数据中心配电设计探讨

贾桥龙，崔国利，柴 龙，郭 松，臧国秀

（北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，北京 102200）

1 数据中心配电设计相关标准

数据中心标准可以分为国家标准，代码GB；行业标准，代码DL（电力行业），YD（邮电行业）等；地方标准，代码DB；企业标准，代码QB。其中，国家标准拥有最高权威，是通用性标准，企业标准的权威性最低，因地制宜地加入了企业内部的规范条款，相对提高了标准宽度。数据中心配电设计不仅要遵循数据中心的直接标准，还要遵循间接电气设计标准。这些直接标准和间接标准有很多部，如GB 50174—2017《数据中心设计规范》、GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》、GB 50055—2011《通用用电设备配电设计规范》、GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》、GB 50052—2009《供配电系统设计规范》、GB 50053—2013《20 kV及以下变电所设计规范》、GB 50054—2011《低压配电设计规范》、GB 50034—2013《建筑照明设计标准》及GB 50217—2018《电力工程电缆设计标准》等。

2 数据中心常见的电气架构

数据中心常见电气架构有传统配电架构、微模块架构、一体化架构及预制模块化架构。

2.1 传统配电架构

市电和后备电源被引入总配电变电所，并通过高压配电设备进行互投，每个模块机房就近配备一个模块变电所，模块变电所内设置变压器、低压配电柜及不间断电源设备，通过机房内的配电设备（精密配电柜或配电母线）供给机柜内的IT设备不间断电源。这种架构适合大多数及大型数据中心。

2.2 微模块架构

与传统配电架构相比，微模块是将模块变电所和机房配电集成到了一套装置内，装置内包括了电源模块、降温装置、消防设施、安防系统及IT设备机柜等各个系统的设备。微模块可以在工厂内进行预制和测试，然后运输到数据中心进行安装投运，可缩短数据中心建设周期，方便快捷地部署应用系统。

2.3 一体化架构

一体化架构与传统配电架构的区别在模块变电所，一体化配电架构是将模块变电内所将变压器、低压配电设备及不间断电源等设备集合成一套装置，输入高压市电（通常为10 kV），就可以直接输出220/380 V交流不间断电源或直流不间断电源，再通过机房内的配电设备（精密配电柜或配电母线）供给机柜内的IT设备不间断电源。一体化配电模式大大节省了设备占用面积，降低了配电柜及线缆的投资成本，是近年来兴起的新型配电形式，大型IDC企业已经开始实践一体化配电形式。

2.4 预制模块化

预制模块化架构是根据需求做好数据中心设计后，在工厂内部完成数据中心基础设施各个系统的有机组合，经验证测试合格后，将预制化模块运输到数据中心现场重新组合，组合完成后即可投入使用的形式。预制模块化形式有效改善了数据中心建设周期长、灵活性差、维护不便的缺点。

3 A级数据中心配电设计

3.1 市 电

A级数据中心应由两路电源供电，两路电源互为备用，且要引自不同地理位置、互不影响、相互独立的两个变电站。

引入数据中心的两路市电电压等级通常为10 kV，10 kV电压等级的市电不可用时，可以采用35 kV电压等级的市电。当数据中心需要多路市电或10 kV市电容量不够时，可以配建110 kV变电站，同时市电电源的可靠性也随着电压等级的提高而提高。

引入A级数据中心总配电室的市电应2N配置，两个市电路径互为备用，正常情况下两个市电路径均投用，当其中一个市电路径失效时，可由另一个市电路径供给数据中心全部用电设备；当引入数据中心的两个市电路径均失效时，就要靠备用电源路径带数据中心全部用电负荷。

3.2 后备电源

后备电源配置是数据中心配电不可或缺的一环，后备电源通常有发电机和专用馈电线路两种形式，发电机又分为柴油发电机和燃气发电机[1]。专用馈电线路虽然和数据中心市电线路保持相对独立，故障因素大大减少，但是和数据中心市电线路来自同一个供电网络，存在同时失效的可能，在审批、费用等方面也比较麻烦。柴油发动机可以和数据中心市电线路保持相互独立，而且在应急响应速度和加载能力上优于燃气发电机，因此柴油发动机在各类数据中心得到广泛应用。大型数据中心常采用中压发电机组（电压等级10 kV），多台发电机并机运行，但是要注意禁止发电机组和数据中心市电电源并网运行[2]。

A级数据中心后备电源容量要不低于数据中心最大用电容量，发电机组容量配置至少为（N+1）冗余，且能够不限时的连续运转，需近配置不少于12 h燃油储储量，性能要达到国标G3级的要求，柴油发电机启动至达到最大加载能力，频率降变化低于±7%，瞬态电压偏差低于-15%[3]。

3.3 模块变电所

为模块机房供电的变电所应2N配置，即每一个模块机房配置一个模块变电所，每两个模块变电所互为备用，各自引入一路市电电源。正常情况下，一个模块变电所为一个模块机房供电，当其中一个模块变电所故障或检修时，由另一个模块变电所单独为两个模块机房供电。

模块变电所内配置变压器和低压配电柜，将高压电源转换为低压电源后，经过不间断电源设备为IT负载供电（传统配电架构下）。每个模块变电所配置一台干式变压器，两个模块变电所内的两台干式变压器2N架构配置，两个变压器路径均有效情况下，两台变压器分别运行，各自承担本模块内的用电负荷，负载率控制在50%以下，当其中一个变压器路径失效时，由另一个变压器路径单独为两个模块机房供电。

配电柜、变压器是成熟的标准化电气产品，可根据实际需要选择规格型号，高压开关柜常采用KYN系列，即户内金属铠装中置移开式。变压器常采用干式变压器，干式变压器型号中SCB后面的数字表示产品性能水平代号，该代号数值越大，代表干式变压器的能效越高。低压配电柜常采用MNS系列的组合式开关设备，配置可抽出形式的抽屉或开关。

3.4 不间断电源

数据中心IT设备用不间断电源有两种形式，一种是交流不间断电源（整流-逆变-输出），另一种是直流不间断电源（整流-输出）。

3.4.1 交流不间断电源

数据中心早期采用工频UPS，因效率低下，体积大等问题，正在逐渐淘汰。工频UPS之后出现传统高频UPS，因其效率高、功耗小、体积小、重量轻、对电网适应能力强及幷机环流衰减等优势得到广泛应用。传统高频UPS之后发展出模块化高频UPS，因其功率模块可热插拔、可靠性高、并联冗余性好、易扩容、低负载下效率高及易维护等优势也受到广大数据中心用户的欢迎。

3.4.2 直流不间断电源

直流不间断电源被称为高压直流（HVDC），高压直流（HVDC）设备整流后，不再进行逆变，直接供给IT设备直流电能，效率更高。备用电池直接挂在输出母线上，市电失电或故障时，电池可用直接对IT设备供电，真正实现IT设备的不间断供电。高压直流（HVDC）也采用模块化设计，同样具备可靠性高、易扩容、效率高及易维护等优点[4]，目前在互联网、电信等数据中心得到大规模应用。

3.4.3 不间断电源配置

服务器等IT设备、精密空调、冷水机组末端冷冻水泵、安防及消防设施属于一级负荷中的特别重要负荷，应采用双电源+双回路的供电方式，满足进线电源无单点故障的要求，同时采用不间断电源系统进行不间断供电，以保证正常电源失电或故障时仍然可用。

不间断电源配电结构有三种形式，第一种为2N结构，第二种为2（N+1）结构，第三种为一路市电直供+一路不间断电源结构。高可靠性角度考虑，选择第一、二种结构，绿色环保角度考虑，宜选第三种结构。

2N结构：每组不间断电源设备按照N配置，每两组互为备用。2（N+1）结构：每组不间断电源设备按照N+1冗余配置，幷机运行，每两组不间断电源互为备用。一路市电直供+一路不间断电源结构：一路市电电源为一组，一路不间断电源为一组，两组电源互为备用。三种结构形式，正常运行时每组电源设备只负担一半负荷，负载率控制在50%以下，当其中一组电源设备失效时，另一组电源设备负担全部负荷[1]。

3.5 电池组

不间断电源系统应配置蓄电池组，在双路市电停电或故障后，后备电源启动前，为IT设备等重要负荷供电。目前，铅酸蓄电池在各类数据中心得到广泛应用，但铅酸蓄电池存在寿命短、体积大及有污染等诸多缺点。随着锂电池在数据中心的应用，铅酸蓄电池的缺点得到有效改善[5]。锂电池性能具有多方面的优点，如具有更高的额定电压、对环境温度要求低、体积小、重量轻、充放电次数多、充放电速度快、新旧电池可以混合使用及不需要定期充放电试验等优势。但是锂电池的价格比较贵，不过随着锂电池应用的扩展，锂电池的价格会降下来，因此锂进铅退是大势所趋[6]。

柴油发电机作为备用电源时的后备时间应不少于15 min，电池室应设置空调降温系统，温度应控制在20～30 ℃[3]；电池监控系统或电力监控系统应能全面检测电池运行状态，在电池参数异常时，发出告警信号。电池充放电试验时，放电时间要满足设计放电时间要求，电池放电截止电压值要大于电池最低电压值要求

3.6 机房配电设备

A级数据中心机柜前端配电设备常采用精密配电柜和配电母线。精密配电柜应2N配置，A/B精密配电柜配电独立，开关可以正常操作，负载可以切换；采用专用配电母线供电时，专用配电母线要具有灵活性、易扩展性。

配电母线形式相对精密配电柜具有减少地面使用空间、易扩容、可靠性高、运维成本低及线路免维护等优势，但是投资成本高。

4 数据中心几个配电误区

4.1 零地电压

零地电压限值是早期IBM工程师为确认数据中心接地系统是否牢靠采取的简便方法，如果新建数据中心投运前的零地电压很高，说明接地电阻高，接地不牢靠。但实际上零地电压不高于10 V，可认为零地电压不会对设备运行造成不良影响。在数据中心，零地电压偏高的原因有三相负载不平衡、零线规格不够及非线性负载谐波影响等，降低零地电压的措施有选择合适的零线、重复接地及加装隔离变压器等。

4.2 隔离变压器

工频机或者精密配电柜中隔离变压器有两个主要作用——隔离和变压，但不具备抗干扰、滤波、缓冲作用，同时隔离变压器运行中向外散发热量，降低了UPS等设备的散热效率，损伤了设备的可靠性。

4.3 后备发电机组容量

对于发电机组容量不低于（N+1）冗余配置的要求，考虑到柴油发电机组不擅长带容性负载及发电机功率因数和负载功率因数的较大差别，有必要提高发电机组数量的配置，加大输出功率，防止发电机组带不动数据中心的全部用电负荷。

4.4 高压直流（HVDC）应用

高压直流（HVDC）在节能上具备独特优势，在互联网及电信数据中心得到广泛应用，但在金融、政企等数据中心应用比较少。这一方面是因为市场上主流IT设备电源模块为交流制式，采用直流电源后，面临设备寿命受影响、厂商不再支持售后维保的困扰；另一方面部分设备必须使用交流电源，不支持直流电源，就需要再增加直流-交流转换设备，降低了可用性。

4.5 节能与可用

在很多数据中心从业者认知中，追求节能就意味着降低了数据中心设备的可用性，但实际并非如此。节能并不等于可用性的降低，采用合理的管理方法及新技术新应用，节能是可以和可用性的提高相辅相成的。

5 TIA数据中心等级划分

TIA-942-B—2017《数据中心电信基础设施标准》中将数据中心电信（T）、暖通（M）、建筑和结构（A）、电气（E）四个发面各划分为4个等级。

5.1 E1级数据中心-基础

为数据中心提供满足电力负荷要求的最低配电水平，没有冗余。电气系统为单路径，只有单个组件，配电路径的组件或部分故障或维护将导致部分或全部IT设备供电中断。

发电机和不间断电源仅需满足基本容量要求，不需要冗余，但是为了保证不间断电源故障或维护期间IT设备正常供电，应为不间断电源配置维护旁路。电力和暖通系统监控是可选的。

5.2 E2级数据中心-有冗余部件的

2级数据中心在1级数据中心基础上，配置N+1冗余不间断电源，发电机和其他配电设备不需要冗余，但是要考虑燃油存储的冗余和隔离，以确保燃油系统故障不会影响整个发电机系统。2级数据中心配电是单一路径，但是每个机柜应有两路单独的电源。

5.3 E3级数据中心-不间断维护的

3级数据中心应有两路市电供电，但可以来自同一变电站，发电机组容量可以N+1配置，其他配电设备要2N配置，从市电到IT设备均为双路径，互为备用，互为备用的两个路径至少一个路径处于投运状态。每条路径的设备应进行物理隔离，以便一条路径的任何维护或灾难性故障不会导致另一条路径的中断。所有设备采用2N结构电源供电，如果无法满足双2N结构电源供电要求，则可以配置双电源，在电源末端设置互投装置。应设置电力、暖通等监控系统，以监控所有的主要电气设备，进行异常告警。

3级数据中心在任何情况下有计划的操作或维护基础设施，都不会影响IT设备的正常运行。

5.4 E4级数据中心-容错

4级数据中心应有两路市电供电，两路市电必须来自不同位置相互独立的两个变电站，发电机组及其他系统组件至少2N配置，互为备用，且均应在投运状态，以便一个路径出现问题时，自动切换到另一个路径工作。每条路径的设备应进行物理隔离，以便一条路径的任何维护或灾难性故障不会导致另一条路径的中断。

所有设备采用2N结构电源供电，如果无法满足双2N结构电源供电要求，则可以配置双电源，在电源末端设置互投装置。监控系统中应设置电池监控系统，用于检测每一个电池的温度、电压、内阻及电池组的电压和温度，电池即将发生异常时发出警报。

4级数据中心除了可以不间断操作和维护外，任何一个单一故障的发生都不会影响IT设备的正常运行。

6 结 论

本文介绍了数据中心配电设计相关标准、配电架构、配电设计、配电误区、TIA942数据中心等级划分。未来数据中心的发展趋势是边缘云计算[6]、绿色化、智能化、高密化、模块化、集约化及锂进铅退等，数据中心的配电设计也需跟随这些趋势发展。