數據中心供配電系統規劃設計中的若干關注事項（二）

魏中磊，顧 飛，倪宇軍，田 密，楊 政

（1.杭州云之鼎數據科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江核新同花順網絡信息股份有限公司，浙江 杭州 310023；3.杭州山脈通信有限公司，浙江 杭州 310014；4.華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

（上接 通信電源技術 2019年第1期 《數據中心供配電系統規劃設計中的若干關注事項（一）》）

4 數據中心供配電系統中的若干注意事項

4.1 設計等級定位

數據中心的等級不同對數據中心各專業技術要求也不盡相同，數據中心涉及專業眾多，而且各專業之間相互影響，如果部分專業條件或要求變更，甚至會推翻原數據中心規劃設計方案，如果數據中心規劃等級發生變化，這意味著該數據中心將重新規劃設計。數據中心等級技術要求詳見GB 50174-2017“附錄1 各級數據中心技術要求”[1]。

目前，一些業主并未考慮自身需求和資源條件的限制，盲目確定企業數據中心的等級，過高定位會造成資源浪費，過低定位會影響業務安全。數據中心等級的確定應該綜合考慮業務需求和發展、資源條件、管理水平及社會影響等。數據中心等級的確定建議從以下幾個條件考慮[2-5]。

（1）數據中心的用途，如企業自用、租賃或災備。

（2）數據中心的建設需求、規模及投資限制。數據中心建設最初和最終都要專注于自身的業務需求及發展上來，根據近期和遠期需求來規劃確定數據中心的建設規模。業主的投資要求也是限制對數據中心等級定位的一個關鍵因素。

（3）數據中心的基礎資源條件，如網絡資源、電力、水源、建設場所的建筑條件、改建或擴建等因素均能影響數據中心等級的定位。

（4）業主的管理水平會對數據中心規劃設計、采購建設及運營維護產生重大影響。關鍵決策的制定甚至會改變數據中心等級。

4.2 負荷分析

4.2.1 負荷分級

根據數據中心建設對不同種類供配電系統的可靠性要求不同，劃分配電系統中各負荷的負荷等級。以下為某大型數據中心負荷等級分級情況供參考[6-8]。

一級負荷：機房IT負荷、連續制冷系統、機房監控系統、消防供電系統以及應急照明用電等。其中，消防供電系統主要為消防設備、消防報警系統、消防聯動控制設備提供配電。按照國家相關規范，它的用電等級屬于一級負荷中特別重要負荷。

二級負荷：機房的動力系統、日常維護、維修和照明系統用電，如普通排風風機、機房照明等。

三級負荷：其他動力系統和公共區域相關用電。該類供電系統的系統故障不會影響數據中心的正常運行，且有充分的時間供維護人員進行故障恢復，如輔助區域的辦公用電等。

4.2.2 負荷計算

對數據中心的負荷分級并進一步細分，目的是將相同或相似用電類型的負載歸類，根據數據中心等級及不同類別的負載配置不同類型的電源。對數據中心進行負荷計算是對數據中心整體用電情況進行預估，便于向當地供電部門進行容量報裝，負荷計算對主要用電設備用電進行核算，便于合理選擇主要供配電設備。

數據中心負荷計算常用的方法是需要系數法，采用需要系數法進行負荷計算應注意以下幾點[9-11]。

（1）經常而短時及經常而斷續運行的設備應予計算。正常情況下使用且運行時間2 h以內10 min以上或周期性工作但工作時長不足10 min的設備，應計入負荷計算表，如為保證機房正壓及每小時換氣次數的新風風機。

（2）不經常而短時及不經常而斷續運行的設備不予與計算。正常情況下不使用，在檢修或事故期間等非正常情況下使用且運行時間2 h以內10 min以上或周期性工作但工作時長不足10 min的設備，不計入負荷計算表，如臨時維修的用電設備。

（3）成組用電設備的設備功率，不應包括備用設備。如機房末端風柜一般采用N+X配置，在進行負荷計算時只需要核算主用設備的總功率，進行配電柜設計時可以按照N+X設備進行配置。

（4）同一變壓器供電范圍內的季節性用電設備，應選取兩者中較大者計人總設備功率。如冷水機組在夏季采用壓縮機制冷，在冬季采用板式換熱器制冷，應該按照壓縮機制冷模式的功率計算。冷卻塔在夏季正常工作，在冬季還需要電伴熱供暖，但此時冷水機組采用板式換熱器模式工作，電伴熱供暖負荷不需要計入計算，冷卻塔配電設計時需要按照電伴熱和正常工作功率之和配置。

（5）具有換流部件的設備需要考慮電源轉換設備的效率，如直流電源、UPS等換流器件有2%～6%的能量損失。

（6）一般不考慮消防負荷。通常數據中心消防負荷容量遠小于與消防發生時應切除的一般電力的容量。消防負荷中與平時兼用的負荷，如消防排煙風機除用于火災時排煙外，平時還用于通風（有些情況下排煙和通風狀態下的用電容量尚有不同）在負荷計算時應計入一般電力負荷，在配電設計時消防和一般電力負荷均按較大負荷配置。

（7）在計算范圍內，單相負荷設備總容量不足三相負荷設備總容量的15%時，單相負荷容量直接按照三相負荷統容量統計，否則單相負荷應換算為等效三相負荷后計入三相容量。配電設計時單相用電設備應盡量均衡分配至三相上，使各相的計算負荷盡量相近，減小不平衡度。

（8）需要系數與同時系數的取值均為經驗值，不是一成不變的，需要根據項目特點綜合選用。需要系數表示用電設備組在最大負荷時需要的有功功率與其設備額定裝機功率的比值。需要系數是在一定的條件下，根據統計方法得出的，它不僅與用電設備組的工作性質、設備臺數、設備效率和線路損耗等因素有關，而且與操作人員的技能和生產組織等多種因素都有關。數據中心一般設置有樓宇設備自控系統和動環監控系統，空調風柜等用電設備的需要系數需要根據其設備及運行特點選擇合適的需要系數，并應盡可能地通過實際測量分析確定。數據中心負荷特點有別于一般的民用建筑負荷，目前各種書籍提供的需要系數數值參考均未專為數據中心負荷特點考慮，若需要系數直接選取書籍中的參考數值，一般會造成負荷計算值與實際偏差較大。數據中心中同時系數的計取應該根據各設備組間工作特點綜合考慮，同時系數的選取可以根據已建成的相似的數據中心取得，同時系數一般可取0.9～1.0。需要系數的選擇對象是同一設備組，同時系數的選擇對象是配電干線下不同設備組之間。需要系數和同時系數的選取是利用概率論和統計學知識計算得來，憑經驗值進行設計，需要實際項目的校驗，并根據項目特點優化系數值，從“設計”到“實踐”再到“設計”如此反復迭代更新，這樣才能更好的利用需要系數法進行負荷計算。

（9）數據中心負荷計算中各設備容量取值不宜預留過多余量。PUE（Power Usage Efectivenegs）是評價數據中心能源效率的指標[7]，是數據中消耗的所有能源與IT負載使用的能源之比，是評價數據中心最重要的參數之一。

從數據中心的負荷計算表中可以估算出數據中心的理論PUE設計值，這個設計值是數據中心工程審批和建設的關鍵數值之一。2017年8月工業和信息化部辦公廳發布了《關于組織申報2017年度國家新型工業化產業示范基地的通知》，“通知”中要求大型數據中心運行年PUE必須小于1.5，對于運行未滿一年的數據中心，在設計上PUE必須小于等于1.5，中小型數據中心則需要年均PUE小于等于1.7。2018年9月北京市政府公布《北京市新增產業的禁止和限制目錄》（2018年版）要求“全市層面禁止新建和擴建互聯網數據服務、信息處理和存儲支持服務中的數據中心（PUE值在1.4以下的云計算數據中心除外），中心城區全面禁止新建和擴建數據中心”。因此數據中心規劃設計時就應對PUE提出要求，規劃設計階段中的負荷計算就必須滿足PUE限制的要求。PUE限值的要求對數據中心設備的選型對“能耗指標”有更高的要求。規劃設計時可以通過PUE、CLF等值對規劃設計的合理性進行校驗。

4.3 數據中心工藝電源布局

數據中心工藝電源布局主要是指數據中心電氣用房、電氣設備布置及電氣路由井道等與數據中心各專業協調、合理布置。數據中心工藝電源設備對建筑布局的要求主要有以下幾點供參考[12]。

（1）數據中心機樓推薦采用矩形建筑，柱間距的選擇主要綜合考慮電氣設備、暖通設備及IT設備的特點綜合選擇，常見的柱間距為7.2 m、7.5 m、8.4 m及9.6 m。柱間距的選擇會影響到具有一般大型設備的電氣及暖通專業的設備布置，也會對IT機房的機柜布置產生較大影響，直接影響數據中心總機柜數量。

（2）數據中心一般采用柴油發電機作為備用電源，柴油發電機房的進風、排風、排煙及油箱間等需要建筑特別考慮。柴油發電機、變壓器、蓄電池等重量較重的設備對機房承重有較高要求，需要建筑及結構特別考慮。

（3）數據中心的主配電所不應設置在地下的最底層，當數據中心的主配電所只能設置在建筑物的地下層且地下只有一層時，應采取預防洪水、消防水、或積水從其他取到淹漬配電所的措施。

（4）數據中心不同等級對通信、電氣及暖通等專業要求不同，各專業的物理井道的配置也不同。比如，A級數據中心容錯配置的變配電設備應分別布置在不同的物理隔間內，IT機柜引電要求雙路由。這樣就要求建筑井道及工藝走線布置合理且要與其他專業用管線協調一致。

（5）數據中心應由專用配電變壓器或專用回路供電，變壓器宜采用干式變壓器，變壓器宜靠近負荷布置。常見的大型數據中心將各配電所分布在不同的樓層，將變壓器盡量靠近IT機房，減小低壓配電引電路由。變配電所和不間斷電源系統及不間斷電源系統與精密列頭柜間的距離應盡量短，這樣有助于減少配電金屬的使用，也能降低電力傳輸中的損耗。

（6）儲油罐位置應布置合理。園區級的數據中心儲油罐的布置應綜合考慮園區需求及儲油罐距離道路、建筑物的安全距離合理布置儲油罐的位置。

4.4 配電系統

4.4.1 中壓配電系統

（1）規劃設計中壓配電系統時，需要與當地電力相關部門協調。數據中心總用電量的申請及市電引入的選擇都需要與電力部門協商，因地域差異，各地的供電部門要求可能不同。如部分地區2路10 kV配電不允許聯絡即只能使用兩個單母線系統，又如部分電力局要求10 kV引電容量不能超過8 000 kVA。

（2）中壓配電設備參數選型需要驗證。中壓配電設計中經常忽略對中壓配電裝置的動熱穩定校驗，特別是容易忽略中壓母線的校驗。表1給出了中壓系統設備及材料需要校驗的項目，表2給出了10 kV系統中壓斷路器額定短路開斷電流值與主母線額定載流量的配置（環境溫度按30 ℃計算）。

表1 中壓系統設備及材料需要校驗的項目

表2 10 kV系統中壓斷路器額定短路開斷電流值與主母線額定載流量配置表

（3）電源以放射式供電時，變壓器前須設置高壓開關，可采用負荷開關或斷路器，當變壓器安裝在本配電所時，可不設置高壓開關。變壓器前裝設負荷開關或斷路器是為了檢修變壓器時有明顯的斷開點，并考慮了帶負荷操作的情況，以保證檢修人員的安全。當變壓器在本配電所內時，由于距離近，停電檢修聯系方便，能防止誤操作，可不裝設開關。

（4）中壓柴油發電機電源與正常電源之間必須采取防止并列運行的措施。

4.4.2 備用電源

GB 50174-2017規定獨立于正常電源的發電機組和供電網絡中獨立于正常電源的專用饋電線路都可以作為備用電源[1]。柴油發電機組具有以下特點[13]：

（1）柴油發電機組啟動及帶載等性能符合數據中心應用場景。

（2）柴油發電機系統技術成熟，燃料易得，儲存運輸方案成熟；

（3）使用要求相對簡單，維護方便。

由于柴油發電機組具有以上優點，工程可操作強，因此目前大部分數據中心采用柴油發電機組作為備用電源。

在柴油發電機組規劃設計中，應注意以下幾點：

（1）數據中心對發電機組的輸出頻率、電壓和波形有嚴格要求，要求發電機組的性能等級不應低于G3級[14]。發電機組的性能分級見GB/T 2820.1-2009《往復式內燃機驅動的交流發電機組 第1部分：用途、定額和性能》。

（2）柴油發電機組電壓等級的選擇。數據中心常用的柴油發電機組電壓等級一般有低壓和中壓兩類，具體采用哪種電壓等級的柴油發電機組需要從數據中心的機房條件、設計標準、控制系統、投資、維護要求等綜合考慮決定。一般來講單組0.4 kV柴油發電機系統總容量一般不宜超過3 600 kW，超過3 600 kW以上保障容量可采用中壓柴油發電機組或分組的0.4 kV發電機組方案[15]。

（3）柴油發電機組容量的選擇。GB/T 2820.1-2009中規定發電機組的輸出功率分為四種持續功率、基本功率、限時運行功率和應急備用功率。ISO8528-1：2018《往復式內燃機驅動的交流發電機組》專為數據中心應用場景增加了數據中心功率DCP（Data Centre Power）。幾種柴油發電機功率定義對比見表3。

表3 柴油發電機功率定義

筆者認為，規劃設計時可以根據數據中心的性質選用合適容量的柴油發電機組。按A級標準建設的金融行業或對可靠性有高要求的數據中心，發電機組的輸出功率可按持續功率（COP）選擇。普通行業數據中心發電機組的輸出功率可按數據中心功率（DCP）選擇。按B級標準建設的數據中心發電機組輸出功率可按限時運行功率（LTP）選擇。

（4）柴油發電機房設計的相關問題。在規劃設計中一般都能注意到柴油發電機組的基礎、減震、油機房的冷卻及通風、排煙、等問題，關于柴油發電機房規劃設計此處提出以下兩點供參考。

①基礎荷載要求。柴油發電機組基礎要能夠支撐機組濕重及動負荷，如果油機機組不并機，基礎載荷可取按照濕重的1.25～1.5倍[16]，如果油機機組并機運行，會產生較大的反扭力矩，要求基礎更加堅固，基礎荷載可取濕重的2倍。

②排油污措施。柴油發電機房建議設置排油污措施，油箱間也可以采用敷設細沙或設置排污管等方式，方便后期使用。油污建議排至機房樓室外并設置隔油池，隔油池須經常檢查并及時清污，排除安全隱患。

（5）儲油系統。采用柴油發電機作為備用電源的數據中心應一般選擇設置地埋儲油罐保障數據中心用電的連續性，關于儲油罐的選擇此處提出以下兩點供參考。

①儲油罐容量。根據主用油機數量估算數據中心總用油量，在油量估算過程中建議考慮油罐或油箱的儲油量的裝載系數。當外部供油時間有保障時，燃料存儲量僅需大于外部供油時間。因此大多數數據中心均會與就近的加油站簽署供油協議，在滿足供電連續的條件下，盡量減少儲油量。大型數據中心儲油罐建議設置2個以上[17]，方便儲油罐的維護。儲油罐的選擇可以參考02R11《小型立、臥油罐圖集》。儲油總容量估算舉例：某數據中心配置7臺1 800 kW（6+1）柴油發電機組，并要求儲油8 h，油罐總容量的估算為0.24 kW/h×1 800 kW×6臺 ×8 h/0.82/0.9=28 m3， 其中柴油發電機燃燒用油量參照YD/T 502-2007《通信用柴油發電機組》中的限制值，其中0.82為柴油密度，0.9為裝載系數，考慮每個油機配置有1個1 m3油箱，建議儲油罐總容量不小于22 m3。

②油箱至油罐設置緊急回油設施。考慮到機房防火需求，當出現火情時，可以啟動緊急回油方案，將儲存在油箱里的柴油緊急排至油罐，油罐內儲油情況應預留緊急情況下的回油量。

4.4.3 低壓配電系統

（1）數據中心多電源（單母線分段）TN-C-S系統中性點接地應采用“一點接地”

為了防止雜散電流產生的雜散電磁場干擾電子信息系統的正常工作，多電源（單母線分段）TN-C-S系統中性點接地應采用“一點接地”。GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規范》中規定，對用電設備采用單獨的PE和N的多電源TN-C-S系統和對于具有多電源的TN系統，應符合下列要求：

①不應在變壓器的中性點或發電機的星形點直接對地連接。

②變壓器的中性點或發電機的星形點之間相互連接的導體應絕緣，且不得將其與用電設備連接。

③電源中性點間相互連接的導體與PE之間，應只一點連接，并應設置在總配電屏內。

④對裝置的PE可另外增設接地。

（2）數據中心低壓配電系統中ATS的選擇

為避免數據中心UPS零線在電源切換過程中騰空，造成UPS故障影響電子信息系統的正常工作，市電與油機切換的ATS應采用PC級帶零線重疊切換的四級型開關。對于后級非UPS系統設備的雙電源ATS切換應采用PC級四級型開關，UPS系統輸入配電的雙電源ATS切換采用PC級帶零線重疊切換的四級型開關。

（3）數據中心各級低壓配電屏或配電柜宜留有不少于10%的備用回路

配電柜備用回路預留不宜過多，可以參考10%預留[18]，既能保證發展需求又不浪費。

（4）數據中心低壓配電系統SPD的選擇

數據中心低壓供電系統SPD一般可以設置三級。第一級SPD可根據實際情況選擇在變壓器低壓側或低壓配電室電源入口處安裝；第二級SPD可選擇在后級配電室、樓層配電箱、機房交流配電柜處安裝；第三級SPD作為精細保護可選擇在IT機柜的配電箱（柜）內安裝；

配電系統中設備的耐沖擊電壓額定值Uw，可按表4規定選用。低壓配電系統三級SPD沖擊電流和標稱放電電流的推薦值可按表5選擇。

表4 低壓配電系統中設備耐沖擊電壓額定值

表5 低壓配電系統三級SPD沖擊電流和標稱放電電流的推薦值

4.4.4 不間斷電源及蓄電池

數據中心常用的不間斷電源主要有直流不間斷電源和交流不間斷電源。直流不間斷電源主要有-48 V系統、240 V系統和336 V系統，其中240 V和336 V系統常稱做高壓直流不間斷電源系統。交流不間斷電源主要有工頻UPS、高頻UPS。一般不間斷電源的不間斷功能需要后備電池實現。由于鋰電池安全性存疑、消防配置技術不成熟及綜合價格較高等原因，目前數據中心以鉛酸蓄電池應用為主。

（1）-48 V系統直流正極應做工作接地，240 V系統和336 V系統采用懸浮方式供電，直流正、負極均不應接地。240 V系統和336 V系統直流輸出應與地、機架、外殼電氣隔離。

（2）數據中心蓄電池容量選擇

數據中心蓄電池后備時長的不同會影響蓄電池容量的選擇，根據現行的規范，對蓄電池選型主要有以下常用的兩種方法。

第一，理論公式估算法。根據GB 51194-2016《通信電源設備安裝工程設計規范》中提供的估算蓄電池容量的計算方法，蓄電池組總容量為：

式中：Q為蓄電池組總容量，單位Ah；K為安全系數，取1.25；I為負荷電流，單位A；η為放電容量系數，如表6所示；t為實際電池所在地最低環境溫度數值，所在地有采暖設備時按15 ℃考慮，無采暖設備時按5 ℃考慮；α為電池溫度系數。當放電小時率≥10時，取α=0.006；當10＞放電小時率≥1時，取α=0.008；放電小時率＜1時，取α=0.01。

第二，恒功率計算法。根據T/CECS 486-2017提供的蓄電池恒功率計算方法[2]如下，2 V電池單體功率為：

式中：W為2 V電池單體功率，單位W；K為安全系數，取1～1.25；P為負載額定功率，單位kW；n為逆變器的效率，交流系數取0.95，直流系數取1；N為2 V電池單體串聯數量。

A級數據中心UPS后備時間一般設置為15 min，理論計算法在蓄電池保障時間30 min以內無相關計算參數，所以數據中心通常采用恒功率計算法選擇蓄電池。目前行業中相同要求條件下，不同品牌單體電池功率值差別較大，而且產品的也在性能提升，在綜合選型時應查詢各廠家最新產品參數。當數據中心后備時長不小于30 min時理論計算法和恒功率計算法均可使用。

表6 鉛酸蓄電池放電容量系數η

從采購成本及節能角度考慮，推薦使用模塊化UPS。如果需要UPS保障的IT設備的發展不明確，或對業務發展及用電量無明確的預估時，從采購成本及節能角度考慮，推薦采用模塊化UPS代替一體式UPS，可以快速響應動態變化的需求。

5 結 論

綜上所述，隨著數據中心行業的快速發展，行業規范技術的快速更新，需要規劃設計人員能迅速跟進，熟悉規劃設計中常見問題，并優化解決方案。本文中僅就數據中心供配電系統組成及若干注意事項進行了簡述，行業中還有很多其他事項需專業人士持續關注。依靠行業技術發展和經驗累積，數據中心行業會不斷涌現更優越的解決方案。