有效的措施，保证其相关配置满足相关要求。数据中心供配电设计方案制定过程中，为保证其方案科学性及合理性，应遵循一定的原则，如分区、分级原则，保证处于同一功能区域内，设备运行供电稳定、可靠。应保证数据中心内部所有设备根据相关标准运行，以免各设备运行相互干扰。数据中心整体用电密度高，实际体量较大，供配电系统方案设计构成中，应充分应用节能措施，减少供配电系统中实际损耗[1]。

2 数据中心机房供配电系统需求分析

随信息技术高速发展，以及互联网日渐普及，信息系统在各领域中应用不断深入，信息呈爆发式增长，对数据中心提出新的挑战，信息设备功能趋于多元化，自身性能不断优化升级，功率密度越来越高。数据中心设备柜用电负荷提高至6kVA/台，甚至超过该数值，机房单位面积均用电负荷提高至超过2kVA每平方。数据中心用电负荷主要体现在两大模块，即市电供电系统负荷、USP供电系统负荷，前者主要包含机房照明、建筑电气设备等，后者主要是供要求不间断电源负荷及充电负荷之和。

在数据中心建设机房建设中，开展供配电系统需求分析还需要考虑设备实际符合与规划符合之间的容量差，这样才能保证整个项目设计规划的合理性。要注意的是，在数据中心机房中，用电设备的类型多样，这些设备在用电需求等层面存在较大的差异，基于此，为满足整个机房用电设备的应用需要，需要重视机房用电的有效规划，实现机房用电与整个建筑用电的有效协调。在机房实际用电规划中，还应树立超前性理念，对机房各类用电设备需求、业务需求进行拓展和兼容设计，确保整体机房供配电整体设计的科学性、合理性。譬如，机房中的网络交换设备、安全设备在电源频率、谐波及电源稳定性等层面均存在较大差异性，故而应结合实际需要，开展数据中心机房个设备供配电系统设计，以此来满足系统的实际应用需要。

3 数据中心机房供配电系统设计方案

3.1 供配电系统的布置

数据中心机房内供配电系统设备数量较多，不仅包含USP、电池，而且涉及备用柴油发电机等，上述设备实际放置面积较大，为保证各设备功能良好实现，需综合性考量其放置布局规划。为进一步保证UPS输出至各设备间电能耗损降至最低，应为数据中心配置单独的配电间、变配电所等，并保证UPS电源机房临近设备机房。UPS电源主机、配电柜等是否进行隔开，取决于数据中心实际状况。同时，UPS属于大型设备，后续运行工作过程中，形成的噪声较大，应布置于承重较佳，且对办公及休息不会造成影响区域。配电柜具体位置规划设计，需综合性考量上述要求。柴油发电机房通常布设于地面一层或室外单独设置，值得一提的是，应审核进、出通道设计是否与相关规程相吻合，注重发电机组实际储油装置布置需求。为保证后续对多个机房进行升级改造，需将发电机房、UPS机房存留一定的空间，便于后续机房整体优化改造，针对并非专业设计用于数据中心建筑，并应审核其是否满足线路敷设标准要求[2]。

3.2 供配电系统设计方案

3.2.1 市电动力配电系统设计。市电动力配电需提供的供电设备较多，不仅包含空调设备、普通照明，而且涉及一般动力等，上述设备通常为总配电输出动力提供配电系统，接地方式采用TN-S，地线与零线应独立分隔布置，并将两者间电压控制于不超过1V。为从本质层面保证数据中心电源具有可靠性，通常建议需增设两路电源，若现场布设条件难以满足，也可引入一条。市电电源实际供电容量需可满足一、二级负荷实际要求，供电实际容量可保证供电一同运行，两路电源均处于设备输入端，且可实现自动切换。市电动力配电柜选用放射式配电方式频次较高，直接传输配置于各用电设备中，机房内部配电线选取上金属管槽敷设，同时配电柜拥有联动自保护功效，若特殊状况下引发火灾，其会自动形成预警，并第一时间切断电源[3]。

3.2.2 自备应急电源系统设计。备用电源系统作为数据中心机房可靠运行基础保证，一般会选用柴油发电机机组作为备用，规格较大的数据中心，可选取大功率燃气轮机发电机组，由于实际输出电源质量较佳，体积较小，重量较轻。按照相关规范标准，数据中心应配置相应的应急电源，以此满足各类突发状况，实际供电容量需满足相关标准。数据中心机房布设区域条件受限，且对电源可靠性较高时，为保证其运行安全性，可选取移动式发电机组为备用。发电机组内部存储燃料实际量，取决于数据中心等级要求，通常应超过发电机组满负荷运行8小时用油量。

3.2.3 UPS供配电系统设计方案。UPS配电在多个领域具有良好的应用成效，其内部包含多个设备，一般其系统输出采取三级配电方式，即系统输出配电柜、机房配电柜、机柜配电单元。UPS系统蓄电池组实际容量计算方式包含两种，其一是按照负荷电流进行计算；其二是按照负荷功率进行计算，前者最终计算最终结果是蓄电池总容量，之后选取蓄电池容量及组数；后者最终计算结果为选定容量规格蓄电池组数，两者不同计算方式均可相互检验。单、双电源设备实际容量不尽相同，需按照实际状况，选取合适的容量。若负荷设备对接地电压具有较高的要求，可在配电柜增设相应的隔离变压器，进而保证输出电源质量满足相关要求。数据中心UPS供配电实现供电目标，一般会选取冗余方式，保证供电过程中，一台设备出现异常状况，无法提供供电，仍可满足相关设备用电需求，单机供电无法完成。分析该供配电方案，通常使用方式如下：

3.2.3.1 热备份式冗余UPS供电方式。其中主机及备用机承担负载主体目标不同，前者承担负载，后者处于空载或非负载，备用机与输入端予以连接，此种布置方式具有良好的灵活性，无须要求两台UPS品牌相同，且不需增加额外辅助电路，控制实际成本。如UPS主机发生故障，备用机需承担全部负载，表明实际设计过程中，需准确计算UPS故障下备用机所需承担的总负载。但此种配置方式核心不足在于备用机具有阶跃性负载承载能力，难以达成电源容量有效扩充，可将容量不同的UPS通过衔接方式，以最小容量输出。

3.2.3.2 直接并机冗余UPS供电方式。为克服备份供电系统运作不足，UPS技术在不断实践中优化升级，将自身输出功率相同的UPS进行并联，形成完整的供电系统。为保证该系统正常运作，对电源运作要求较高，应保证频次、相变一致。此外，此种配置方式瞬时承载力较大，可完成功率自行均匀配置，系统相互间为主备，确保供电可靠性及安全性。

3.2.3.3 双总线冗余供电方式。双总线供电主要是采用两条总线对后端设备进行供电方式，每一条总线上拥有与UPS相同的供电方式，提高输出电源供电可靠性。此种供电方式可实现两个“在线”，即三线扩容、在线升级，满足双电源用电设备需求。但此种供电方式相当于构建两个前者阐述供电方式回路，增加一定的成本支出。

3.3 供配电设备安装及线路敷设

在数据中心机房供配电设计中，还需要注重配电设备安装及线路敷设的系统设计。其中在供配电设计安装中，应重视机房配电柜、UPS电源柜、消防设备等内容的安装设计；要求这些设备应落地安装，配电柜应与其他建筑衔接具有牢固性；机房内部设备旁应布设相应测试插座，标识相应的警示。而在机房及线路敷设设计中，全部电路敷设需严格依照设计图纸实施，综合考量供电距离应尽量短，为以免机房内线路造成干扰，应进行分别铺设，不能放于同一个线槽内。譬如在机房配电柜安装设计中，要求严格设计确定配电柜、开关柜等的具体位置，实现设计科学、合理、美观、效益相结合。其次在配电柜的导线、电气元件、电源进线等要素等项目设计中，需确保这些项目线路压接紧密，连接牢固无松动，尤其是在机房配电柜箱体设计中，需确保其具有保护接地线端子和中性线接线端子。同时应重视配电柜具体参数和特殊需求设计，为后期配电柜的高效使用奠定良好基础。最后在配电柜线路敷设中，需在规范，精细、严密原则的指导下，规范的导线颜色黄绿红对应ABC相，不断提升配电柜、电缆桥架的线缆敷设设计水平。在机房布线设计中，应严格按照强电缆和弱电缆分离的原则进行布线设计，避免线缆交叉引发故障。

3.3.4 可靠性接地。数据中心接地方式应选用联合方式，针对重要机房而言，需全面做好接地措施，保证系统运行安全性，如配电箱及配电柜金属架。门与框架接地端子衔接部位，需采用铜线予以连接，照明配电箱内漏电保护器，其实际动作应小于30mA，接地直线与干线相衔接需单独进行接地，禁止实现串联。金属电缆桥架及其支架长度应超过2处于接地干线相连接，接地线最小允许截面面积不小于6mm2，接地在插座间禁止串联衔接。另外，在数据中心机房接地设计中，还需要考虑以下要素：其一，在防雷设计中，不仅要求考虑直击雷防护，电源防护，而且应重视信号系统防雷控制；其二，防雷措施应用中，应系统使用接闪器、引下线、接线装置的设计及使用，提升防雷接地效果。其三，应严格按照一、二、三级的要求进行机房电源防雷设计，提升机房防雷接地设计的整体质量。值得注意的是，新时期，人们对于数据中心机房供配电设计质量提出了较高要求，即在满足数据中心机房供配电功能要求的基础上，还应系统化地开展数据中心机房供配电的节能设计，要求在供配电系统配置应用中，尽可能地减少设备运行能耗，这样能提升供配电系统设计质量及运行管理质量，满足新时期的数据中心机房应用需要。