數據中心建設電氣系統的新技術

文｜中鐵建工集團諾德投資公司 單云

隨著信息化的發展，數據中心的規模越來越大，要求越來越高。用戶對數據中心的可靠性、可用性需求也不斷提高。現代數據中心電氣系統建設一般要求具備如下原則：

(1）系統設計的先進性原則——在首先保證可靠性、安全性和可用性的前提下，盡量采用領先的技術和先進的設備。

(2）電氣系統要確保系統的安全、可靠性原則——采用高可靠性標準進行電氣系統的設計，使系統應具備在當前條件下和規定時間內完成規定功能的能力；

(3）系統應該具備方便的可管理性原則——為了滿足可管理性的要求，電氣系統應具備比較強的集中式管理和可進行分布式實施的需要

(4）系統應該具備較高的靈活性和滿足未來發展的需要——電氣系統應具有可持續發展的能力，并在系統上具有較大的靈活性。

為實現上述建設原則，在數據中心電氣系統建設過程中，需采取各種措施及手段來保障數據中心功能的實現。設計及建設中在充分利用傳統電氣技術的同時，很多的新技術、新理念不斷涌現并得到實施，并得到很好的積極的效果。下面從幾個方面進行闡述。

一、UPS雙總線系統的使用

一般傳統或簡單的機房采用簡單的UPS設置方式，這種情況下一般來說設備不太重要，相當于國家標準《電子信息系統機房設計規范》（GB50174-2008）中C級機房或B級機房的標準，UPS的配置示意圖如下：

而現代數據中心的特點是設備越來越密集，規模越來越大，要求越來越高，相當于國家標準《電子信息系統機房設計規范》（GB50174-2008）中A級機房或國際標準TIA942中Tier 4或Tier 3的級別。其最基本的要求是實現數據中心關鍵設備的持續不斷電，而傳統的UPS配置模式N或N+1的方式由于存在單點故障的環節，因此不能滿足設備工作的要求。

要想提高現代數據中心可用性，達到不斷電的要求，其最基本的方法是實現系統的無單點故障，而UPS的設置是其中最關鍵的環節，因此在這種條件下，UPS設備的雙總線容錯系統應運而生。

所謂容錯系統就是為了滿足同一功能，配置兩套或者兩套以上的相同配置的系統，在任何時候至少有兩套系統在工作。按容錯系統配置的場地設備，至少能經受一次該系統在出現突發的設備故障和認為失誤操作時，不中斷系統的運行。

見下圖。

事實上不但是UPS系統實現系統冗余，前級配電柜及變壓器等均設計冗余系統，這樣保證了全系統沒有任何單點（系統的單點故障不影響對生產用計算機負載的連續供電）。從大樓進線電源→高壓配電柜→變壓器→低壓配電柜→UPS電源輸入總柜→UPS電源→UPS電源輸出總柜→UPS電源分配柜→開關→電纜→插座等，從始至終均為A、B兩組雙備份。

當其中一組UPS發生故障時，該組UPS系統超負荷，則由另一組UPS承擔全負荷，以滿足計算機設備的正常運行。

由于UPS配電系統各級配電柜與UPS系統配套均為雙備份，因此配電系統的任何元器件的故障不會影響機房的正常供電。

對于只能接受單電源的計算機設備，UPS配電采取增加無間斷時間的靜態切換開關，以保證這部分設備能在一組正在使用的UPS電源發生故障時，自動切換到另一組UPS供電，而不造成設備斷電。

同時A、B兩組UPS設備采取實體隔離的方式，布置在兩個相互獨立的房間內，不同的氣體滅火分區。因此當其中一個房間火災等意外情況的發生，不會影響到另一個房間系統的正常運行。

這種設置能保障系統的高可靠性，提供系統的可用性。

二、智能監控配電柜的使用

由于現代數據中心IT設備如服務器等越來越多，因此傳統的電力人工監控方式已逐漸不能滿足要求，取而代之的是帶智能監控功能的智能配電柜，這種監控系統的特點是能監控到每一個輸出支路的開關狀態以及電流電壓等各種參數。它具有如下基本特點：

實時監測功能：

1) 各相交流電壓和電流的有效值及零序電流；2) 各相交流諧波電壓及電壓諧波諧波百分比(包含到21 次諧波)；3) 交流頻率、功率因數；4) 各相全波有功功率、無功功率、視在功率及合相全波有功功率、無功功率、視在功率；5) 各相諧波有功功率、無功功率、視在功率及合相諧波全波有功功率、無功功率、視在功率；6) 全波有功電能、無功電能及諧波有功電能、無功電能(停電不丟失)；8) 各支路電流真有效值；9) 各支路開關狀態。

實時報警功能：

1) 各相電壓過壓、欠壓、失壓(可設置報警值)；2) 電壓相序錯誤、缺相、不平衡；3) 各相電流過流及零序過流(可設置報警值)；4) 各支路過流預警( 可設置報警值)；5) 各支路開路報警( 可設置屏蔽)；6) 系統總故障(有無源繼電器輸出)；7) 各擴展模塊通訊故障；8) 記錄保存各故障發生和恢復時間，停電不丟失。

通訊功能：

1）有上微機RS485 通訊接口,采用標準MODBUS 通訊協議，方便各種自動化組態接口；2）有擴展接口，強大擴展能力，可擴展其它功能模塊。

因此，配電柜具備上述智能監控功能后，用戶對配電柜主進電源以及各輸出分支回路能進行實時遠程管理，方便用戶實時監控及判斷，甚至于可通過自動方式根據設備用電的多少調整空調對該設備制冷量的提供大小，有效實現氣流組織，更好地實現節能管理。

三、開關在線更換技術的使用

通過此技術的使用，可實現配電柜不斷電情況下更換開關，大大減少系統修復時間，提高系統可用性。

要想提高系統的可用型，一種是延長無故障時間，一種是縮短系統可修復時間。而開關在線更換技術正是縮短系統可修復時間的好方法。由于能實現在線更換，因此當一個開關需要更換時，所在的配電柜不需要停電，同時更換開關的速度也非常快。

目前實現在線更換的技術有多種，這里只介紹一種：德國維納爾母線技術。

維納爾母線系統是世界上先進的母線間距標準化的系統，應用于低壓供配電開關設備及控制設備中，使母線起到既導電又能支持電氣元件的作用。它通過標準的母線系統與標準的轉換器，可使不同品牌、不同電流等級的斷路器、接觸器均可通過轉接器同時掛于母線上，有很高的通用性，即使在很小的空間，也能最大限度提供使用的靈活性。可實現系統的在線更換功能，大大降低系統的修復時間，提高電氣系統的可用性。

同時與傳統的布線方式比較，維納爾母線系統具有另外如下新的特點：

a)可實現調相——調節三相平衡；b)電氣性能提高——母線不打孔連接、不損傷銅排材質、能避免打孔發熱現象、熱穩定性高、不存在連接隱患；c)節省安裝空間——載流排兼作安裝支架，可節省安裝空間；d)安裝快捷、方便——掛接安裝、裝卸方便，省時省力；e)減少布線，易維護——便于更換元件及增加回路；f)外觀漂亮——排線簡單、線路簡潔清晰、整齊。

母線打孔連接與無孔連接比較圖示如下：

四、強電列頭柜內隔離變壓器的使用

所謂強電列頭柜，就是位于一排機柜的端頭，為按功能區或者整行、整列的機柜提供電源的設備。

由于數據中心內放置有大量的服務器設備，而大部分的服務器設備對于零地電壓要求較高，如果零地電壓差超出服務器的標稱范圍，服務器有可能不工作，而數據中心中由于各種各樣的原因，如諧波過大、三相不平衡、接地系統設置不當等，零地電壓差往往較大，而且很難解決。

而在數據中心強電列頭柜內加裝隔離變壓器，則能從根本上解決上述問題，因為列頭柜一般離服務器等用電設備較近，列頭柜內的隔離變壓器輸出端可以零地合一并做重復接地，這是解決零地電壓問題的最徹底的方法。但在選擇隔離變壓器時，應考慮其絕緣等級以及是否帶抑制諧波的K系數系列等，同時要考慮空載變壓器合閘時勵磁涌流的影響。

五、智能照明的使用

由于現代數據中心中監控中心或運維中心對燈光具有較高的要求，一則為不同工作場景的需要，另外為節能的需要，因此現代數據中心中監控中心或運維中心宜設計智能燈光系統。

燈光場景設置燈光場景的變化，要根據人的舒適程度和現場應用的實際需求來不斷設計和調整。在一般應用情況下，根據監控中心或運維中心工作的24小時連續性且白天和晚上對照度的需求又有所不同，考慮到節能增效又極大地滿足基本要求，可以預設幾種場景：可分為監視模式、研討模式、視頻模式、準備模式、休息模式、清掃模式等。

根據不同模式，調節不同的場景，在滿足不同場景工作的同時，有效地節約了大量能源。

結論

在現代數據中心中，還有很多新的技術，如電池監控、直流高壓技術、模塊化UPS技術、ATS旁路技術、智能PDU技術等，這里不再一一贅述。

總之，隨著現代數據中心的發展，電氣系統中先進的技術與理念將會不斷涌現并應用，并產生其積極的影響，最終提高數據中心的可靠性、可用性以及降低能源消耗，為用戶創造更好的價值。