數據中心供配電系統節能探究

太極計算機股份有限公司 王陽

1 影響數據中心電氣節能設計的因素

影響數據中心電氣節能設計的因素很多。電氣節能設計主要受機房等級、主要設備的冗余度、設備選型等因素的影響。

1.1 電氣架構模型

數據中心供配電系統主要由中壓配電系統、備用電源系統、不間斷電源系統、機架配電系統及照明、防雷接地等系統組成。依據數據中心業務需求，首先確定機房建設等級，再從綜合平面布局、建設資金等多因素考慮，最終確定數據中心數據機房的完整電氣系統架構。

1.2 電氣設計節能

一是主要設備的冗余度，主要指電氣設備與暖通設備的冗余度；二是盡可能地提高變壓器、UPS設備的負荷率；三是平面布局過程中，電氣路由合理；四是照明采用LED節能燈具，采用分區分組控制；五是開關容量及個數的冗余度。

1.3 電氣設備能耗

采用電力模塊、干式變壓器、高頻UPS、大小母線用銅排替代電纜等。

2 數據中心供配電系統現狀問題

數據中心供配電系統問題涉及多個方面，主要表現在以下三方面。一是過度規劃，主要體現在機柜數量、單機柜容量、主要設備的冗余上；二是可擴展性差，主要體現在容量預留、開關預留、機房與配電室的空間預留上；三是能耗過高。

3 數據中心供配電系統設計原則

一是可靠性，數據中心供配電系統依據使用性質、管理要求和重要性確定機房建設等級后，對配電系統結構設計、合理布局、關鍵設備備份冗余來提高配電系統的可靠性。二是合理性，數據中心供配電系統設計遵循分區和分級原則。三是靈活性與可擴展性，數據中心供配電系統設計遵循靈活性與可擴展性原則，做到遠近期結合，合理預留擴展接口。四是方便運維性，增加模塊化單元，小到配電設備的零部件，大到配電系統的整體規劃。五是節能環保性，數據中心供配電系統設計遵循國家低碳環保，節能減排的方針，主要從方案制定與設備選型出發，建設綠色數據中心。

4 數據中心供配電系統設計的具體措施

4.1 負荷設計

4.1.1 負荷計算原則

一是110kV 市電N+1 冗余；二是10kV 市電2N 容錯；三是中/高壓主接線采用單母線分斷，兩路母線間設置母聯開關；四是變壓器2N 配置，兩兩一組，互為備用，單臺設計負載率不高于50%，低壓主接線采用單母分段，設置低壓母聯開關；五是IT 負載與制冷系統及其輔助設備不宜共用變壓器；六是IT 用UPS 按2N 冗余配置，最高負荷率不大于43%（按1.2 冗余考慮）；七是動力用UPS 的負荷率不大于80%；八是備用電源采用10kV 高壓柴發機組，柴油發電機組需要按照N+1 配置，N 應覆蓋100%IT 負載及其配套基礎設施。

4.1.2 某項目部分負荷計算

在確定負荷計算原則后，負荷計算與平面布局需同時進行，最小的配電單元（UPS 與變壓器容量的確定）與機房內布局（即最少機柜數）同時考慮。某項目部分負荷計算見表1。

表1 某項目部分負荷計算

4.2 供配電系統架構搭建

4.2.1 配電室的整體布局園區式數據中心變配電所布置如圖1所示。

圖1 園區式數據中心變配電所布置

柴油發電機室依據項目的規模，可臨近機房樓，或與機房樓共用，置于機房樓一層，與高壓配電室臨近；高壓配電室置于機房樓一層，臨近市電進線側，兼顧A/B路市電的進線隔離距離；低壓配電室、UPS 配電室應靠近設備機房（負荷中心）布置，同層相鄰或相鄰樓層；機房層按模塊化布局（以冷通道為單位、以單個機房為單位，以單層為單位），依據模塊化機房的總用電量，進行變壓器、UPS、列頭柜/始端箱等設備選型。

4.2.2 配電系統架構規劃

數據中心供配電系統架構的確定，需要綜合考慮數據中心項目的業務需求、建設規模、投資限制及資源條件等因素，確定數據中心的建設等級后，規劃數據中心的供配電系統架構。

數據中心供配電系統架構應滿足可靠性、靈活性。按數據中心的等級確定系統的容錯與主要設備的冗余情況；避免單點故障；盡量減少供電的級數；供電單元模塊化設計；采用路由最優原則，盡可能地控制路由長度。

4.2.3 某項目案例部分展示

某數據中心項目標準層的平面布置如圖2所示。某數據中心項目的部分配電系統單線如圖3所示。以此為例，標準層共布置4 個模塊機房，每個模塊機房用一套低壓配電系統，IT 用配電柜置于同層，受空間面積制約，該項目的動力用配電柜均布置于一層；同層的IT配電柜與動力配電柜來自同一市電回路，實現分級分區配置。

圖2 某數據中心項目標準層的平面布置

圖3 某數據中心項目的部分配電系統單線

4.3 供配電系統分期建設建議

數據中心建設采用分棟、分層、分機房模塊建設。規劃設計時需要考慮功能分期實施時，對設備、材料的選擇及施工工藝的處理提出要求。如果數據中心分期建設，那么供配電規劃有如下建議。

一是低壓配電設備以機房標準層為單位，規劃配電室的空間面積，柜位；以模塊化機房為單位，對應一套變壓器、UPS、配電柜等設備，按需求分期建設。二是備用電源按初期負荷配置，終期可擴容滿足需求，并預留位置。三是UPS 蓄電池與UPS共同考慮。整體規劃，按需求分期建設。四是防雷接地以配電室、機房為單位建設。五是照明，通盤考慮，無須分期，注意燈具類型的區分。

4.4 供配電設備選型

工廠預制化產品的選擇，可減少現場基建工作，縮短施工周期。

4.4.1 電源模塊的應用

電源模塊由變壓器、SVG、低壓配電柜、UPS和饋線柜部件組成。各組成部件之間采用銅排頂置連接。采用預制化、一體化供配電系統，可以把空間壓縮20%～30%；工廠預制，縮短安裝工期；UPS電源入列，減少連接電纜，降低線損；集成度高，易維護；減少材料及人員施工量，降低項目成本。

4.4.2 高頻模塊化UPS的應用

可采用模塊化UPS，功率模塊N+1 設計。目前常見的功率模塊容量有25kVA、30kVA、50kVA。功率模塊支持熱插拔，使得系統的維護時間大為縮短，5～10min 就可以完成故障模塊的更換工作，大幅地提高了系統的可用性，成倍地減少了備品備件。

4.4.3 專用配電母線的應用

專用配電母線替代傳統的強電列頭柜。通過插接箱就近供電（插接箱位置可調），IT 機柜PDU 插頭可直接插入到母線插接箱中，無復雜接線工作；具備帶電熱插拔功能，能在母線長度方向任意位置插拔取電；在線換相功能；便于擴展。

5 結語

數據中心供配電系統是數據中心最重要的基礎設施，應該在數據中心建設初期予以統籌考慮和全面規劃。從全生命周期考慮，在設計規劃時就要兼顧系統的穩定可靠與供電系統的靈活擴展、技術的規范性與先進性、成本的經濟性、便于工程的后期運維。

數據中心供配電系統可為用戶設計優質的設計方案，解決用戶不斷變化的業務需求與低投資、高回報之間的矛盾，滿足用戶快速部署、靈活擴展的需求，提高數據中心的工作效率，降低用戶運營費用。