论文部分内容阅读
摘要：数据中心配电是数据中心设计的核心问题，一切IT设备、支持设备（如空调、照明等）都需要配电系统的支撑。合理的配电系统能降低建设成本与运行成本，而且能保证IT设备运行要求。本文着重探讨的数据中心的配电设计要点，针对不同类型的机房设计与之匹配的方案。
关键词：交流输入 UPS供电 机架配电
中图分类号：S611文献标識码： A
1.数据中心配电需求
全球化的经济模式与商务模式要求数据中心应提供365天24小时的不间断服务。数据中心基础供电业务是保证数据中心24小时不间断应用的基本保障，由此，数据中心供配电被列为是机房最重要的子系统之一。
数据中心建设阶段，配电设计应解决好实际负荷与规划负荷之间的容量差，做出设计规划，保证投资产出比。根据数据中心用电需求等级，还应注意数据中心配电方式与整个建筑物配电方式的匹配性，尽量利用建筑物现有的供配电资源（如柴油发电机组等），以减少数据中心本身的投资额度。
数据中心的规划应具有一定的超前性，其供电方案不仅需要满足当前业务应用需求，还应满足数据中心机房设计寿命内的供配电要求。故数据中心机房配电应结合远近期的用电需求，保证机房供配电设计的科学性、经济性与合理性。在选择配电设备时，应提高配电设备的转换比，减少供电设备的能源浪费。
网络交换设备、安全设备、应用服务器等都属于精密电子设备，精密电子设备对电源质量的要求远远超过普通用电设备的要求。精密电子设备对电源频率、谐波、电压稳定性的要求应在供配电设计中充分考虑而且必须保证。
数据中心供配电设计需求应从以下几个方面考虑：可靠性、供电容量、谐波治理、供电延时等。
2.数据中心配电设计的最新理念
技术水平不断的提高，IT系统的要求也不断提出更高的要求。在技术提高与要求不断提高的过程中，供电系统不断的暴露问题，随着暴露出来问题的解决，数据中心配电设计的新理念随之产生。
近些年数据中心配电设计新理念归纳起来表现有如下几点。
配电设计专注点由单台设备转向机房供电系统
配电可靠性研究转向配电可用性
专注提高供电系统对应用变化的适应
一体化的设计理念推广
模块化的设计理念推广
基于以上设计理念，数据中心供配电设计产生了巨大的变化。数据中心的供配电设计虽然涵盖交流输入系统、不停电供电系统、机架配电系统、柴油发电机系统、供电转换等多个系统，限于本文关注点与篇幅。本文著重探讨数据中心不间断供电方案与机柜配电两个方面的研究。
3.不间断供电方案
按数据中心分级的不同，可采用不同的配电方案。在数据中心建设阶段，往往并不能明确数据中心的使用情况，但在建设阶段应充分考虑到数据中心机房建设完成后的适应性与可用性。
根据GB50174-2008 电子信息系统机房设计规范附录A要求，A级、B级机房作为一级负荷，市电交流供电方案应采用双电源供电方案，C级机房作为二级负荷，市电交流供电方案采用双回路供电方案。机房交流市电的稳态频率偏差范围应保证在50±0.5Hz，输入电压波形失真应<5%。
数据中心用电设备根据使用要求不同，常用的供电方式有如下几种。
直接供电方式
市电直接供电计算机设备及辅助设备配电柜，该方式维修方便、运行费用低，但对电网质量要求高，一旦断电，将造成重大损失。
组合供电方式
组合式供电方式是指隔离变压器、稳压器、滤波器等设备构成的供电系统。隔离变压器与稳压器能起到隔离抗干扰的作用，稳压器则可调节电网电压的波动。组合供电方式虽然能提供优质的电源质量，但不能解决电网供电的连续性。
稳压稳频供电方式
由整流器、可控硅控制器、充电器等设备组成。但该种方式需要配备蓄电池组或柴油发电机组。而且其转换速度并不能满足大多数IT设备的要求。
不间断供电方式
不间断供电方式采用不间断电源+蓄电池组+柴油发电机组（可选）。不间断供电方式能够提供优质的电源质量与可靠的配电延时。
在确定不间断供电方案前应确定数据中心机房的供电方案及用电容量。机房供配电的等级要求应与数据中心机房等级相匹配。
UPS不间断供电系统的基本类型分为三类：N系统、N+X系统、2N系统。
N系统的配电方案是为用电设备配备与之容量相等的单台UPS主机或一组并联UPS模块构成的系统。N系统需要配备外部旁路维护，当需要维护时，将整个UPS配电系统安全关闭，使用旁路市电供电。N系统正常运行时，应通过UPS主机提供供电。N系统不间断供电系统缺乏冗余，存在多个单故障点，其可靠性受到供电系统最薄弱环节的限制，在数据中心配电系统中只应用于等级较低的机房应用。
并联冗余N+X系统是为了解决N系统的薄弱环节而设计的冗余配置方案。其方案是采用模块化的电源供电方案，其备用模块至少应等于一个系统模块的容量，这样的系统被称为N+1系统。如果备用模块等于多个系统模块的容量，被成为N+X系统。
N+X采用并机柜多机并联。N+X系统可冗余故障模块，方案可用性较高，而且可根据电力需求的增长而增长，投资前期保护效果良好。
2N系统又被称为并联冗余双总线系统，该系统从交流输入、UPS系统、双电源输入负载，采用完全彼此隔离的两条供电线路。在该系统运行下，IT负载的整个供电环节与设备都是冗余配置的，双输入电源负载构成了最高可用级别的双总线供电系统。
4.机架配电
IT设备机架化是IT设备及数据中心发展的趋势，设备的机架化的趋势要求配备IT设备的专用电源机架。机架配电设备分为两部分，IT设备用电的PDU配电系统，其他设备的普通电源插座配电。
PDU机架配电可采用两种形式：占用机架空间的配电方式，称为0U机架式配电；不占用机架空间的配电方式，称为1U机架配电。建议采用0U机架式配电系统，该系统允许设备就近配电，减少机架内线路交叉。
机架配电方式采用IT设备专用PDU配电方式。PDU配电应实现如下基本功能：负载电流显示、负载状态显示、报警显示、通信功能。一般情况下PDU 设备应具备两个串口通信方式，以方便机房工程集成平台对基础设备的在线监控。在机房配电设计中，应设置用电设备管理服务器，接入PDU、精密配电柜等设备。
机架配电设备PDU的基本要求。
PDU总配电容量应能满足本机架所有IT设备的用电需求，部分做预留机架应按远期规划容量做预留，并适当考虑裕量。PDU给个插座的输出容量应大于单台IT设备用电量的最大需求。设备安装时应特别注意用电设备的用电相序与接线方式，避免因配电原因造成的设备损失。
PDU配电设备应具有电流检测、保护与通信功能，且只提供给IT设备使用，其他设备不可接入到PDU供电系统中来。
机架内其他设备的配电采用普通用电插座。该电源插座应能提供机柜IT设备检修设备、临时照明、机柜排风扇、清扫机房吸尘器等设备的用电，采用3+2孔插座设计，总容量不小于15A。
5.总结语
云计算与网络经济的扩展的推动，数据中心的建设已经进入到一个十分高速的阶段。在未来十年内，数据中心将是我国信息化发展的重点领域，如何认识数据中心，如何建设数据中心将是我们必须要解决的问题。本文以数据中心配电系统为切入点，探讨了机房能源系统的保障问题，希望能为数据中心设计带来新的思路。
参考文献：姚赟.高可靠性绿色数据中心的构建，西北工业大学出版社，2013年9月
张广明 陈冰 张彦和 数据中心基础设施设计与建设 电子工业出版社 2012年6月
数据中心供配电系统技术白皮书 中国工程建设标准化协会信息通信专业委员会数据中心工作组2011年8月
GB50174-2008 电子信息系统机房设计规范
GB50462-2008 电子信息系统机房施工及验收规范
GB50052-2009 供配电系统设计规范
作者简介：1. 李亮（1979-），男，河南淮滨人，本科，工程师，工作方向为建筑电气设计
2. 陈明静（1983-），女，河南南阳人，硕士，工程师，工作方向为建筑电气设计
关键词：交流输入 UPS供电 机架配电
中图分类号：S611文献标識码： A
1.数据中心配电需求
全球化的经济模式与商务模式要求数据中心应提供365天24小时的不间断服务。数据中心基础供电业务是保证数据中心24小时不间断应用的基本保障，由此，数据中心供配电被列为是机房最重要的子系统之一。
数据中心建设阶段，配电设计应解决好实际负荷与规划负荷之间的容量差，做出设计规划，保证投资产出比。根据数据中心用电需求等级，还应注意数据中心配电方式与整个建筑物配电方式的匹配性，尽量利用建筑物现有的供配电资源（如柴油发电机组等），以减少数据中心本身的投资额度。
数据中心的规划应具有一定的超前性，其供电方案不仅需要满足当前业务应用需求，还应满足数据中心机房设计寿命内的供配电要求。故数据中心机房配电应结合远近期的用电需求，保证机房供配电设计的科学性、经济性与合理性。在选择配电设备时，应提高配电设备的转换比，减少供电设备的能源浪费。
网络交换设备、安全设备、应用服务器等都属于精密电子设备，精密电子设备对电源质量的要求远远超过普通用电设备的要求。精密电子设备对电源频率、谐波、电压稳定性的要求应在供配电设计中充分考虑而且必须保证。
数据中心供配电设计需求应从以下几个方面考虑：可靠性、供电容量、谐波治理、供电延时等。
2.数据中心配电设计的最新理念
技术水平不断的提高，IT系统的要求也不断提出更高的要求。在技术提高与要求不断提高的过程中，供电系统不断的暴露问题，随着暴露出来问题的解决，数据中心配电设计的新理念随之产生。
近些年数据中心配电设计新理念归纳起来表现有如下几点。
配电设计专注点由单台设备转向机房供电系统
配电可靠性研究转向配电可用性
专注提高供电系统对应用变化的适应
一体化的设计理念推广
模块化的设计理念推广
基于以上设计理念，数据中心供配电设计产生了巨大的变化。数据中心的供配电设计虽然涵盖交流输入系统、不停电供电系统、机架配电系统、柴油发电机系统、供电转换等多个系统，限于本文关注点与篇幅。本文著重探讨数据中心不间断供电方案与机柜配电两个方面的研究。
3.不间断供电方案
按数据中心分级的不同，可采用不同的配电方案。在数据中心建设阶段，往往并不能明确数据中心的使用情况，但在建设阶段应充分考虑到数据中心机房建设完成后的适应性与可用性。
根据GB50174-2008 电子信息系统机房设计规范附录A要求，A级、B级机房作为一级负荷，市电交流供电方案应采用双电源供电方案，C级机房作为二级负荷，市电交流供电方案采用双回路供电方案。机房交流市电的稳态频率偏差范围应保证在50±0.5Hz，输入电压波形失真应<5%。
数据中心用电设备根据使用要求不同，常用的供电方式有如下几种。
直接供电方式
市电直接供电计算机设备及辅助设备配电柜，该方式维修方便、运行费用低，但对电网质量要求高，一旦断电，将造成重大损失。
组合供电方式
组合式供电方式是指隔离变压器、稳压器、滤波器等设备构成的供电系统。隔离变压器与稳压器能起到隔离抗干扰的作用，稳压器则可调节电网电压的波动。组合供电方式虽然能提供优质的电源质量，但不能解决电网供电的连续性。
稳压稳频供电方式
由整流器、可控硅控制器、充电器等设备组成。但该种方式需要配备蓄电池组或柴油发电机组。而且其转换速度并不能满足大多数IT设备的要求。
不间断供电方式
不间断供电方式采用不间断电源+蓄电池组+柴油发电机组（可选）。不间断供电方式能够提供优质的电源质量与可靠的配电延时。
在确定不间断供电方案前应确定数据中心机房的供电方案及用电容量。机房供配电的等级要求应与数据中心机房等级相匹配。
UPS不间断供电系统的基本类型分为三类：N系统、N+X系统、2N系统。
N系统的配电方案是为用电设备配备与之容量相等的单台UPS主机或一组并联UPS模块构成的系统。N系统需要配备外部旁路维护，当需要维护时，将整个UPS配电系统安全关闭，使用旁路市电供电。N系统正常运行时，应通过UPS主机提供供电。N系统不间断供电系统缺乏冗余，存在多个单故障点，其可靠性受到供电系统最薄弱环节的限制，在数据中心配电系统中只应用于等级较低的机房应用。
并联冗余N+X系统是为了解决N系统的薄弱环节而设计的冗余配置方案。其方案是采用模块化的电源供电方案，其备用模块至少应等于一个系统模块的容量，这样的系统被称为N+1系统。如果备用模块等于多个系统模块的容量，被成为N+X系统。
N+X采用并机柜多机并联。N+X系统可冗余故障模块，方案可用性较高，而且可根据电力需求的增长而增长，投资前期保护效果良好。
2N系统又被称为并联冗余双总线系统，该系统从交流输入、UPS系统、双电源输入负载，采用完全彼此隔离的两条供电线路。在该系统运行下，IT负载的整个供电环节与设备都是冗余配置的，双输入电源负载构成了最高可用级别的双总线供电系统。
4.机架配电
IT设备机架化是IT设备及数据中心发展的趋势，设备的机架化的趋势要求配备IT设备的专用电源机架。机架配电设备分为两部分，IT设备用电的PDU配电系统，其他设备的普通电源插座配电。
PDU机架配电可采用两种形式：占用机架空间的配电方式，称为0U机架式配电；不占用机架空间的配电方式，称为1U机架配电。建议采用0U机架式配电系统，该系统允许设备就近配电，减少机架内线路交叉。
机架配电方式采用IT设备专用PDU配电方式。PDU配电应实现如下基本功能：负载电流显示、负载状态显示、报警显示、通信功能。一般情况下PDU 设备应具备两个串口通信方式，以方便机房工程集成平台对基础设备的在线监控。在机房配电设计中，应设置用电设备管理服务器，接入PDU、精密配电柜等设备。
机架配电设备PDU的基本要求。
PDU总配电容量应能满足本机架所有IT设备的用电需求，部分做预留机架应按远期规划容量做预留，并适当考虑裕量。PDU给个插座的输出容量应大于单台IT设备用电量的最大需求。设备安装时应特别注意用电设备的用电相序与接线方式，避免因配电原因造成的设备损失。
PDU配电设备应具有电流检测、保护与通信功能，且只提供给IT设备使用，其他设备不可接入到PDU供电系统中来。
机架内其他设备的配电采用普通用电插座。该电源插座应能提供机柜IT设备检修设备、临时照明、机柜排风扇、清扫机房吸尘器等设备的用电，采用3+2孔插座设计，总容量不小于15A。
5.总结语
云计算与网络经济的扩展的推动，数据中心的建设已经进入到一个十分高速的阶段。在未来十年内，数据中心将是我国信息化发展的重点领域，如何认识数据中心，如何建设数据中心将是我们必须要解决的问题。本文以数据中心配电系统为切入点，探讨了机房能源系统的保障问题，希望能为数据中心设计带来新的思路。
参考文献：姚赟.高可靠性绿色数据中心的构建，西北工业大学出版社，2013年9月
张广明 陈冰 张彦和 数据中心基础设施设计与建设 电子工业出版社 2012年6月
数据中心供配电系统技术白皮书 中国工程建设标准化协会信息通信专业委员会数据中心工作组2011年8月
GB50174-2008 电子信息系统机房设计规范
GB50462-2008 电子信息系统机房施工及验收规范
GB50052-2009 供配电系统设计规范
作者简介：1. 李亮（1979-），男，河南淮滨人，本科，工程师，工作方向为建筑电气设计
2. 陈明静（1983-），女，河南南阳人，硕士，工程师，工作方向为建筑电气设计