数据中心供配电系统节能探究

太极计算机股份有限公司 王阳

1 影响数据中心电气节能设计的因素

影响数据中心电气节能设计的因素很多。电气节能设计主要受机房等级、主要设备的冗余度、设备选型等因素的影响。

1.1 电气架构模型

数据中心供配电系统主要由中压配电系统、备用电源系统、不间断电源系统、机架配电系统及照明、防雷接地等系统组成。依据数据中心业务需求，首先确定机房建设等级，再从综合平面布局、建设资金等多因素考虑，最终确定数据中心数据机房的完整电气系统架构。

1.2 电气设计节能

一是主要设备的冗余度，主要指电气设备与暖通设备的冗余度；二是尽可能地提高变压器、UPS设备的负荷率；三是平面布局过程中，电气路由合理；四是照明采用LED节能灯具，采用分区分组控制；五是开关容量及个数的冗余度。

1.3 电气设备能耗

采用电力模块、干式变压器、高频UPS、大小母线用铜排替代电缆等。

2 数据中心供配电系统现状问题

数据中心供配电系统问题涉及多个方面，主要表现在以下三方面。一是过度规划，主要体现在机柜数量、单机柜容量、主要设备的冗余上；二是可扩展性差，主要体现在容量预留、开关预留、机房与配电室的空间预留上；三是能耗过高。

3 数据中心供配电系统设计原则

一是可靠性，数据中心供配电系统依据使用性质、管理要求和重要性确定机房建设等级后，对配电系统结构设计、合理布局、关键设备备份冗余来提高配电系统的可靠性。二是合理性，数据中心供配电系统设计遵循分区和分级原则。三是灵活性与可扩展性，数据中心供配电系统设计遵循灵活性与可扩展性原则，做到远近期结合，合理预留扩展接口。四是方便运维性，增加模块化单元，小到配电设备的零部件，大到配电系统的整体规划。五是节能环保性，数据中心供配电系统设计遵循国家低碳环保，节能减排的方针，主要从方案制定与设备选型出发，建设绿色数据中心。

4 数据中心供配电系统设计的具体措施

4.1 负荷设计

4.1.1 负荷计算原则

一是110kV 市电N+1 冗余；二是10kV 市电2N 容错；三是中/高压主接线采用单母线分断，两路母线间设置母联开关；四是变压器2N 配置，两两一组，互为备用，单台设计负载率不高于50%，低压主接线采用单母分段，设置低压母联开关；五是IT 负载与制冷系统及其辅助设备不宜共用变压器；六是IT 用UPS 按2N 冗余配置，最高负荷率不大于43%（按1.2 冗余考虑）；七是动力用UPS 的负荷率不大于80%；八是备用电源采用10kV 高压柴发机组，柴油发电机组需要按照N+1 配置，N 应覆盖100%IT 负载及其配套基础设施。

4.1.2 某项目部分负荷计算

在确定负荷计算原则后，负荷计算与平面布局需同时进行，最小的配电单元（UPS 与变压器容量的确定）与机房内布局（即最少机柜数）同时考虑。某项目部分负荷计算见表1。

表1 某项目部分负荷计算

4.2 供配电系统架构搭建

4.2.1 配电室的整体布局园区式数据中心变配电所布置如图1所示。

图1 园区式数据中心变配电所布置

柴油发电机室依据项目的规模，可临近机房楼，或与机房楼共用，置于机房楼一层，与高压配电室临近；高压配电室置于机房楼一层，临近市电进线侧，兼顾A/B路市电的进线隔离距离；低压配电室、UPS 配电室应靠近设备机房（负荷中心）布置，同层相邻或相邻楼层；机房层按模块化布局（以冷通道为单位、以单个机房为单位，以单层为单位），依据模块化机房的总用电量，进行变压器、UPS、列头柜/始端箱等设备选型。

4.2.2 配电系统架构规划

数据中心供配电系统架构的确定，需要综合考虑数据中心项目的业务需求、建设规模、投资限制及资源条件等因素，确定数据中心的建设等级后，规划数据中心的供配电系统架构。

数据中心供配电系统架构应满足可靠性、灵活性。按数据中心的等级确定系统的容错与主要设备的冗余情况；避免单点故障；尽量减少供电的级数；供电单元模块化设计；采用路由最优原则，尽可能地控制路由长度。

4.2.3 某项目案例部分展示

某数据中心项目标准层的平面布置如图2所示。某数据中心项目的部分配电系统单线如图3所示。以此为例，标准层共布置4 个模块机房，每个模块机房用一套低压配电系统，IT 用配电柜置于同层，受空间面积制约，该项目的动力用配电柜均布置于一层；同层的IT配电柜与动力配电柜来自同一市电回路，实现分级分区配置。

图2 某数据中心项目标准层的平面布置

图3 某数据中心项目的部分配电系统单线

4.3 供配电系统分期建设建议

数据中心建设采用分栋、分层、分机房模块建设。规划设计时需要考虑功能分期实施时，对设备、材料的选择及施工工艺的处理提出要求。如果数据中心分期建设，那么供配电规划有如下建议。

一是低压配电设备以机房标准层为单位，规划配电室的空间面积，柜位；以模块化机房为单位，对应一套变压器、UPS、配电柜等设备，按需求分期建设。二是备用电源按初期负荷配置，终期可扩容满足需求，并预留位置。三是UPS 蓄电池与UPS共同考虑。整体规划，按需求分期建设。四是防雷接地以配电室、机房为单位建设。五是照明，通盘考虑，无须分期，注意灯具类型的区分。

4.4 供配电设备选型

工厂预制化产品的选择，可减少现场基建工作，缩短施工周期。

4.4.1 电源模块的应用

电源模块由变压器、SVG、低压配电柜、UPS和馈线柜部件组成。各组成部件之间采用铜排顶置连接。采用预制化、一体化供配电系统，可以把空间压缩20%～30%；工厂预制，缩短安装工期；UPS电源入列，减少连接电缆，降低线损；集成度高，易维护；减少材料及人员施工量，降低项目成本。

4.4.2 高频模块化UPS的应用

可采用模块化UPS，功率模块N+1 设计。目前常见的功率模块容量有25kVA、30kVA、50kVA。功率模块支持热插拔，使得系统的维护时间大为缩短，5～10min 就可以完成故障模块的更换工作，大幅地提高了系统的可用性，成倍地减少了备品备件。

4.4.3 专用配电母线的应用

专用配电母线替代传统的强电列头柜。通过插接箱就近供电（插接箱位置可调），IT 机柜PDU 插头可直接插入到母线插接箱中，无复杂接线工作；具备带电热插拔功能，能在母线长度方向任意位置插拔取电；在线换相功能；便于扩展。

5 结语

数据中心供配电系统是数据中心最重要的基础设施，应该在数据中心建设初期予以统筹考虑和全面规划。从全生命周期考虑，在设计规划时就要兼顾系统的稳定可靠与供电系统的灵活扩展、技术的规范性与先进性、成本的经济性、便于工程的后期运维。

数据中心供配电系统可为用户设计优质的设计方案，解决用户不断变化的业务需求与低投资、高回报之间的矛盾，满足用户快速部署、灵活扩展的需求，提高数据中心的工作效率，降低用户运营费用。