3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網: ．淺談數據中心機房供電配電系統設計

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。