數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電需求有哪些？供配電系統(tǒng)如何布置？(idc行業(yè)資訊)

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數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)是一個(gè)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(jī)等，每個(gè)系統(tǒng)互相交叉，互有影響，這就使我們在布置時(shí)必須考慮多方面的因素，機(jī)房的供配電系統(tǒng)就是這基礎(chǔ)工程的心臟和大動(dòng)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(wù)正常運(yùn)行，下面了解一下機(jī)房供電需求及系統(tǒng)的布置方案。

數(shù)據(jù)中心典型高壓供電架構(gòu)

《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174—2017）規(guī)定：A級數(shù)據(jù)中心應(yīng)由雙重電源供電，并應(yīng)設(shè)置備用電源。備用電源宜采用獨(dú)立于正常電源的柴油發(fā)電機(jī)組，也可采用供電網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立于正常電源的專用饋電線路。當(dāng)正常電源發(fā)生故障時(shí)，備用電源應(yīng)能承擔(dān)數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行所需要的用電負(fù)荷。

當(dāng)前，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心無論機(jī)房外部市電電壓等級為多少，機(jī)房內(nèi)部的高壓配電系統(tǒng)基本以2N架構(gòu)的10KV系統(tǒng)為主，且隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心容量規(guī)模也越來越大，大型數(shù)據(jù)中心基本配置高壓柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。其中典型架構(gòu)如圖1所示。

圖1 供配電系統(tǒng)典型架構(gòu)

在上述供配電系統(tǒng)架構(gòu)中，為避免日常狀態(tài)下備用電源啟用對電網(wǎng)的影響，通常對市電電源與備用柴油發(fā)電電源進(jìn)行邏輯與機(jī)械互鎖的設(shè)計(jì)，形成“2N+1”的兩路市電主用電源與柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)備用電源供電架構(gòu)，此架構(gòu)的穩(wěn)定性、可用性較高，在當(dāng)前數(shù)據(jù)中心建設(shè)中廣泛使用。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)需求分析

隨著數(shù)據(jù)中心的要求也不斷提高，信息設(shè)備功能越來越強(qiáng)，功率密度越來越高。數(shù)據(jù)中心設(shè)備機(jī)柜用電負(fù)荷由以前的2kVA/臺，提高到3kVA/臺、4kVA/臺，甚至更高。機(jī)房單位面積的平均用電負(fù)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(fù)荷的統(tǒng)計(jì)應(yīng)分為兩個(gè)層次，即：UPS 供電系統(tǒng)負(fù)荷(輸出)和市電供電系統(tǒng)負(fù)荷。

市電供電系統(tǒng)負(fù)荷(輸出)的統(tǒng)計(jì)主要包括：UPS 供電系統(tǒng)(輸入)、機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)、機(jī)房照明及建筑電氣設(shè)備等。UPS供電系統(tǒng)負(fù)荷(輸入)=供電負(fù)荷+充電負(fù)荷。機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷=N臺主用空調(diào)機(jī)組額定負(fù)荷容量×負(fù)荷率。

UPS供電系統(tǒng)負(fù)荷(輸出)的統(tǒng)計(jì)主要包括：計(jì)算機(jī)設(shè)備、服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、小型機(jī)等，在負(fù)荷設(shè)備明確時(shí)，按設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，具體負(fù)荷設(shè)備不明確時(shí)，按設(shè)備機(jī)柜平均負(fù)荷統(tǒng)計(jì)。設(shè)備機(jī)柜數(shù)量也不明確時(shí)，可按機(jī)房面積平均負(fù)荷估計(jì)。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)的布置

數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)主要設(shè)備有：UPS、電池、配電柜和柴油發(fā)電機(jī)等。這些設(shè)備單位占地面積、重量大，對于這些設(shè)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(jī)房供電系統(tǒng)應(yīng)有獨(dú)立的配電間、變配電所，UPS 電源機(jī)房應(yīng)靠近設(shè)備機(jī)房(負(fù)荷中心)布置，這樣能保證從UPS輸出到用電設(shè)備之間的壓降和損耗盡可能的小。

UPS 電源主機(jī)、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(shè)備，重量比較大，噪聲大，需要擺放在一個(gè)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(yīng)在滿足功能分區(qū)的基礎(chǔ)上，盡可能靠近供電負(fù)載。發(fā)電機(jī)房宜設(shè)置在地面一層，當(dāng)發(fā)電機(jī)房設(shè)置于地下層時(shí)，應(yīng)特別注意進(jìn)、出風(fēng)通道能否滿足要求，應(yīng)注意發(fā)電機(jī)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(jī)房、UPS 電源機(jī)房均應(yīng)留有足夠的面積，可與設(shè)備機(jī)房同步發(fā)展，應(yīng)對設(shè)備機(jī)房面積擴(kuò)展或設(shè)備機(jī)房功率密度上升引起的供電需求。于非專門設(shè)計(jì)用于數(shù)據(jù)中心的建筑，應(yīng)注意其是否滿足設(shè)備安裝和線路敷設(shè)的要求，包括樓面荷載、凈高、抗震等級、耐火等級等方面。

柴油發(fā)電帶載測試出現(xiàn)的問題

數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)帶載測試時(shí)，存在重要業(yè)務(wù)機(jī)房的供電安全問題，這一直是運(yùn)維人員頭頂懸著的“一把劍”。筆者認(rèn)為，這是供配電架構(gòu)、市電與柴油發(fā)電機(jī)切換邏輯、不間斷電源蓄電池后備保障時(shí)長等因素決定的。

《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174—2017）規(guī)定，2N系統(tǒng)的兩路市電與柴油發(fā)電機(jī)為主備關(guān)系，一般市電與柴油發(fā)電機(jī)的邏輯關(guān)系為當(dāng)兩路市電都停電時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)對后端負(fù)載進(jìn)行供電保障。因控制邏輯判斷、信號接收、斷路器分合閘動(dòng)作等時(shí)延因素，在市電切換柴油發(fā)電機(jī)的過程中，存在幾十秒甚至數(shù)分鐘的時(shí)間差。在某數(shù)據(jù)中心實(shí)測，10KV高壓ATS切換系統(tǒng)市電停電切換至柴油發(fā)電機(jī)供電用時(shí)約19秒；市電來電恢復(fù)，柴油發(fā)電機(jī)切換至市電用時(shí)約16秒。在市電與柴油發(fā)電機(jī)相互切換的停電過程中，負(fù)載業(yè)務(wù)的供電由交流或直流不間斷電源的后備蓄電池進(jìn)行保障?！稊?shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174—2017）規(guī)定，當(dāng)以柴油發(fā)電機(jī)為后備電源時(shí)，A級數(shù)據(jù)中心蓄電池最少備用時(shí)間為15分鐘。理論上不間斷電源蓄電池的后備保障時(shí)長，足以保障市電與柴油發(fā)電機(jī)的切換時(shí)間。

眾所周知，蓄電池是通過內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的方式進(jìn)行充放電，其為一個(gè)極不穩(wěn)定的故障點(diǎn)。在筆者多年的電源維護(hù)工作經(jīng)歷中，曾遇到過上個(gè)月剛做完全蓄電池容量測試且數(shù)據(jù)顯示電池組放電性能良好，次月在柴油發(fā)電機(jī)帶載應(yīng)急演練市電、柴油發(fā)電機(jī)切換過程中，部分電池組中因個(gè)別單體電池故障，影響后端業(yè)務(wù)供電正常的情況。個(gè)人認(rèn)為此種情況并非個(gè)例，特別是在蓄電池組接近報(bào)廢年限的不間斷供電系統(tǒng)中，問題尤為突出。因此，數(shù)據(jù)中心機(jī)房柴油發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行給運(yùn)維人員帶來的壓力可想而知。

通常的解決方案

為避免上述情況的發(fā)生，目前國內(nèi)通常的做法是在數(shù)據(jù)中心建設(shè)初期，配置一套假負(fù)載裝置，以供后期運(yùn)維油機(jī)帶載測試。此方法對小型數(shù)據(jù)中心而言比較適用，但大中型數(shù)據(jù)中心容量較大，一般都配置10多臺甚至數(shù)十臺高功率柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行并機(jī)，以滿足后端負(fù)載供電；而假負(fù)載裝置的容量一般僅能滿足單臺油機(jī)滿負(fù)載帶載測試，無法滿足柴油發(fā)電機(jī)整個(gè)并機(jī)系統(tǒng)的滿負(fù)載測試，因而達(dá)不到測試要求。此外，與真實(shí)負(fù)載存在變化與波動(dòng)相比，假負(fù)載的電能性質(zhì)及負(fù)載容量比較穩(wěn)定，因此，假負(fù)載帶載測試無法真實(shí)測試數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電系統(tǒng)是否滿足供電要求。

總結(jié)：

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(chǔ)設(shè)施，應(yīng)在數(shù)據(jù)中心建設(shè)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(jié)構(gòu)和形式等方面采取相應(yīng)的技術(shù)措施。同時(shí)，還應(yīng)充分運(yùn)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(shè)計(jì)中也應(yīng)區(qū)別對待，以減少不必要的建設(shè)投資和運(yùn)營成本。

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