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2019年7月24日 星期三

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作者:风弑


現代的數據中心中,都包括大量的電腦,對於這種場所的電力供應,都要求供電配電系統必須在所有的時間都有效,這就不同於一般建築的供配電系統,它是一個交叉的系統,涉及到市電供電、防雷接地、防靜電、UPS不間斷供電、發電機等,每個系統互相交叉,互有影響,這就使我們在設計時必須考慮多方面的因素。


一、系統概述
現代的數據中心機房中都包括大量的電腦,對於這種場所的電力供應,都要求供電系統必須在所有的時間都有效,擴充容易,維護簡便,容錯力強,最重要的是性價比高。

數據中心機房是現代資訊化建設的基礎工程,為各個業務提供穩定、安全的工作環境,而機房的供配電系統,就是這基礎工程的心臟和大動脈,供配電系統的穩定,能夠保障其它系統發揮作用,和核心業務正常運行。

系統不同於一般建築的供配電系統,它是一個交叉的系統,涉及到電力公司供電、防雷接地、防靜電、UPS不間斷供電、發電機等,各個系統互相交叉,互有影響,這就使我們在設計時,必須考慮多方面的因素。


二、設計標準
數據中心有專門的設計標準,全球第一個綜合性的數據中心電信基礎標準 TIA-942 《數據中心電信基礎設施標準》,是2005年 4 月由美國電信產業協會(TIA)、TIA技術工程委員會(TR42)和美國國家標準學會(ANSI)批准的。

設計一個數據中心,首先需要根據使用端重要性,和業主對數據中心可靠性、安全性等的具體需求,確定機房等級,再按照相應等級確定適合的供配電系統。

機房設備應該建立標準規範,台灣電信工程同業公會正在推動電信技師制度,是讓弱電走上規範化的正確做法。


三、設計原則
數據中心供配電系統設計,應執行或參照執行產業相關標準、規範,並可參考國際相關標準、規範,結合考慮數據中心用電負荷密度高、供電可靠性要求高等特性,採取適當的技術措施。同時,應滿足項目建設單位的企業標準、規範的要求。

數據中心供配電系統設計,應遵循分區、分級的原則,同一功能區域內的各類設備的供電可靠性,應能保證所有設備,能夠按照該區域標準的要求運行,並將供配電系統局部故障的影響面,控制在盡可能小的範圍。

數據中心用電負荷密度高、總量大,其供配電系統設計中,應充分運用成熟有效的節能措施,降低供配電系統的損耗。


四、數據中心機房供配電系統需求分析
隨著資訊技術的迅速發展,和網路的普及,社會各界對資訊系統的應用越來越廣泛,資訊和數據量呈幾何級成長,由此對數據中心的需求日益增加,對數據中心的要求也不斷提高,資訊設備功能越來越強,功率密度越來越高。

數據中心設備機櫃用電負荷,由以前的 2kVA/台,提高到3kVA/台、4kVA/台,甚至更高。機房單位面積的平均用電負荷,也由1kVA每平方,提高到1.5kVA每平方、2kVA每平方,甚至更高。

數據中心用電負荷的統計,應分為兩個層次,即:UPS 供電系統負荷(輸出),和電力公司供電系統負荷。 電力公司供電系統負荷(輸出)的統計,主要包括:UPS 供電系統(輸入)、機房精密空調系統、機房照明及建築電氣設備等。

UPS供電系統負荷(輸入) = 供電負荷 + 充電負荷。機房精密空調系統負荷 = N台主用空調機組額定負荷容量 × 負荷率。

UPS 供電系統負荷(輸出)的統計,主要包括:電腦設備、服務器、儲存、網路設備、小型機等,在負荷設備明確時,按設備數據統計,具體負荷設備不明確時,按設備機櫃平均負荷統計。設備機櫃數量也不明確時,可按機房面積平均負荷估計。
五、數據中心機房供配電系統設計
5.1、供配電系統的佈置
數據中心機房供配電系統主要設備有:UPS、電池、配電櫃和發電機等。這些設備單位佔地面積、重量大,對於這些設備的擺放位置既要考慮功能上的需求,又要考慮空間和承重的需要,還要考慮對外界的危害。

數據中心機房供電系統,應有獨立的配電間、變配電所,UPS 電源機房應靠近設備機房(負荷中心)佈置,這樣能保證從 UPS輸出到用電設備之間的壓降,和損耗盡可能的小。

UPS 電源主機、配電櫃與蓄電池組是否需要分隔,按照數據中心等級的要求決定,另外還需要考慮到 UPS 屬於大型設備,重量比較大,噪聲大,需要擺放在一個承重比較好,並且不影響辦公和休息環境的地方。

配電櫃位置的選擇,主要考慮功能上的需求,配電櫃應在滿足功能分區的基礎上,盡可能靠近供電負載。發電機房宜設置在地面一層,當發電機房設置於地下層時,應特別注意進、出風通道能否滿足要求,應注意發電機組儲油裝置(日用油箱、儲油罐)的消防要求。

變配電所、發電機房、UPS 電源機房,均應留有足夠的面積,可與設備機房同步發展,應對設備機房面積擴展,或設備機房功率密度上升,引起的供電需求。

於非專門設計用於數據中心的建築,應注意其是否滿足設備安裝,和線路敷設的要求,包括樓面荷載、淨高、抗震等級、耐火等級等方面。
5.2、供配電系統設計
5.2.1、電力公司動力配電系統設計
電力公司動力配電主要用於,供給機房精密空調設備、普通照明和給排風、維修插座、一般動力、UPS設備等。市電動力配電一般由大樓總配電櫃饋出的動力供配電系統,採用 50Hz 交電,380/220V 三相五線電源,TN-S 接地方式,零線和地線分開設置,且零地線之間電壓小於 1V。

一般可靠性要求數據中心,宜引入兩路電力公司電源,條件受限制時,也可引入一路電力公司電源。引入兩路電力公司電源時,宜為冗餘關係,也可作為供電容量擴展關係。

每一路電力公司電源的供電容量,應能滿足全部一、二級負荷的需求,包括 UPS 電源系統、機房精密空調、機房照明、蓄電池充電,及建築設備中的一、二級負荷。兩路電力公司電源的供電容量應為全冗餘,正常時應同時供電運行,兩路電源在負荷設備輸入端自動切換。

電力公司動力配電櫃,一般採用放射式配電,直接配至各用電設備或電箱,機房內所有動力配電線纜,必須設計橋架或鋼管敷設,電力公司動力配電櫃,具有火警聯動保護功能,出現火警時,可與消防系統聯動及時切斷電源,動力配電櫃、照明箱內的開關和主要元器件應設置有效的防雷措施


5.2.2、自備應急電源系統設計
數據中心一般採用發電機組作為自備應急電源,對於大型、高等級數據中心,也可以選擇可靠性高、輸出電源品質好、帶非線性負載能力強、體積小、重量輕的大功率燃氣輪機發電機組。一般可靠性要求的數據中心,宜配置一路自備應急電源,供電容量應能滿足全部一、二級負荷的需求,包括 UPS 電源系統、機房空調、機房照明、蓄電池充電,及建築設備中的一、二級負荷。

當數據中心條件受限制,且電力公司電源具有較高可靠性時,也可以部分或全部,採用移動式發電機組,作為自備應急電源。發電機組燃料儲備量,應根據數據中心等級的要求,結合電力公司電源可靠性、供油可靠性、消防要求綜合決定,一般不宜少於發電機組,滿負荷運行 8 小時的用油量。

5.2.3、UPS 供配電系統設計
UPS配電主要用於電腦設備、伺服器、小型機、儲存、網路設備、保全監控設備等。UPS 電源系統輸出,一般採用三級配電方式:系統輸出配電櫃 - 機房配電櫃 - 機櫃配電單元。

UPS電源系統蓄電池組容量的計算方法,有以下兩種:
(1) 按負荷電流計算

(2) 按負荷功率計算
按負荷電流計算的結果,是蓄電池組的總容量,然後再選擇單組蓄電池的容量和組數。按負荷功率計算的結果,是選定容量規格的蓄電池組數。兩種計算方法的結果可互相校驗。

對於單電源輸入設備,即使已採用雙單元冗餘 UPS 電源系統,也宜將其連接在其中一個單元上。對於雙單元冗餘 UPS 電源系統,可將其每個單元中的部分容量,視為並聯冗餘性質。

對於需要雙迴路供電的單電源輸入設備,宜在其輸入端設置靜態轉換開關 STS。靜態轉換開關 STS 的性能,應能滿足其要求,一般轉換時間小於 5~10ms。

當負荷設備對零-地電壓要求較高時,可在機房配電櫃設置隔離變壓器。有時候,為保證 UPS 故障旁路後,輸出高品質電源,往往在 UPS 旁路輸出端設置隔離變壓器。


數據中心 UPS 供配電系統,一般採用冗餘方式供電,很少採用單機供電。冗餘方式供電能在一台 UPS 設備故障時,仍然能夠滿足機房內重要設備的用電需求,這是單機供電所不能達到的。從冗餘式配置方案來看,常用的有以下幾種方式:

(1)、熱備份式冗餘 UPS 供電方式
主機帶負載,備機空載,或帶非重要負載,備機接入主機的BYPASS(旁路)輸入端。這種方式佈置比較靈活,不需要兩台 UPS 同品牌,而且不要增加額外輔助電路,不增加購置成本。

如果UPS主機發生了故障,那麼 UPS 備機必須接替全部負載,這也就意味著設計時,必須計算好 UPS 主機故障時,UPS 備機所需承擔的總負載。

此方式的缺陷在於 UPS 備機得具有階躍性負載承載能力,無法對電源系統進行擴容,兩台容量不同的 UPS 相聯,只能按最小的 UPS 容量輸出。

(2)、直接並機冗餘 UPS 供電方式
為克服熱備份式冗餘供電系統的弱點,隨著 UPS 控制技術的進步,具有相同額定輸出功率的 UPS 可直接並聯,而形成冗餘供電系統,為保證高品質的並機系統,各電源間必須保持同頻、同相、且各機均流。

此供電方式瞬間過載能力強,能夠自動均分功率,系統互為主備,提高供電可靠性,電源系統擴充方便。但是存在著環流,增加無功損耗,降低系統可靠性,需增加額外輔助電路,隨之而來是增加成本,增加故障點。

設計時,如 2 台互備,每台按照 50% 帶載能力考慮,並聯的主機越多,單台主機的帶載能力就越低。

(3)、雙總線冗餘供電方式
雙總線供電方式,是採用兩條總線,對後端設備進行供電,每條總線上,具有相同的一套 UPS 供電方式,消除可能出現在 UPS 輸出端,與最終用戶負載端之間的「單點瓶頸」故障隱憂,以提高輸出電源供電系統的「容錯」功能。

此供電方式能夠在線上維護,在線上擴充,在線上升級,改善了重要總線的可用性,滿足了雙電源用電設備的需求,真正實現了 7×24×365 運行的目標。

但是雙總線冗餘供電方式,相當於搭建了兩套前述供電方式的迴路,需要增加 2 倍以上的成本。同時,為滿足單電源設備的供電需求,可在輸出端安裝 STS,來保證供電輸出的可靠性。


5.3、供配電設備的安裝和線路敷設
機房 UPS、精密空調電源系統輸入,應設置專用的輸入配電櫃。電源系統輸入配電櫃,應引接兩路電源、自動切換。

UPS 電源主機的主電源和旁路電源,應分別引入,並宜由不同的輸入配電櫃引接。UPS 電源系統輸出應採用放射式、雙迴路配電方式。UPS 電源系統輸出應採用三相配電,末端分相,以利三相平衡。

機房配電櫃、UPS 電源櫃落地安裝,動力配電箱、照明配電箱底邊距地 1.4m 牆上暗裝,配電櫃及其他電氣裝置的底座,應與建築樓地面牢靠固定,並接地,機房內應分別設置維修和測試用插座,且有明顯區別標誌,測試用電源插座應由 UPS 供電,維修插座由市電供電。

所有線路的鋪設,是要以設備佈局和設計圖紙為基礎進行,設計時考慮供電距離盡量短,機房內的電源線、信號線和通信線應分別鋪設,不能共走同一線槽,UPS 電源配電箱(櫃)引出的配電線路,穿鍍鋅鋼管,沿機房活動地板下,鋪設至各排網路或伺服器機櫃,使用插座或工業連接器,為機櫃供電。

5.4、可靠接地
數據中心應採用聯合接地方式,將圍繞建築物的環形接地體、建築物基礎地網,及變壓器地網用接地銅牌相互連通,重要機房內由銅編織帶組成聯合地網。

所有的配電櫃和配電箱的金屬框架,及基礎型鋼,必需接地(PE)可靠。門和框架的接地端子間用裸編銅線連接。

照明配電箱內的漏電保護器的動作電流,不大於 30mA,動作時間不大於 0.1s,接地(PE)支線必須單獨與接地(PE)幹線相連接,不得串聯連接,UPS電源櫃輸出端的中性線(N極),必須與由接地裝置,直接引來的接地幹線連接,作重複接地,聯合接地電阻小於4Ω,單獨接地小於1Ω,當燈具距地面高度小於 2.4m 時,燈具的可接近裸露導體,必須接地(PE)可靠,並應有專用接地螺栓和標識,外電源進線至機房電源管理間時,應將電纜的金屬外皮與接地裝置連接。

金屬電纜橋架及其支架,全長應不少於 2 處與接地(PE)幹線相連接,電纜橋架間連接板的兩端跨接銅芯接地線,接地線最小允許截面積不小於 6mm2,接地(PE)在插座間不串聯連接。

5.5、機房防靜電
由於靜電對電腦設備有較大影響,所以機房的防靜電技術就非常重要,目前,機房防靜電措施,主要是在機房地面鋪設防靜電地板,地板間通過橫梁精密連接成一個整體,並與地板下接地銅牌連接,地板基材採用全鋼、鋁合金、硫酸鈣等材質,機房牆面採用彩鋼板,或刷防靜電塗料,天花安裝金屬吊頂板,起到靜電屏蔽作用,防止外界強磁場的干擾。


5.6、末端 PDU
電源分配單元(PDU),顧名思義 PDU 應具備電源的分配,或附加管理的功能。電源的分配是指電流及電壓,和接口的分配,電源管理是指開關控制(包括遠端控制)、電路中的各種參數監視、線路切換、承載的限制、電源插口匹配安裝、線纜的整理、空間的管理及電湧防護和極性檢測。

由於數據中心的幾乎所有的 IT 設備,都已經或者將要放置在標準機櫃內,所以,PDU 作為機櫃的必備附件,也越來越受到相關各方的重視。 

PDU 電源分配器和普通電源排插相比,其優點主要表現在設計安排更合理、品質和標準更嚴格、安全無故障工作時間長、各類漏電、過電過載保護更優秀、插拔動作頻繁而不易損壞、熱升溫小、安裝更靈活方便,適合對用電要求很嚴格的行業客戶使用。也從根本上杜絕了普通電源排插的因接觸不良、負荷小而造成的頻繁斷電、燒毀、火災等安全隱憂。




六、總結
不同用途或等級的數據中心,對可靠性的要求不同,直接關係到數據中心的建設投資和營運成本。

數據中心供配電系統,是數據中心最重要的基礎設施,應在數據中心建設初期,予以統籌考慮和全面規劃,並根據數據中心對供電可靠性的要求,在供電電源選擇、供配電系統佈置、供配電系統結構和形式等方面,採取相應的技術措施。

同時,還應充分運用成熟有效的節能措施,降低供配電系統的損耗。若數據中心中存在不同等級的功能區域,在供配電系統設計中也應區別對待,以減少不必要的建設投資和營運成本。

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