數據中心機房配電系統的分析

武 翔

（貴州省體育彩票管理中心，貴州 貴陽 550002）

0 引 言

數據中心是服務器機房、網絡數據交互設備、服務器機房輔助電子設備以及機房支持區域建筑物的總稱，主要任務是進行網絡數據的處理與交換，通過服務器儲存交流的數據。數據中心運行保障核心是電力的穩定供應和斷電情況下UPS（Uninterrupted Power Supply）的穩定運行保障。一旦電力不穩定，很容易對服務器機房造成損害，引起網絡的傳輸業務問題，甚至數據的丟失。而UPS的響應速度不佳、供電電壓不足和供電時間過短等，容易導致數據未備份或數據備份不完整問題，直接影響數據中心業務。所以，做好數據機房配電系統的設計與施工是數據中心建立時的重中之重[1]。

1 數據中心機房配電系統照明設計

數據中心機房配電系統照明設計主要的要求分為：光照強度、眩光控制、應急照明和配電箱四大類。

1.1 光照強度要求

在機房配電系統的照明設計中，光照強度需要按照國標，結合工程設計的實際情況進行調整。要求機房的光照強度不低于500 lux，輔助機房的光照強度不低于300 lux[2]。設計中應在保證光照強度的情況下優化燈具安放位置，如放置在兩排機柜中間，以提高整體美觀度。

1.2 眩光限制

數據中心機房對眩光限制的要求是：主要機房要求完全無眩光；一類輔助機房要求允許有輕微眩光[3]；二類輔助機房及以下要求允許有少量人眼能夠感受到的眩光。根據機房分類要求，將限制規劃為1、2、3級。

1.3 應急照明

數據中心機房配電系統中的應急照明系統主要由EPS（Emergency Power Supply）電源、照明燈泡和應急出口指示燈組成。當停電時控制器啟動逆變器，并運行輸出切換裝置，將供電狀態轉換為逆變器供電，從而通過EPS對數據中心進行照明。同時，斷電后由EPS連接的應急照明燈泡與應急出口指示燈開始工作，從而保證停電后的應急照明需求[4]。

1.4 照明配電箱要求

照明配電箱需要設置脫扣裝置，可以在接收到建筑內消防系統的聯動信號后切斷電源供應，防止出現二次電火災害。

2 數據中心機房配電系統UPS設計

2.1 UPS容量確定

數據中心機房的供電必須由UPS系統提供，而在UPS系統設計中，首先需要考慮額定容量是否滿足數據中心機房的整體需要。計算UPS基本容量的公式為：

其中E是UPS的基本容量，P是機房中設備的總負荷量，單位為kW/kVA。

在確定UPS容量時，需要比設備總負荷量多留出一部分余量的原因：一是提高UPS的額定閾值，防止設備出現功率波動后導致UPS額定容量不足，從而提高供電穩定性；二是為今后可能出現的設備升級或增加進行預留。

2.2 UPS輸入配電設計

首先將數據機房所在市電變電所中的兩臺變壓器配電柜輸出電引入UPS機房輸入柜，同時保證與發電機配電柜的電源切換能力，實現兩種配電柜的自動切換；在回路配電過程中，將除精密空調配電柜和應急冷凍機配電柜以外的用電設備通過不同的UPS回路分別配電，降低對設備的干擾；精密空調配電柜和應急冷凍機配電柜的電源，直接通過發電機和數據機房的配電器引入；如果數據中心規模較大，可以通過專用變壓器對電子設備的UPS進行專項配電，同時當數據中心的用電處于低負荷期時，也可以通過專用的低壓反饋線路對UPS進行供電。

2.3 UPS輸出配電設計

基于《電子信息系統機房設計規范》中“市電與柴油發電機應通過帶有旁路功能的自動轉換開關進行切換，且保證自動轉換開關在檢修時不影響電源切換”的規定[5]，在UPS的配電線路中，進線電源需要通過自動轉換開關進行UPS與發電機電源的自動切換。由于UPS進線柜尺寸相比ATS的尺寸要稍大，安裝時需要注意。數據中心機房作為重要的數據處理設施，需要保證容錯率。保障容錯率的方式是構建兩套及以上的服務器系統，通過最低同時存在兩套及以上服務器系統運行的方式來應對特殊情況，如設備故障、操作故障等，保證服務器機房的正常運行。常用的USP方向容錯系統搭建方式是并聯冗余方式，將同樣型號的UPS并聯，但額定負載只有一臺UPS大小[6]。當一臺UPS出現故障時，其他UPS依然可以繼續工作，保證穩定供電，從而提高供電的穩定性。此外，可以通過提高UPS的并聯數量進一步提高供電系統的可靠性。在并聯冗余供電方式中，主要分為2N和2（N+1）兩種供電方式，從而保證在任何時刻都有最低兩臺UPS提供穩定的供電。UPS一旦出現問題，可以通過自帶的內部維修旁路開關進行維修，維修效率較高。同時，在輸出配電柜上安裝并聯空開，可以輕松實現UPS的容量擴充，且不對當前UPS系統造成供電影響。如果需要對單臺UPS進行維護，可以關閉相應UPS的空開，在不對當前UPS系統造成影響的情況下安全維護這臺UPS。如果條件允許，UPS系統應當建立外部維修旁路，以保證對并聯系統的維修便捷性[7]。

在UPS對設備與機房進行供電的過程中，電源首先通過正常供電線路經過轉換開關和斷路器進入UPS。UPS通過輸出回路將電力輸送至配電柜，并通過專用的PDU（Power Distribution Unit）對數據機房進行供電。當電源出現故障時，啟動發電機的應急電源，通過轉換開關將電力輸送到斷路器，然后進入UPS的輸出回路，并從傳送到針對數據機房的配電輸出柜。而在電源故障發生到應急電源輸送至數據機房的間隔中，需要通過UPS對數據機房提供電源，保證數據的安全。UPS的電池容量需要最低維持機房運行15 min，以保證數據的備份，而大型機房則需要更高的電池容量。例如，省級公安系統的服務器機房的UPS電池容量可以給服務器機房提供3.5 h的運行時長，以保證服務器的數據備份能夠順利完成；當單臺UPS出現內部故障時，將這臺UPS旁接的空開斷開，并對UPS進行維修；當UPS的并聯冗余供電系統需要進行檢修時，UPS的整個輸入輸出線路通過斷路器斷開，電源通過外旁路繼續對PDU供電，進而可以在保證服務器正常運行的情況下安全檢修UPS[8]。

2.4 各終端的配電設計

為了防止中性線和PE線之間的電位差達不到設備的實用要求而導致設備損毀，PDU的進線處需要設置變壓器來降低電位差，以保障設備的正常使用。常見的PDU進線處變壓器方案為采用380～220 V額定數值的隔離變壓器引出新的中性線，從而保證電位差的穩定。如同UPS的并聯冗余系統一樣，數據機房系統也使用2N的雙路冗余線路系統，PDU數量為最低兩個的偶數，每個MCB（Main Circuit Breaker，微型斷路器）對應一個機柜電源，也就是UPS的兩路輸出電路經過PDU對設備進行雙路供電，保障系統在任何故障下的運行穩定性[9]。為了保障PDU中各路電源的狀況，運維人員應當通過PDU自帶的通信接口連接計算機，并建立相關通信協議，實時監控PDU的數據，提高對電力分配和電力穩定程度的掌握水平。

3 數據中心機房配電系統接地設計

為了保障機房安全，在建立數據中心機房接地系統時，需要考慮交流工作地、安全保護地、防雷保護地以及專用直流工作地四大類。需要從機房的實際情況出發，與建筑設計相結合，保證數據中心機房配電系統的接地設計能夠滿足接地電阻的基本要求。建筑結構中的接地扁鋼結構可以用作安全保護地和防雷保護地。

在機房的抗靜電系統方面，應當根據機房的狀況進行抗靜電底板的接地處理，保證機房靜電電壓U＜1kV。如何保證靜電電壓，主要在于接地和地板的內外電阻。而機房內的所有金屬建筑結構全部需要接地，防止金屬結構產生較大電壓導致電源波動而影響設備運行甚至損害設備[10]。

4 數據中心機房配電系統防雷設計

雷電是對數據中心機房危害最大的一種外界因素。一旦遭遇雷擊，很容易將低壓電源系統擊穿，損壞設備元器件。所以，為了保護設備免受雷電災害的影響，應當采取有效的控制電源擾動手段，將浪涌電流接地。同時，在所有低壓電源系統上安裝一級電源避雷器，在機房的進線配電柜上安裝耳機電源避雷器，UPS與PDU上安裝三級電源避雷器，從而通過多層避雷手段保證設備不受雷電影響，大大降低低壓電源系統被擊穿的可能。

5 數據中心機房配電系統設計及施工問題

5.1 機房配電系統容量設計

由于數據中心機房的重要作用和服務器機房極高的電力負荷需求，對于機房配電系統的設計需要嚴格謹慎。在負荷容量的統計過程中，需要結合除去機房之外的周邊用電設備如建筑中的弱電系統和一級負荷用電進行設計，以保證配電系統能夠承受整體供電容量的需求，并預留一定冗余，保證后期機房設備拓展的容量需求。由于單個服務器體積較小，在固定空間內功耗提高的情況下，UPS的配置容量應當跟隨系統配電容量進行相應提升，以保證未來供應機房功耗的容量充足。

5.2 數據中心機房配電系統設計要結合多領域

機房配電系統的設計需融合多個專業領域知識，設計中要嚴格考量這些領域的專業性。

5.2.1 機房裝修

機房內配套設備的安裝要結合機房配電相關規范進行調整，保證功能和視覺的效果要求。裝修中應注意金屬材料的使用，務必將金屬材料接地，以減少靜電的產生。

5.2.2 走線設計

機房走線分為上走線和下走線兩種方式。在走線方式設計中，除需要考慮機房層高等基礎條件外，還必須嚴格規范空調、排風、消防管道的走線方式，防止線槽與各專業管線交錯造成不符合相關設計標準、影響后期運維的問題。

5.2.3 弱電供電

在數據中心機房配電系統設計中，需要優化弱電供電。例如，門禁系統的供電可以加裝繼電器，為消防聯動提供便捷，同時保證各個系統的電源獨立，對每個系統、每個設備進行單獨斷路，且不影響其他設備和系統的運作。

5.3 設計及施工安裝要點

安裝數據中心機房配電系統時，應嚴格遵守規范，滿足數據中心機房的需求。例如，UPS到信息中心設備的電力輸出應當減少連接節點，保證信息中心供電的穩定性，同時要在設計時加裝電量監控設備，如在配電柜上安裝電量儀、PDU接入信息系統查詢供電情況等，掌握機房配電系統的運行狀態。要規范化調整設備的擺放位置與布局，提高散熱的同時，方便配電安裝與維修。

5.4 結合造價情況與現有需求的信息進行合理規劃

在機房建設項目中，經常由于造價不足出現未能達到客戶過高要求的情況，因而出現了功能的閹割和客戶要求的技術在實際情況下不能起到作用的情況。針對這種情況，一方面與客戶進行詳細溝通，對設計的可行性進行詳細論證，保證要求的合理性，另一方面要針對客戶的需求和預算制定合理可行的建設方案。

6 結 論

當前，數據信息技術和應用需求不斷提升，對數據中心的性能、存儲要求與穩定性也越來越高，配電系統的規劃與建設變得尤為重要。因此，對數據中心機房配電系統進行簡要分析與設計，在實際項目規劃建設中，需根據相關國家及行業標準，結合項目實際需求和基礎設施情況，進行統一規劃和科學設計。