數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)規(guī)劃與方案的選擇

趙志剛

（安徽電信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

供配電系統(tǒng)規(guī)劃要遵循現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合機(jī)房結(jié)構(gòu)和建設(shè)方實(shí)際需求，力求節(jié)約成本、方案合理可行。以往在進(jìn)行供配電系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，人們關(guān)注的重點(diǎn)更多地放在了設(shè)備質(zhì)量上，如高低壓配電柜、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）主機(jī)、分配屏，整個(gè)供配電系統(tǒng)的安全性和方案是否合理適用被淡化。雖然項(xiàng)目采購(gòu)了品質(zhì)非常高的供配電設(shè)備，但是最終卻沒有達(dá)到預(yù)期效果。更有甚者，因系統(tǒng)設(shè)計(jì)不完善和陳舊的設(shè)計(jì)理念導(dǎo)致建設(shè)周期過長(zhǎng)，消耗大量的人力物力資源。

1 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)規(guī)劃

1.1 供配電系統(tǒng)規(guī)劃原則

在進(jìn)行供配電系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，應(yīng)充分遵循規(guī)劃原則，選擇最佳的供配電方案[1]。供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則為：（1）供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)貫徹執(zhí)行國(guó)家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策及《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50174—2017）的相關(guān)規(guī)定，做到保障人身安全、供電可靠、技術(shù)先進(jìn)以及經(jīng)濟(jì)合理；（2）供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)籌兼顧負(fù)荷性質(zhì)、用電容量、工程特點(diǎn)以及地區(qū)供電條件，合理確定設(shè)計(jì)方案；（3）供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)、規(guī)模和發(fā)展規(guī)劃，做到遠(yuǎn)近期結(jié)合，在滿足近期使用要求的同時(shí)，兼顧未來發(fā)展的需要；（4）供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)采用符合國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的高效節(jié)能、環(huán)保、安全、性能先進(jìn)的電氣產(chǎn)品；（5）同時(shí)供電的兩回及以上供配電線路中，一回路中斷供電時(shí)，其余線路應(yīng)能滿足全部一級(jí)負(fù)荷及二級(jí)負(fù)荷的用電需求；（6）供電系統(tǒng)應(yīng)簡(jiǎn)單可靠且便于操作管理，同一電壓等級(jí)的配電級(jí)數(shù)高壓不宜多于2級(jí)，低壓不宜多于3級(jí)；（7）高壓配電系統(tǒng)宜采用放射式供電，根據(jù)變壓器的容量、分布及地理環(huán)境合理選擇，也可采用樹干式或環(huán)式供電；（8）根據(jù)負(fù)荷的容量和分布，配變電站應(yīng)靠近負(fù)荷中心；（9）為提高供電可靠性，達(dá)到節(jié)約用電的要求，在用電單位內(nèi)部鄰近的變電站之間宜設(shè)置低壓聯(lián)絡(luò)線。

除此之外，在規(guī)劃供配電系統(tǒng)方案時(shí)，還要考慮數(shù)據(jù)中心的功能定位及業(yè)務(wù)需求、數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模和供配電容量需求、機(jī)房環(huán)境和負(fù)載性質(zhì)、未來5～10年的擴(kuò)展或改造可行性、擬投資成本與經(jīng)濟(jì)收益預(yù)期以及能源效率指標(biāo)（Power Usage Effectiveness，PUE）。

1.2 業(yè)務(wù)定位和供配電系統(tǒng)需求

不同地理位置的數(shù)據(jù)中心對(duì)供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求存在較大差異。對(duì)于銀行證券類的數(shù)據(jù)中心而言，必須確保7×24 h持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，確保業(yè)務(wù)不中斷。供配電系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，需充分考慮各種因素，核心是合理分配擬建成本[2]。一個(gè)相對(duì)安全的配電系統(tǒng)組成往往需要大量的配電設(shè)備通過非常復(fù)雜的邏輯構(gòu)架實(shí)現(xiàn)，高安全性系統(tǒng)相比最簡(jiǎn)單的供配電系統(tǒng)的費(fèi)用投入往往是其幾倍甚至十幾倍。

隨著我國(guó)電網(wǎng)持續(xù)供電能力大幅提升，越來越多的客戶選擇一路市電+一路UPS配電模式進(jìn)行建設(shè)，運(yùn)行非常穩(wěn)定，在節(jié)省電費(fèi)的同時(shí)，大幅降低了數(shù)據(jù)中心的PUE指標(biāo)。一路市電+一路UPS配電模式的配置如表1所示，其中數(shù)據(jù)均以最基礎(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)備量為基數(shù)。

表1 一路市電+一路UPS配電模式配置

1.3 建設(shè)規(guī)模與用電容量估算

在規(guī)劃和設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)容量時(shí)，需確保其可擴(kuò)展性和可改造性，以滿足數(shù)據(jù)中心按需分期建設(shè)的要求。方案規(guī)劃之初，在邏輯構(gòu)架確定、產(chǎn)品選型上要預(yù)留充足的可擴(kuò)展空間，通常預(yù)測(cè)為5～10年后的需求。

方案規(guī)劃時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模、服務(wù)器類型和數(shù)量、供配電方案以及制冷模式等內(nèi)容進(jìn)行充分的論證，依據(jù)科學(xué)方法盡可能準(zhǔn)確地估算電能需求，確保用電量的估算結(jié)果更接近實(shí)際情況。

電量估算的范圍一般包括：（1）服務(wù)器；（2）消防系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、動(dòng)環(huán)系統(tǒng)；（3）柴油發(fā)電機(jī)、變壓器、低壓成套設(shè)備、低壓分配系統(tǒng)以及UPS系統(tǒng)；（4）蓄電池備電系統(tǒng)；（5）制冷系統(tǒng)，包括制冷主機(jī)、終端空氣調(diào)節(jié)及其他設(shè)備；（6）照明系統(tǒng)；（7）其他輔助設(shè)備。

1.3.1 核心負(fù)載供配電容量的統(tǒng)計(jì)估算

核心負(fù)載一般指數(shù)據(jù)機(jī)柜中的服務(wù)器機(jī)架、消防系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、動(dòng)環(huán)系統(tǒng)等。根據(jù)設(shè)備廠商提供的設(shè)備參數(shù)，統(tǒng)計(jì)核算額定功率。數(shù)據(jù)信息中心的負(fù)載實(shí)時(shí)變化，一般IT設(shè)備的更新周期為5年，屆時(shí)將會(huì)有更好、更新、更強(qiáng)大且更高效的設(shè)備出現(xiàn)。電量估算時(shí)，需充分考慮未來5～10年的變化，這樣才能正確估算電量需求[3]。

1.3.2 UPS供配電系統(tǒng)消耗的功率

確定數(shù)據(jù)中心的安全等級(jí)后，根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50172-2017）設(shè)計(jì)相應(yīng)的供配電方案，再結(jié)合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行估算。依據(jù)相關(guān)規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)，供配電系統(tǒng)各種設(shè)備的運(yùn)行效率范圍如表2所示。

表2 供配電系統(tǒng)各種設(shè)備的運(yùn)行效率范圍

1.3.3 照明設(shè)施負(fù)載

數(shù)據(jù)中心照明按功能分為機(jī)房主照明、備用照明、應(yīng)急照明（含疏散指示），一般以建筑面積直接估算，取20 W/m2。

1.3.4 制冷負(fù)載

制冷負(fù)載一般由制冷壓縮機(jī)、空調(diào)末端以及溫濕度控制系統(tǒng)組成。不同的制冷系統(tǒng)在制冷效率上差異很大，依據(jù)制冷模式劃分主要有冷凍水系統(tǒng)和風(fēng)冷系統(tǒng)。冷凍水系統(tǒng)相比風(fēng)冷系統(tǒng)的效率通常更高。

1.3.5 估算電力電網(wǎng)系統(tǒng)的容量

數(shù)據(jù)中心負(fù)載的服務(wù)器功耗只是基礎(chǔ)功耗，不能僅依據(jù)服務(wù)器功耗值估算數(shù)據(jù)中心的電能需求量和發(fā)電機(jī)有功功率。估算外電容量時(shí)，依據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50174—2017），一般在所需的總電力系統(tǒng)容量基礎(chǔ)上上浮25%作為安全冗余。負(fù)荷峰值功率必須按照標(biāo)準(zhǔn)或工程實(shí)踐的要求估算，加上冗余或安全系數(shù)[4]。

1.3.6 估算發(fā)電機(jī)備用電力系統(tǒng)的容量

后備發(fā)電機(jī)組應(yīng)根據(jù)負(fù)荷容量、重要程度及市電引入等級(jí)進(jìn)行選擇和配置，選擇具備自啟動(dòng)、自投切功能的自動(dòng)化機(jī)組。后備發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)負(fù)載率應(yīng)基于設(shè)備主用功率作為額定容量進(jìn)行測(cè)算，應(yīng)使經(jīng)常性負(fù)載（無蓄電池充電、空調(diào)斷電重啟等情況）在其額定容量的45%～85%，短時(shí)最大負(fù)載在其額定容量的100%或?qū)嵤┙翟牍こ毯髮?shí)際最大可帶載率范圍內(nèi)。

1.4 規(guī)劃設(shè)計(jì)流程

目前，數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃設(shè)計(jì)仍處于探索階段，主流規(guī)劃仍停留在將不同供應(yīng)商、不同功能的配電設(shè)備依據(jù)規(guī)范界定的邏輯構(gòu)架組合成大型供配電系統(tǒng)。其不科學(xué)、不規(guī)范的規(guī)劃設(shè)計(jì)突出表現(xiàn)在：在主觀假設(shè)的基礎(chǔ)上確定數(shù)據(jù)中心的規(guī)模、預(yù)算和建設(shè)進(jìn)度，沒有深入研究工程細(xì)節(jié)，匆匆進(jìn)行設(shè)備采購(gòu)，沒有充分研究探討數(shù)據(jù)中心的配電邏輯是否合理、自身維護(hù)成員能否駕馭、產(chǎn)品功能能否實(shí)現(xiàn)提出的技術(shù)需求等[5]。一個(gè)探討調(diào)研不全面的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案往往會(huì)造成后期的工作難以開展，增加建設(shè)成本。

為了避免這些問題，要嚴(yán)格遵循正確的規(guī)劃思路，具體包括以下5個(gè)方面：一是確定目標(biāo)需求，包括電力容量、擬投資金、分期計(jì)劃、關(guān)鍵功能需求以及能效指標(biāo)；二是基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃，包括安全等級(jí)確定（抗風(fēng)險(xiǎn)能力）和相應(yīng)的供配電方案；三是確定用戶要求，包括客戶傾向、制約因素、擬建投資、改擴(kuò)建計(jì)劃、安全等級(jí)；四是編制項(xiàng)目文件，包括編制可行性研究報(bào)告和項(xiàng)目建議書；五是制定計(jì)劃，即制定詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)劃。

2 數(shù)據(jù)中心供配電方案

2.1 供電方案

目前，從數(shù)據(jù)中心供電邏輯構(gòu)架來看，主要有N系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)2N系統(tǒng)以及節(jié)能2N系統(tǒng)3種形式。無論選擇哪種供電，因數(shù)據(jù)中心的相對(duì)重要性，都應(yīng)選擇與供電變壓器容量相當(dāng)?shù)陌l(fā)電機(jī)作為備用電源。

2.1.1N系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用“單市電+油機(jī)”供電模式，具體供電邏輯如圖1所示。

圖1 “單市電+油機(jī)”供電模型

該供電模型適用市電穩(wěn)定、業(yè)務(wù)定位不高、投資額度低的項(xiàng)目。優(yōu)點(diǎn)是配電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作維護(hù)、成本造價(jià)低、建筑空間占用相對(duì)較小。缺點(diǎn)是交流電持續(xù)穩(wěn)定供電嚴(yán)重依賴外市電，可能會(huì)造成服務(wù)器斷電宕機(jī)。

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)2N系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用“雙UPS+發(fā)電機(jī)備電”模式，具體供電邏輯如圖2所示。

圖2 “雙UPS+發(fā)電機(jī)備電”供電模型

該供電模型適用于業(yè)務(wù)定位非常高且對(duì)穩(wěn)定性和安全性要求非常高的大型數(shù)據(jù)中心。

優(yōu)點(diǎn)是配電系統(tǒng)非常安全，任何一路外市電停電都不會(huì)對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的有源設(shè)備產(chǎn)生影響。缺點(diǎn)是設(shè)備組件冗余多、成本非常高、需要專業(yè)人員進(jìn)行日常操作維護(hù)、大面積占用建筑空間。

2.1.3 節(jié)能2N系統(tǒng)

該系統(tǒng)為“一路市電+一路UPS電+發(fā)電機(jī)備電”模式，具體供電邏輯如圖3所示。

圖3 “一路市電+一路UPS電+發(fā)電機(jī)備電”供電模型

相較于標(biāo)準(zhǔn)2N模型，該模型缺省了一側(cè)的UPS，采用市電直供，同樣實(shí)現(xiàn)了2條供電線路冗余。該供電模型適用于至少有一路外市電相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域，且業(yè)務(wù)定位重要、穩(wěn)定性和安全性要求高的場(chǎng)景。

相較于前2種模型，“一路市電+一路UPS電+發(fā)電機(jī)備電”供電模型繼承了標(biāo)準(zhǔn)2N模型的高穩(wěn)定性、安全性，節(jié)省了電力室空間，優(yōu)化了部分設(shè)備，符合國(guó)家節(jié)能減排的要求。

2.2 配電方案

規(guī)劃配電方案時(shí)，要充分結(jié)合企業(yè)整體發(fā)展進(jìn)程及發(fā)展規(guī)劃，選擇適合企業(yè)自身的配電方案?；跀?shù)據(jù)中心的規(guī)模、計(jì)算機(jī)房的布局、維護(hù)習(xí)慣以及對(duì)可擴(kuò)展性的需求，有3種形式的配電方案可選擇，即集中式配電方案、分散式配電方案、區(qū)域式配電方案。

2.2.1 集中式配電方案

集中式配電方案中，整個(gè)機(jī)房只使用一套或一組UPS（多套UPS并機(jī)成組）系統(tǒng)來供應(yīng)整個(gè)數(shù)據(jù)中心的電能。在我國(guó)數(shù)據(jù)中心剛剛起步的階段，集中供配電成為首選，主要是用戶過分強(qiáng)調(diào)供配電系統(tǒng)維護(hù)的便利性。

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的快速推進(jìn)，服務(wù)器集成度越來越高，單負(fù)載功耗越來越高，如果選用集中式供配電，需要更多更大容量的單機(jī)并機(jī)，然后組成一個(gè)配電設(shè)備數(shù)量龐大、電能容量超大的并機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系紛繁復(fù)雜，安全管理變得異常煩雜，維護(hù)成本越來越高，維護(hù)難度越來越大，維護(hù)人員所需具備的專業(yè)技術(shù)水平也要越來越高。隨著供配電系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性、易維護(hù)性、節(jié)能效率要求越來越高，集中式供電的不足之處逐漸顯現(xiàn)。

2.2.2 分散式配電方案

分散式配電方案中，整個(gè)機(jī)房建設(shè)2個(gè)或者多個(gè)動(dòng)力室，動(dòng)力室內(nèi)UPS為主設(shè)備區(qū)提供電能，能夠滿足特殊的安全要求。分散式配電方案又稱點(diǎn)式方案，其特點(diǎn)是在一個(gè)機(jī)房中由多個(gè)動(dòng)力室內(nèi)UPS系統(tǒng)分別為IT設(shè)備提供電力。

由于存在多個(gè)動(dòng)力室，抗災(zāi)能力最佳，但針對(duì)數(shù)據(jù)中心建設(shè)而言，相應(yīng)的配套部分建筑面積占用比例最大。該方案適用于改建型數(shù)據(jù)中心，由于需要多路外市電引接，建設(shè)成本略高。

2.2.3 區(qū)域式配電方案

區(qū)域式配電往往將配電設(shè)備統(tǒng)一規(guī)劃在一個(gè)大的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)配置多組UPS系統(tǒng)，系統(tǒng)之間無任何復(fù)雜的邏輯關(guān)系。依據(jù)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的布局或設(shè)備的功能劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域由一組（一路市電+一路UPS電）或2組UPS（雙UPS系統(tǒng)）來供應(yīng)該區(qū)域所需電能。

區(qū)域式配電屬于當(dāng)下最常見的配電方案。從配電邏輯來看，通過合理的規(guī)劃，人為地將數(shù)據(jù)中心服務(wù)器設(shè)備劃分為網(wǎng)格單元，將相配套的配電劃歸在網(wǎng)格中。通過網(wǎng)格與網(wǎng)格之間的隔離，同樣實(shí)現(xiàn)了備災(zāi)功能。從維護(hù)的角度來看，該配電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)，維護(hù)界面清晰，建設(shè)更加經(jīng)濟(jì)、合理。

3 結(jié) 論

作為供配電系統(tǒng)的規(guī)劃者，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度對(duì)供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和建設(shè)者的個(gè)性化需求進(jìn)行研究與分析。通過評(píng)價(jià)項(xiàng)目全生命周期的經(jīng)濟(jì)效益，充分考慮項(xiàng)目全生命周期的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、擴(kuò)建、管理以及維護(hù)的總成本，調(diào)研論證項(xiàng)目發(fā)展初期投入、運(yùn)行維護(hù)企業(yè)成本、營(yíng)收能力，確保獲得最大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇的過程中，在保證配電系統(tǒng)安全水平的前提下，充分調(diào)研和論證整個(gè)項(xiàng)目生命周期內(nèi)各種影響因素，構(gòu)建高效合理的配電結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)較高的性價(jià)比。