摘要：現(xiàn)代的數(shù)據(jù)中心中都包括大量的計算機，對于這種場所的電力供應，都要求供電系統(tǒng)必須在所有的時間都有效，這就不同于一般建筑的供配電系統(tǒng)，它是一個交叉的系統(tǒng)，涉及到市電供電、防雷接地、防靜電、UPS不間斷供電、柴油發(fā)電機等，每個系統(tǒng)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(tǒng)概述

現(xiàn)代的數(shù)據(jù)中心機房中都包括大量的計算機，對于這種場所的電力供應，都要求供電系統(tǒng)必須在所有的時間都有效，擴容容易，維護簡便，容錯力強，最重要的是性價比高。數(shù)據(jù)中心機房是現(xiàn)代信息化建設的基礎工程，為各個業(yè)務提供穩(wěn)定、安全的工作環(huán)境，而機房的供配電系統(tǒng)就是這基礎工程的心臟和大動脈，供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定，能夠保障其它系統(tǒng)發(fā)揮作用和核心業(yè)務正常運行。系統(tǒng)不同于一般建筑的供配電系統(tǒng)，它是一個交叉的系統(tǒng)，涉及到市電供電、防雷接地、防靜電、UPS不間斷供電、柴油發(fā)電機等，各個系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心有專門的設計標準，全球第一個綜合性的數(shù)據(jù)中心電信基礎標準TIA-942?《數(shù)據(jù)中心電信基礎設施標準》，是2005年4月由美國電信產(chǎn)業(yè)協(xié)會(TIA)、TIA技術工程委員會(TR42)和美國國家標準學會(ANSI)批準的。國內(nèi)的相關規(guī)范和標準也是綜合國外標準以及國內(nèi)數(shù)據(jù)中心建設發(fā)展情況做出的，數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范GB?50174—2008《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》也于2008年l1月12日發(fā)布，2009年6月1日開始實施。

設計一個數(shù)據(jù)中心首先需要根據(jù)用戶重要性和業(yè)主對數(shù)據(jù)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(tǒng)。國內(nèi)的數(shù)據(jù)中心首先需要滿足國內(nèi)規(guī)范的要求。GB?50174—2008中關于數(shù)據(jù)中心的分級規(guī)定如下：電子信息系統(tǒng)機房應劃分為A、B、C三級。設計時應根據(jù)機房的使用性質、管理要求及其在經(jīng)濟和社會中的重要性質確定所屬級別。

三、設計原則

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設計應執(zhí)行或參照執(zhí)行國家和行業(yè)相關標準、規(guī)范，并可參考國外相關標準、規(guī)范，結合考慮數(shù)據(jù)中心用電負荷密度高、供電可靠性要求高等特性采取適當?shù)募夹g措施。同時，應滿足項目建設單位的企業(yè)標準、規(guī)范的要求。

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設計應遵循分區(qū)、分級的原則，同一功能區(qū)域內(nèi)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(qū)域標準的要求運行，并將供配電系統(tǒng)局部故障的影響面控制在盡可能小的范圍。

數(shù)據(jù)中心用電負荷密度高、總量大，其供配電系統(tǒng)設計中應充分運用成熟有效的節(jié)能措施，降低供配電系統(tǒng)的損耗。

四、數(shù)據(jù)中心機房供配電系統(tǒng)需求分析

隨著信息技術的迅速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的普及，社會各界對信息系統(tǒng)的應用越來越廣泛，信息和數(shù)據(jù)量呈幾何級增長，由此對數(shù)據(jù)中心的需求日益增加，對數(shù)據(jù)中心的要求也不斷提高，信息設備功能越來越強，功率密度越來越高。數(shù)據(jù)中心設備機柜用電負荷由以前的2kVA/臺，提高到3kVA/臺、4kVA/臺，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(shù)據(jù)中心用電負荷的統(tǒng)計應分為兩個層次，即：UPS?供電系統(tǒng)負荷(輸出)和市電供電系統(tǒng)負荷。?市電供電系統(tǒng)負荷(輸出)的統(tǒng)計主要包括：UPS?供電系統(tǒng)(輸入)、機房精密空調系統(tǒng)、機房照明及建筑電氣設備等。UPS供電系統(tǒng)負荷(輸入)＝供電負荷+充電負荷。機房精密空調系統(tǒng)負荷＝N臺主用空調機組額定負荷容量×負荷率。UPS供電系統(tǒng)負荷(輸出)的統(tǒng)計主要包括：計算機設備、服務器、存儲、網(wǎng)絡設備、小型機等，在負荷設備明確時，按設備數(shù)據(jù)統(tǒng)計，具體負荷設備不明確時，按設備機柜平均負荷統(tǒng)計。設備機柜數(shù)量也不明確時，可按機房面積平均負荷估計。

五、數(shù)據(jù)中心機房供配電系統(tǒng)設計

5.1、供配電系統(tǒng)的布置?
數(shù)據(jù)中心機房供配電系統(tǒng)主要設備有：UPS、電池、配電柜和柴油發(fā)電機等。這些設備單位占地面積、重量大，對于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(shù)據(jù)中心機房供電系統(tǒng)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)布置，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、配電柜與蓄電池組是否需要分隔，按照數(shù)據(jù)中心等級的要求決定，另外還需要考慮到UPS屬于大型設備，重量比較大，噪聲大，需要擺放在一個承重比較好，并且不影響辦公和休息環(huán)境的地方。配電柜位置的選擇，主要考慮功能上的需求，配電柜應在滿足功能分區(qū)的基礎上，盡可能靠近供電負載。發(fā)電機房宜設置在地面一層，當發(fā)電機房設置于地下層時，應特別注意進、出風通道能否滿足要求，應注意發(fā)電機組儲油裝置（日用油箱、儲油罐）的消防要求。

變配電所、發(fā)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(fā)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。于非專門設計用于數(shù)據(jù)中心的建筑，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、凈高、抗震等級、耐火等級等方面。

5.2、供配電系統(tǒng)設計?

5.2.1、市電動力配電系統(tǒng)設計

市電動力配電主要用于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柜饋出的動力供配電系統(tǒng)，采用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于1V。

一般可靠性要求數(shù)據(jù)中心宜引入兩路市電電源，條件受限制時也可引入一路市電電源。引入兩路市電電源時，宜為冗余關系，也可作為供電容量擴展關系。

每一路市電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(tǒng)、機房精密空調、機房照明、蓄電池充電及建筑設備中的一、二級負荷。兩路市電電源的供電容量應為全冗余，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。

市電動力配電柜一般采用放射式配電直接配至各用電設備或電箱，機房內(nèi)所有動力配電線纜必須設計橋架或鋼管敷設，市電動力配電柜具有火警聯(lián)動保護功能，出現(xiàn)火警時可與消防系統(tǒng)聯(lián)動及時切斷電源，動力配電柜、照明箱內(nèi)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(tǒng)設計??

數(shù)據(jù)中心一般采用柴油發(fā)電機組作為自備應急電源，對于大型、高等級數(shù)據(jù)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(fā)電機組。一般可靠性要求的數(shù)據(jù)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(tǒng)、機房空調、機房照明、蓄電池充電及建筑設備中的一、二級負荷。當數(shù)據(jù)中心條件受限制，且市電電源具有較高可靠性時，也可以部分或全部采用移動式發(fā)電機組作為自備應急電源。發(fā)電機組燃料儲備量應根據(jù)數(shù)據(jù)中心等級的要求，結合市電電源可靠性、供油可靠性、消防要求綜合決定，一般不宜少于發(fā)電機組滿負荷運行8小時的用油量。

5.2.3、UPS供配電系統(tǒng)設計??
　　UPS配電主要用于計算機設備、服務器、小型機、存儲、網(wǎng)絡設備、保安監(jiān)控設備等。UPS?電源系統(tǒng)輸出一般采用三級配電方式：系統(tǒng)輸出配電柜－機房配電柜－機柜配電單元。

UPS電源系統(tǒng)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，然后再選擇單組蓄電池的容量和組數(shù)。按負荷功率計算的結果是選定容量規(guī)格的蓄電池組數(shù)。兩種計算方法的結果可互相校驗。

對于單電源輸入設備，即使已采用雙單元冗余UPS?電源系統(tǒng)，也宜將其連接在其中一個單元上。對于雙單元冗余UPS電源系統(tǒng)，可將其每個單元中的部分容量視為并聯(lián)冗余性質。對于需要雙回路供電的單電源輸入設備，宜在其輸入端設置靜態(tài)轉換開關STS。靜態(tài)轉換開關STS?的性能應能滿足其要求，一般轉換時間小于5～10ms。

當負荷設備對零－地電壓要求較高時，可在機房配電柜設置隔離變壓器。有時候，為保證UPS故障旁路后輸出高質量電源，往往在UPS旁路輸出端設置隔離變壓器。

數(shù)據(jù)中心UPS供配電系統(tǒng)一般采用冗余方式供電，很少采用單機供電。冗余方式供電能在一臺UPS設備故障時，仍然能夠滿足機房內(nèi)重要設備的用電需求，這是單機供電所不能達到的。從冗余式配置方案來看，常用的有以下幾種方式：

(1)、熱備份式冗余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。這種方式布置比較靈活，不需要兩臺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(fā)生了故障，那么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。此方式的缺陷在于UPS備機得具有階躍性負載承載能力，無法對電源系統(tǒng)進行擴容，兩臺容量不同的UPS相聯(lián)，只能按最小的UPS容量輸出。

(2)、直接并機冗余UPS供電方式?

為克服熱備份式冗余供電系統(tǒng)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可直接并聯(lián)而形成冗余供電系統(tǒng)，為保證高質量的并機系統(tǒng)，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(tǒng)互為主備，提高供電可靠性，電源系統(tǒng)擴容方便。但是存在著環(huán)流，增加無功損耗，降低系統(tǒng)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臺互備，每臺按照50%帶載能力考慮，并聯(lián)的主機越多，單臺主機的帶載能力就越低。

(3)、雙總線冗余供電方式?

雙總線供電方式是采用兩條總線對后端設備進行供電，每條總線上具有相同的一套UPS供電方式，消除可能出現(xiàn)在UPS輸出端與最終用戶負載端之間的“單點瓶頸”故障隱患，以提高輸出電源供電系統(tǒng)的“容錯”功能。此供電方式能夠在線維護，在線擴容，在線升級，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(xiàn)了7×24×365運行的目標。但是雙總線冗余供電方式相當于搭建了兩套前述供電方式的回路，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(tǒng)輸入應設置專用的輸入配電柜。電源系統(tǒng)輸入配電柜應引接兩路電源、自動切換。UPS?電源主機的主電源和旁路電源應分別引入，并宜由不同的輸入配電柜引接。UPS電源系統(tǒng)輸出應采用放射式、雙回路配電方式。UPS?電源系統(tǒng)輸出應采用三相配電，末端分相，以利三相平衡。

機房配電柜、UPS電源柜落地安裝，動力配電箱、照明配電箱底邊距地1.4m墻上暗裝，配電柜及其他電氣裝置的底座應與建筑樓地面牢靠固定，并接地，機房內(nèi)應分別設置維修和測試用插座，且有明顯區(qū)別標志，測試用電源插座應由UPS供電，維修插座由市電供電。所有線路的敷設是要以設備布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(nèi)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(柜)引出的配電線路，穿鍍鋅鋼管，沿機房活動地板下敷設至各排網(wǎng)絡或服務器機柜，使用插座或工業(yè)連接器為機柜供電。?　?

5.4、可靠接地?
　　數(shù)據(jù)中心應采用聯(lián)合接地方式，將圍繞建筑物的環(huán)形接地體、建筑物基礎地網(wǎng)及變壓器地網(wǎng)用接地銅牌相互連通，重要機房內(nèi)由銅編織帶組成聯(lián)合地網(wǎng)。所有的配電柜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(nèi)的漏電保護器的動作電流不大于30mA，動作時間不大于0.1s，接地(PE)支線必須單獨與接地(PE)干線相連接，不得串聯(lián)連接，UPS電源柜輸出端的中性線(N極)，必須與由接地裝置直接引來的接地干線連接，作重復接地，聯(lián)合接地電阻小于4Ω，單獨接地小于1Ω，當燈具距地面高度小于2.4m時，燈具的可接近裸露導體必須接地(PE)可靠，并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于2處與接地(PE)干線相連接，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于6mm2，接地(PE)在插座間不串聯(lián)連接。

5.5、機房防靜電

由于靜電對計算機設備有較大影響，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敷設防靜電地板，地板間通過橫梁精密連接成一個整體，并與地板下接地銅牌連接，地板基材采用全鋼、鋁合金、硫酸鈣等材質，機房墻面采用彩鋼板或刷防靜電涂料，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。

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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(包括遠程控制)、電路中的各種參數(shù)監(jiān)視、線路切換、承載的限制、電源插口匹配安裝、線纜的整理、空間的管理及電涌防護和極性檢測。由于數(shù)據(jù)中心的幾乎所有的IT設備都已經(jīng)或者將要放置在標準機柜內(nèi)，所以，PDU作為機柜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(yōu)點主要表現(xiàn)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(yōu)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(yè)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、火災等安全隱患。

六、結束語

不同用途或等級的數(shù)據(jù)中心對可靠性的要求不同，直接關系到數(shù)據(jù)中心的建設投資和運營成本。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心最重要的基礎設施，應在數(shù)據(jù)中心建設初期予以統(tǒng)籌考慮和全面規(guī)劃，并根據(jù)數(shù)據(jù)中心對供電可靠性的要求，在供電電源選擇、供配電系統(tǒng)布置、供配電系統(tǒng)結構和形式等方面采取相應的技術措施。同時，還應充分運用成熟有效的節(jié)能措施，降低供配電系統(tǒng)的損耗。若數(shù)據(jù)中心中存在不同等級的功能區(qū)域，在供配電系統(tǒng)設計中也應區(qū)別對待，以減少不必要的建設投資和運營成本。

編輯：黃飛