IDC 數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)優(yōu)化與能源管理

謝文輝

（廣州寬帶主干網(wǎng)絡(luò)有限公司，廣東 廣州 510000）

1 供配電系統(tǒng)的基本原則

在供配電系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，管理者和相關(guān)的工作人員務(wù)必遵循如下基本準(zhǔn)則，由此實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。①秉持經(jīng)濟(jì)、適用的原則。在保證企業(yè)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，落實(shí)工廠供配電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)措施，從真正意義上減少供配電系統(tǒng)的運(yùn)作成本，提升用電效率而不是單純地為了節(jié)能而無法具有實(shí)踐性。②秉持實(shí)事求是的基本準(zhǔn)則原則。為了達(dá)到利潤最優(yōu)的目標(biāo)，企業(yè)應(yīng)該結(jié)合自身情況，就要通過電能損耗的數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析找到存在損耗的源頭，探尋針對(duì)性的節(jié)能措施，逐漸落實(shí)工廠供配電系統(tǒng)的節(jié)能工作。③秉持最優(yōu)化的基本準(zhǔn)則。伴隨“生態(tài)文明建設(shè)”“綠色可持續(xù)發(fā)展”觀念地逐步深化，我國在進(jìn)行工廠供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，會(huì)把節(jié)能降耗居于第一位，采取新型的技術(shù)手段，大范圍地引入先進(jìn)的節(jié)能、環(huán)保技術(shù)和設(shè)備，例如應(yīng)用永磁接觸器，電機(jī)變頻控制節(jié)能技術(shù)等，達(dá)到縮減企業(yè)的電能損耗量的目的。

2 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)

2.1 布局合理

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，需要了解供配電系統(tǒng)線路進(jìn)行知識(shí)，通常情況下，供配電系統(tǒng)線路越長，那么帶來的能源損耗量越大。例如，供配電初始電壓為380V，在供電線路運(yùn)行過程中，如電阻為10Ω，那么所產(chǎn)生的能源損耗量在14kW 左右，經(jīng)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，其用電量相當(dāng)于高密度設(shè)備用電量的兩倍。同時(shí)合理布局需要對(duì)數(shù)據(jù)中心IT 負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，主要測(cè)算單位功率密度和單機(jī)柜功率密度，其中單位功率密度有兩種計(jì)算方法：①IT 設(shè)備單位功率密度×凈機(jī)房建筑面積。②IT 設(shè)備UPS 配置單位功率密度×凈機(jī)房建筑面積[2]。單機(jī)柜功率密度計(jì)算方法為：IT 設(shè)備單機(jī)柜功率密度×機(jī)房機(jī)柜數(shù)。在確定布局合理后，進(jìn)行系統(tǒng)安裝。為貫徹節(jié)能減排發(fā)展要求，在進(jìn)行供電設(shè)備安裝過程中，需要盡量縮短配電柜與電源系統(tǒng)之間的距離，在考察各用電設(shè)備負(fù)荷能力后，進(jìn)行合理布局，保證使用運(yùn)維便利度，從而保證各級(jí)供配電設(shè)備線路，在不影響設(shè)備運(yùn)行前提下，最大限度發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，從而降低能源消耗，保證資源的合理運(yùn)用。

2.2 設(shè)計(jì)規(guī)范

供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要滿足配電設(shè)備動(dòng)力要求，同時(shí)，方案選擇具有規(guī)范化的特點(diǎn)，由于各區(qū)域數(shù)據(jù)中心大小不同，所需要考慮的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能也存在差異。當(dāng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計(jì)較大時(shí)，可以設(shè)置UPS 供電系統(tǒng)，專業(yè)變壓器，同時(shí)保證UPS 供電系統(tǒng)僅為總供電設(shè)備獨(dú)立供應(yīng)。當(dāng)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)較小時(shí)，需采用抵押饋電線路供電，以保證較高的供電質(zhì)量，在進(jìn)行供配電系統(tǒng)設(shè)置時(shí)，需要最大限度的降低配電級(jí)數(shù)，在保證數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)，提高供電系統(tǒng)效率。但是，在供配電系統(tǒng)選擇時(shí)，無論是大型數(shù)據(jù)中心掌控，還是小型數(shù)據(jù)中心掌控，都需要保證電源系統(tǒng)為不間斷電源系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)中心動(dòng)力設(shè)備，需要保證獨(dú)立的線路供應(yīng)。同時(shí)設(shè)置手動(dòng)操作和智能操作兩種準(zhǔn)備裝置，規(guī)范數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，以及保證工作人員快速實(shí)施各類操作[3]，如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)服務(wù)流程

2.3 并聯(lián)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要工作人員反復(fù)探討其設(shè)計(jì)可靠性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，供配電系統(tǒng)設(shè)備合理使用，可以確保故障的發(fā)生保持在規(guī)定范圍之內(nèi)，同時(shí)減少故障帶來的影響，而在供電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整過程中，假如UPS 受到一組ATS 故障影響后，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)供配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行并聯(lián)設(shè)計(jì)，這樣既能保證供配電系統(tǒng)滿足數(shù)字中心應(yīng)用需求，又能在多臺(tái)設(shè)備同時(shí)運(yùn)行過程中，某臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障后，其供配電系統(tǒng)不受故障影響，在保持供電狀態(tài)下，將故障設(shè)備單獨(dú)提出進(jìn)行維修。而數(shù)據(jù)中心在使用過程中，主機(jī)房內(nèi)設(shè)置較多，因此，為保證數(shù)據(jù)運(yùn)行準(zhǔn)確性，通常由供配電系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心提供電力，也就是說，供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的動(dòng)力，當(dāng)供配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)出現(xiàn)疏漏，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。采用并聯(lián)設(shè)計(jì)，可以最大限度避免供配電設(shè)備故障帶來的數(shù)據(jù)異?；騾^(qū)域性斷電，但并不能完全避免這一影響。因此，大型數(shù)據(jù)中心為保證數(shù)據(jù)安全，需要設(shè)置專門的電力變壓器進(jìn)行供電，在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮數(shù)據(jù)中心形態(tài)及未來發(fā)展趨勢(shì)，為數(shù)據(jù)中心擴(kuò)展預(yù)留發(fā)展空間。采用并聯(lián)式數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以有效防止出現(xiàn)供電系統(tǒng)自身能源損耗。另外，并聯(lián)式設(shè)計(jì)，使得在檢修過程中，工作人員可以先將設(shè)備進(jìn)行隔離開關(guān)供電，自主進(jìn)行抽查檢修，在檢修過程中，不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載停電，影響整個(gè)供配電系統(tǒng)的情況[4]。當(dāng)多個(gè)數(shù)據(jù)中心同時(shí)運(yùn)營時(shí)，為保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，需要安裝技術(shù)容錯(cuò)系統(tǒng)，使二者互為備份。

2.4 損耗調(diào)控

進(jìn)行數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要將其應(yīng)用模板化，通過模板化設(shè)計(jì)，降低電能損耗，達(dá)到人工調(diào)控?fù)p耗的目的，從而避免資源浪費(fèi)。應(yīng)用模塊化，不同以往可以切斷電源的系統(tǒng)，而是在數(shù)據(jù)中心的電源系統(tǒng)主機(jī)系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)，按照相關(guān)安全施工的條例，以實(shí)際負(fù)荷電量為標(biāo)準(zhǔn)，配置上相應(yīng)的不間斷電源系統(tǒng)模塊。因?yàn)橄到y(tǒng)電量的損耗，會(huì)隨著設(shè)計(jì)方案差異出現(xiàn)變化，所以在實(shí)際應(yīng)用和操作上，操作不當(dāng)或使用情況增加下，電量負(fù)荷過大、無法承載系統(tǒng)的聯(lián)系，就可以采取熱插拔的手段來操作功率相同的不間斷電源系統(tǒng)模塊功能的開啟，多了這樣一道流程之后，可以有效地降低不同斷電源系統(tǒng)的功率損耗，有助于保持整體的運(yùn)行和使用壽命。除此之外，還可以使用智能PDU，通過現(xiàn)代高效便捷的智能化和網(wǎng)絡(luò)化的科技手段，采用電子數(shù)據(jù)來精準(zhǔn)測(cè)算和檢測(cè)使用的數(shù)量，輔助聲音、光源、短信通知，手機(jī)報(bào)警等方式對(duì)異常的用電情況及時(shí)地進(jìn)行預(yù)警和監(jiān)測(cè)，有效地幫助用戶可以實(shí)時(shí)了解電源的用電情況和用電安全，并且降低資源的損耗，是一個(gè)安全高效的應(yīng)用手段，信號(hào)處理如圖2 所示。

圖2 信號(hào)處理

3 IDC 數(shù)據(jù)中心內(nèi)涵及機(jī)房供配電系統(tǒng)驗(yàn)收要求

IDC 即互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，其主要為ICP、企業(yè)、媒體和各類網(wǎng)站提供服務(wù)器托管、空間租用、網(wǎng)絡(luò)批發(fā)帶寬、ASP、EC 等業(yè)務(wù)，具有服務(wù)規(guī)模大、質(zhì)量高、安全可靠、專業(yè)化程度高的特點(diǎn)。隨著電子商務(wù)的迅猛發(fā)展，IDC 已成為現(xiàn)代數(shù)字化社會(huì)不可或缺的一部分，企業(yè)用戶會(huì)把越來越多的業(yè)務(wù)通過IDC 來處理，這也使企業(yè)更好地節(jié)約成本，提高效率，無須高薪聘用開發(fā)和維護(hù)人員、無須建機(jī)房和系統(tǒng)也能獲得自己所需的專業(yè)服務(wù)品質(zhì)。IDC 機(jī)房擁有大量的電子計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等完善設(shè)備，機(jī)房按照功能區(qū)間劃分為數(shù)據(jù)機(jī)房、配套機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)接入間、測(cè)試區(qū)、監(jiān)控中心、打印室等，這些數(shù)據(jù)設(shè)備需要進(jìn)行專業(yè)化運(yùn)行、維護(hù)才能使IDC 數(shù)據(jù)中心整體運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 IDC 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)建設(shè)實(shí)例

4.1 項(xiàng)目概況

該大型電子商務(wù)企業(yè)發(fā)展迅猛，對(duì)于IDC 需求迅速增加，必須以機(jī)房建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求為依據(jù)，建設(shè)符合該企業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展需求的IDC 機(jī)房，保證數(shù)據(jù)中心在建設(shè)和運(yùn)營等方面的質(zhì)量和性能能滿足該企業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展和運(yùn)營穩(wěn)定。其中機(jī)房的供配電是該企業(yè)IDC 發(fā)揮作用的重要系統(tǒng)之一，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)包括市電供電、防雷接地、防靜電、USP 不間斷供電和柴油發(fā)電機(jī)等，機(jī)房施工應(yīng)對(duì)電氣裝置、配線及敷設(shè)、照明裝置等進(jìn)行質(zhì)量控制，所有數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運(yùn)營均按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行。

4.2 設(shè)計(jì)布置

根據(jù)用戶提出的技術(shù)要求和實(shí)地勘察，根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。該企業(yè)為大型IDC 機(jī)房，服務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)在10 萬以上，其構(gòu)成包括多個(gè)不同級(jí)別機(jī)房，按照高級(jí)別IDC 機(jī)房供電要求配置，即A 級(jí)/T4 級(jí)機(jī)房，由2個(gè)來自不同變電站的2 個(gè)電源供電，1 用1 備用或2 用互備用，2個(gè)電源不應(yīng)同時(shí)損壞。所有模塊、系統(tǒng)和路徑都設(shè)計(jì)為2（N+1）配置，各機(jī)房樓層都有變壓器和配套UPS 不間斷電源進(jìn)入，電源模塊配置與模塊機(jī)房相對(duì)應(yīng)。對(duì)于重要負(fù)荷供電，如空調(diào)均采用由兩臺(tái)不同變壓器、不同母線段放射式雙電源供電，且供電線路與出電開關(guān)可互為備份。采用高級(jí)別IDC 機(jī)電供電，要求配置每個(gè)電源均要滿足整個(gè)建筑及IDC 機(jī)房全部重要負(fù)荷的用電要求。

4.3 IDC 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)建設(shè)

4.3.1 設(shè)備功能區(qū)劃分

本工程供配電系統(tǒng)設(shè)置獨(dú)立的配電間和變配電所，考慮到UPS、電池、配電柜和柴油發(fā)電機(jī)等供配電相關(guān)的設(shè)備占地面積大、重量大，必須對(duì)其擺放位置從功能和空間、承重、外界的危害等幾方面進(jìn)行分析。同時(shí)為盡可能降低從UPS 輸出到用電設(shè)備間的壓降和損耗，UPS 電源機(jī)房布置在靠近設(shè)備機(jī)房的位置。以數(shù)據(jù)中心等級(jí)要求為依據(jù)，對(duì)UPS 大型設(shè)備重量、噪聲等進(jìn)行綜合考慮，將UPS 電源主機(jī)、配電柜與蓄電池組分隔，并放置在承重較好的位置。

配電柜滿足功能分區(qū)的基礎(chǔ)上要放置于供電負(fù)載較近的位置，但也要保持規(guī)定要求的距離。發(fā)電機(jī)房盡量在地面一層布置，如在地下層設(shè)置必須要滿足進(jìn)出風(fēng)通道要求，尤其對(duì)發(fā)電機(jī)組儲(chǔ)油裝置的消防要求特別關(guān)注。此外，還應(yīng)綜合考慮設(shè)備機(jī)房功率密度上升引起的供電需求，即設(shè)備機(jī)房的擴(kuò)展要有預(yù)留空間。非用于數(shù)據(jù)中心的建筑要確保樓面荷載、凈高、抗震和耐火等與設(shè)備安裝和線路敷設(shè)要求相匹配。

4.3.2 供電系統(tǒng)

傳統(tǒng)的UPS 供電模式已在可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性方面難以滿足IDC 業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，高壓直流供電模式以其方案成熟、擴(kuò)容方便、效率高和低成本等優(yōu)勢(shì)應(yīng)用越來越多。根據(jù)基礎(chǔ)物理設(shè)施規(guī)劃的可用性等級(jí)、預(yù)算范圍、IT 需求和相應(yīng)的供電，本工程供電系統(tǒng)規(guī)劃為高壓直流+市電供電系統(tǒng)。市電供電系統(tǒng)負(fù)荷包括UPS 供電系統(tǒng)、機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)、照明設(shè)備等。一般可靠性要求引入兩路市電電源并宜為冗余關(guān)系，作為供電容量擴(kuò)展關(guān)系，每一路市電電源容量應(yīng)滿足全部一、二級(jí)負(fù)荷需求。本工程采用的是IBM 機(jī)型服務(wù)器和華為交換機(jī)，該服務(wù)器機(jī)柜800mm×600mm×2000mm，整流模塊容量240V/20A，單柜滿配20個(gè)，監(jiān)控單元CSU 包括交流檢測(cè)、直流檢測(cè)、開關(guān)量檢測(cè)和電池檢測(cè)等4 個(gè)單元。

根據(jù)該服務(wù)器類型，采用高壓直流供電，標(biāo)稱電壓為240V。該數(shù)據(jù)設(shè)備電源具有高頻開關(guān)電源特點(diǎn)，輸入側(cè)沒有工頻變壓器，IT 設(shè)備開關(guān)電源前級(jí)為整流橋，輸入直流不會(huì)有短路阻抗產(chǎn)生，并為后級(jí)提供一個(gè)波動(dòng)的高壓直流。整流橋半橋?qū)刹捎靡欢妷褐抵绷麟娞峁┠芰?，高壓直流范圍為DC154～336V，交流輸入為AC110～240V，數(shù)據(jù)設(shè)備電源模塊輸入直流，直流輸入可視為直連；此數(shù)據(jù)設(shè)備電源為恒功率模塊，其輸入電壓提高使整流二極管載流量降低，直流狀態(tài)下穩(wěn)定性提高，因此只要合適電壓直流電輸入IT 設(shè)備即可正常工作。采用高壓直流供電+市電供電系統(tǒng)滿足了本項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性要求，同時(shí)至今運(yùn)行情況良好，達(dá)到了穩(wěn)定運(yùn)行、安全節(jié)能的效果。

4.3.3 UPS 工程

本工程IDC 數(shù)據(jù)中心UPS 供配電系統(tǒng)采用冗余方式供電，分別引入U(xiǎn)PS 電源主機(jī)的主電源和旁路電源，輸出采用放射式或雙回路配電方式，配電系統(tǒng)輸出采用三相配電，末端分相以達(dá)三相平衡。UPS 部分采用機(jī)房專用配電箱來完成，保證UPS 安裝在通風(fēng)良好的環(huán)境下。在安裝時(shí)，要注意UPS 后面板及側(cè)板要距離墻壁或相鄰設(shè)備200mm 以上，并對(duì)前面板進(jìn)風(fēng)口用物品遮蓋，避免UPS 風(fēng)機(jī)排氣孔受到阻礙，使UPS 內(nèi)部溫度升高，對(duì)UPS壽命造成影響。要特別注意，因UPS 在關(guān)機(jī)狀態(tài)下也有危險(xiǎn)電壓的可能，為了防止觸電危險(xiǎn)，UPS 機(jī)殼非專業(yè)人員不得打開。三相市電向火線輸入時(shí)必須安裝>250A 三級(jí)聯(lián)動(dòng)斷路器，以此保證緊急情況下能夠?qū)㈦娫囱杆偾袛啵淞憔€直接連接UPS 輸入零線端子，不應(yīng)通過斷路器。按照UPS 產(chǎn)品要求連接所組裝的電池柜、電池組，連接后進(jìn)行復(fù)查并對(duì)整組電池電壓進(jìn)行測(cè)量，保證達(dá)到要求值。將MCCB 與UPS 主機(jī)電池連線，對(duì)UPS 系統(tǒng)開機(jī)、調(diào)試、校正和測(cè)試，之后進(jìn)行市電斷電模擬和恢復(fù)檢測(cè)。UPS 電源配電箱柜引出的配電線路應(yīng)由鍍鋅鋼管穿入，敷設(shè)沿著機(jī)房活動(dòng)地板至各排網(wǎng)絡(luò)柜，機(jī)柜供電采用插座或工業(yè)連接器[1]。

4.3.4 電氣裝置設(shè)備

施工過程的電氣工程質(zhì)量控制對(duì)于IDC 機(jī)房設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行十分重要，本工程按照設(shè)備開箱檢驗(yàn)→設(shè)備搬運(yùn)→設(shè)備基架制作與安裝→配電柜箱制作與安裝→電纜接線→送電試運(yùn)行的工藝流程進(jìn)行安裝。采用壓接端子連接干線、電源盤、機(jī)配電柜和UPS，機(jī)房電源線、信號(hào)線要鋪設(shè)、排列整齊，且捆扎固定、有長度余量。按照設(shè)計(jì)將各種不同的線型，包括電源相線、中性線、保護(hù)接地線、信號(hào)線和通信線等不同顏色的線型進(jìn)行編號(hào)，可靠連接電纜電線，避免壓扁、扭絞和斷裂。整齊、牢固、正確安裝電氣裝置，保證內(nèi)外清潔，電氣接線盒無雜物殘留，安裝同類電氣設(shè)備高度要保持一致。特種電源配電裝置要有明顯標(biāo)志，標(biāo)明頻率和電壓等。電源盤、配電柜要與其他電氣裝置臺(tái)座固定牢固，并固定在建筑樓地面。完成安裝作業(yè)且質(zhì)量檢查合格后進(jìn)行送電試運(yùn)行，由總配電室確定后向本工程進(jìn)線互投柜送電，進(jìn)行驗(yàn)電、校相，保證配電柜開關(guān)操作正常、電壓正常、各指示燈和儀表正常運(yùn)行，待經(jīng)過24h 空載試運(yùn)行沒有異象即可等待驗(yàn)收。

5 結(jié)語

IDC 數(shù)據(jù)中心電力和配電系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性、可行性和安全性影響著數(shù)據(jù)中心運(yùn)維效率。模塊化、靈活的架構(gòu)和相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)不僅可以滿足數(shù)據(jù)中心的需求，還可以減少電力和配電損耗。數(shù)據(jù)中心的配電系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了快速部署、簡單、可擴(kuò)展、高效、低運(yùn)維的效果。