數(shù)據(jù)中心建設(shè)電氣系統(tǒng)的新技術(shù)

文｜中鐵建工集團諾德投資公司 單云

隨著信息化的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模越來越大，要求越來越高。用戶對數(shù)據(jù)中心的可靠性、可用性需求也不斷提高。現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心電氣系統(tǒng)建設(shè)一般要求具備如下原則：

(1）系統(tǒng)設(shè)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(lǐng)先的技術(shù)和先進的設(shè)備。

(2）電氣系統(tǒng)要確保系統(tǒng)的安全、可靠性原則——采用高可靠性標(biāo)準(zhǔn)進行電氣系統(tǒng)的設(shè)計，使系統(tǒng)應(yīng)具備在當(dāng)前條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力；

(3）系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)應(yīng)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(tǒng)應(yīng)該具備較高的靈活性和滿足未來發(fā)展的需要——電氣系統(tǒng)應(yīng)具有可持續(xù)發(fā)展的能力，并在系統(tǒng)上具有較大的靈活性。

為實現(xiàn)上述建設(shè)原則，在數(shù)據(jù)中心電氣系統(tǒng)建設(shè)過程中，需采取各種措施及手段來保障數(shù)據(jù)中心功能的實現(xiàn)。設(shè)計及建設(shè)中在充分利用傳統(tǒng)電氣技術(shù)的同時，很多的新技術(shù)、新理念不斷涌現(xiàn)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(tǒng)的使用

一般傳統(tǒng)或簡單的機房采用簡單的UPS設(shè)置方式，這種情況下一般來說設(shè)備不太重要，相當(dāng)于國家標(biāo)準(zhǔn)《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》（GB50174-2008）中C級機房或B級機房的標(biāo)準(zhǔn)，UPS的配置示意圖如下：

而現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的特點是設(shè)備越來越密集，規(guī)模越來越大，要求越來越高，相當(dāng)于國家標(biāo)準(zhǔn)《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》（GB50174-2008）中A級機房或國際標(biāo)準(zhǔn)TIA942中Tier 4或Tier 3的級別。其最基本的要求是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵設(shè)備的持續(xù)不斷電，而傳統(tǒng)的UPS配置模式N或N+1的方式由于存在單點故障的環(huán)節(jié)，因此不能滿足設(shè)備工作的要求。

要想提高現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心可用性，達(dá)到不斷電的要求，其最基本的方法是實現(xiàn)系統(tǒng)的無單點故障，而UPS的設(shè)置是其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因此在這種條件下，UPS設(shè)備的雙總線容錯系統(tǒng)應(yīng)運而生。

所謂容錯系統(tǒng)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(tǒng)，在任何時候至少有兩套系統(tǒng)在工作。按容錯系統(tǒng)配置的場地設(shè)備，至少能經(jīng)受一次該系統(tǒng)在出現(xiàn)突發(fā)的設(shè)備故障和認(rèn)為失誤操作時，不中斷系統(tǒng)的運行。

見下圖。

事實上不但是UPS系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)冗余，前級配電柜及變壓器等均設(shè)計冗余系統(tǒng)，這樣保證了全系統(tǒng)沒有任何單點（系統(tǒng)的單點故障不影響對生產(chǎn)用計算機負(fù)載的連續(xù)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(guān)→電纜→插座等，從始至終均為A、B兩組雙備份。

當(dāng)其中一組UPS發(fā)生故障時，該組UPS系統(tǒng)超負(fù)荷，則由另一組UPS承擔(dān)全負(fù)荷，以滿足計算機設(shè)備的正常運行。

由于UPS配電系統(tǒng)各級配電柜與UPS系統(tǒng)配套均為雙備份，因此配電系統(tǒng)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(shè)備，UPS配電采取增加無間斷時間的靜態(tài)切換開關(guān)，以保證這部分設(shè)備能在一組正在使用的UPS電源發(fā)生故障時，自動切換到另一組UPS供電，而不造成設(shè)備斷電。

同時A、B兩組UPS設(shè)備采取實體隔離的方式，布置在兩個相互獨立的房間內(nèi)，不同的氣體滅火分區(qū)。因此當(dāng)其中一個房間火災(zāi)等意外情況的發(fā)生，不會影響到另一個房間系統(tǒng)的正常運行。

這種設(shè)置能保障系統(tǒng)的高可靠性，提供系統(tǒng)的可用性。

二、智能監(jiān)控配電柜的使用

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

實時監(jiān)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(shù)；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(guān)狀態(tài)。

實時報警功能：

1) 各相電壓過壓、欠壓、失壓(可設(shè)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(shè)置報警值)；4) 各支路過流預(yù)警( 可設(shè)置報警值)；5) 各支路開路報警( 可設(shè)置屏蔽)；6) 系統(tǒng)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(fā)生和恢復(fù)時間，停電不丟失。

通訊功能：

1）有上微機RS485 通訊接口,采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS 通訊協(xié)議，方便各種自動化組態(tài)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(jiān)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(yuǎn)程管理，方便用戶實時監(jiān)控及判斷，甚至于可通過自動方式根據(jù)設(shè)備用電的多少調(diào)整空調(diào)對該設(shè)備制冷量的提供大小，有效實現(xiàn)氣流組織，更好地實現(xiàn)節(jié)能管理。

三、開關(guān)在線更換技術(shù)的使用

通過此技術(shù)的使用，可實現(xiàn)配電柜不斷電情況下更換開關(guān)，大大減少系統(tǒng)修復(fù)時間，提高系統(tǒng)可用性。

要想提高系統(tǒng)的可用型，一種是延長無故障時間，一種是縮短系統(tǒng)可修復(fù)時間。而開關(guān)在線更換技術(shù)正是縮短系統(tǒng)可修復(fù)時間的好方法。由于能實現(xiàn)在線更換，因此當(dāng)一個開關(guān)需要更換時，所在的配電柜不需要停電，同時更換開關(guān)的速度也非常快。

目前實現(xiàn)在線更換的技術(shù)有多種，這里只介紹一種：德國維納爾母線技術(shù)。

維納爾母線系統(tǒng)是世界上先進的母線間距標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)，應(yīng)用于低壓供配電開關(guān)設(shè)備及控制設(shè)備中，使母線起到既導(dǎo)電又能支持電氣元件的作用。它通過標(biāo)準(zhǔn)的母線系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)系統(tǒng)的在線更換功能，大大降低系統(tǒng)的修復(fù)時間，提高電氣系統(tǒng)的可用性。

同時與傳統(tǒng)的布線方式比較，維納爾母線系統(tǒng)具有另外如下新的特點：

a)可實現(xiàn)調(diào)相——調(diào)節(jié)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(zhì)、能避免打孔發(fā)熱現(xiàn)象、熱穩(wěn)定性高、不存在連接隱患；c)節(jié)省安裝空間——載流排兼作安裝支架，可節(jié)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(nèi)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(qū)或者整行、整列的機柜提供電源的設(shè)備。

由于數(shù)據(jù)中心內(nèi)放置有大量的服務(wù)器設(shè)備，而大部分的服務(wù)器設(shè)備對于零地電壓要求較高，如果零地電壓差超出服務(wù)器的標(biāo)稱范圍，服務(wù)器有可能不工作，而數(shù)據(jù)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(tǒng)設(shè)置不當(dāng)?shù)龋愕仉妷翰钔^大，而且很難解決。

而在數(shù)據(jù)中心強電列頭柜內(nèi)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(wù)器等用電設(shè)備較近，列頭柜內(nèi)的隔離變壓器輸出端可以零地合一并做重復(fù)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(yīng)考慮其絕緣等級以及是否帶抑制諧波的K系數(shù)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(xiàn)代數(shù)據(jù)中心中監(jiān)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(jié)能的需要，因此現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心中監(jiān)控中心或運維中心宜設(shè)計智能燈光系統(tǒng)。

燈光場景設(shè)置燈光場景的變化，要根據(jù)人的舒適程度和現(xiàn)場應(yīng)用的實際需求來不斷設(shè)計和調(diào)整。在一般應(yīng)用情況下，根據(jù)監(jiān)控中心或運維中心工作的24小時連續(xù)性且白天和晚上對照度的需求又有所不同，考慮到節(jié)能增效又極大地滿足基本要求，可以預(yù)設(shè)幾種場景：可分為監(jiān)視模式、研討模式、視頻模式、準(zhǔn)備模式、休息模式、清掃模式等。

根據(jù)不同模式，調(diào)節(jié)不同的場景，在滿足不同場景工作的同時，有效地節(jié)約了大量能源。

結(jié)論

在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心中，還有很多新的技術(shù)，如電池監(jiān)控、直流高壓技術(shù)、模塊化UPS技術(shù)、ATS旁路技術(shù)、智能PDU技術(shù)等，這里不再一一贅述。

總之，隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，電氣系統(tǒng)中先進的技術(shù)與理念將會不斷涌現(xiàn)并應(yīng)用，并產(chǎn)生其積極的影響，最終提高數(shù)據(jù)中心的可靠性、可用性以及降低能源消耗，為用戶創(chuàng)造更好的價值。