熊 慧

(中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430014)

0 引言

随着信息化技术的高速发展，互联网快速普及，全球数据呈现爆发式增长、海量集聚的特点，各类企事业单位对信息化的需求持续增长，促进了数据中心的建设。数据中心是容纳计算机房及其支持区域的一幢建筑物或建筑物的某个部分，主要设置进行数据处理和数据交换的计算机、网络设备、电子设备等。

目前国内数据中心设计主要遵循的规范为GB 50174- 2017《数据中心设计规范》(以下简称“《数据中心规范》”)。由于各行各业对数据中心的要求差别较大，该规范根据数据中心的使用性质、数据丢失或网络中断在经济或社会上造成的损失或影响程度，将数据中心分为A、B、C三个等级，以满足不同的性能要求：A级：容错数据中心，可靠性和可用性最高；B级：冗余数据中心，可靠性和可用性居中；C级：满足基本需要，可靠性和可用性等级最低。

综合考虑数据中心可靠性和可用性、投资估算、运维复杂程度以及场地条件等多重因素，越来越多的企事业单位业主选择不设置后备柴油发电机系统，建设B级数据中心。本文基于某市级公安部门数据中心项目实例，对B级数据中心的供配电系统设计进行介绍。

1 B级数据中心对供配电系统的技术要求

根据《数据中心规范》附录A：各级数据中心技术要求，将B级数据中心的供配电系统技术要求总结如下。

(1)B级数据中心供电电源宜由双重电源供电。当供电电源只有一路时，需设置后备柴油发电机系统。

(2)B级数据中心变压器应满足冗余要求，宜N+1冗余。

(3)当B级数据中心设有后备柴油发电机系统时，柴油发电机系统宜N+1冗余；后备柴油发电机系统的基本容量应包括不间断电源系统的基本容量、空调和制冷设备的基本容量。

(4)不间断电源系统(UPS系统)宜N+1冗余；不间断电源系统应设置自动转换旁路和手动维修旁路；当柴油发电机作为后备电源时，不间断电源系统电池最少备用时间为7min。

(5)空调系统配电采用双路电源，末端切换。宜采用放射式配电系统。

当B级数据中心不设后备柴油发电机系统时，不间断电源系统电池的最少备用时间在《数据中心规范》中并未提及。当数据中心两路外部电源均失电后，数据中心空调系统将停止运行，而数据中心IT设备由UPS后备电池继续供电。这时候UPS电源的作用主要是维持IT设备正常关机或者IT系统正常切换到灾备系统所需要的时间。鉴于上述原因，笔者建议，当B级数据中心不设柴油发电机作为后备电源时，不间断电源系统电池最少备用时间为30min。

2 某B级数据中心供配电系统设计实例分析

2.1 项目概况

该数据中心由主机房区、辅助区(用于电子信息设备和软件的安装、调试、维护、运行监控和管理的场所)和支持区(为机房提供动力支持和安全保障的区域)组成。

主机房位于新建办公大楼4层，面积约630m2，由8个机房模块组成，可容纳168台服务器机柜。主机房平面布局图如图1所示。

图1 某B级数据中心平面图(主机房区)

运营商机房、机房辅助区(包括拆包区、维修室、上线测试区、运维人员办公室、运维监控室)和支持区(包括配电室、UPS电池间、气瓶间)均位于该办公大楼3层，总面积约550m2，平面布局如图2所示。

2.2 负荷分级与负荷计算

2.2.1 负荷分级

数据中心用电负载主要包括4大类，其负荷分级表1所示。

IT设备用电：主要为机房模块内的计算机类负载，如系统服务器、存储设备、终端设备、网络通讯设备等，对电源质量要求较高，电源连续性要求高。该类负荷为一级负荷中特别重要负荷，采用“双路市电+ UPS供电”。

安防系统用电、应急照明等：该类负荷为一级负荷中特别重要负荷，采用“双路市电+ UPS供电”。

冷源/空调系统用电：主要为风冷冷水机组、循环水泵、机房模块精密空调等设备供电。由于机房内计算机设备不间断运行，设备发热量较大，设备对机房环境温湿度要求较高，因而对机房精密空调系统运行保障等级要求较高。该类负荷为一级负荷，采用“双路市电”(末端自动切换)供电。

机房新风系统、照明、插座等其他负荷：该类负荷为二级负荷。考虑到该项目二级负荷容量不大，二级负荷仍采用“双路市电”(末端自动切换)供电。

图2 某B级数据中心平面图(机房辅助区和支持区)

数据中心负荷分级表表1

2.2.2 负荷计算

(1)IT设备负荷容量计算

根据用户使用需求，每台服务器机柜容纳15台2U服务器，单台服务器的使用功率平均按500W考虑，则每台机柜的容量≥7.5kW。如果采用7U的刀片服务器，每台服务器机柜容纳2台7U刀片服务器，则每台机柜的容量≥8kW。考虑到虚拟化及云计算是未来数据中心的发展趋势，刀片服务器在企业内部已有一定规模的应用，本项目176台服务器机柜的容量均按照8kW设计。IT设备功率因数取0.95，同时系数取0.9。根据机房平面布置图，机房IT设备满载负荷容量计算如表2所示。

UPS用电负荷计算表 表2

注：由于IT设备开关电源输入AC/DC变换电路采用了功率因数校正技术,输出功率因数可>0.98,所以计算时将UPS设备输出功率因数按0.95考虑。

(2)动力设备容量计算

动力设备功率因数取0.8，同时系数取0.8，动力设备负荷容量计算如表3所示。

(3)机房能耗指标PUE计算

由表2～3可知，机房动力总电量为588kVA，机房IT设备总电量为1 327kVA，故机房总设备能耗为 588kVA+1 327kVA=1 915kVA。机房能耗指标PUE=机房总设备能耗÷IT设备能耗=1 915÷1 327=1.44。

该项目机房能耗计算值为1.44，投入运行后该项目实测PUE值为1.56，低于国内机房普遍1.8的标准，完全符合现代绿色数据中心的节能标准。

动力负荷计算表 表3

图3 配电系统图

2.3 供配电系统

该工程10kV中心配电室高压系统为单母线分段运行方式，平时两路10kV电源同时供电各带50%负荷。当一路10kV电源故障时，另一路10k电源承担全部负荷。两路电源高压主进线开关与联络柜主开关之间设电气联锁，确保任何情况下3个主开关只能合其中的两个开关。根据负荷计算，该项目设置2台2 000kVA机房专用变压器，采用(1+1)配置，单台变压器的负载率≤50%，当一台变压器故障时，另一台变压器可带起全部负荷。

两台变压器0.4kV低压系统为单母线分段运行方式，两台变压器平时分列运行，联络开关设自投自复/手动转换开关。自投时应自动断开非保证负荷，以保证变压器正常工作。低压主进开关与联络开关之间设电气联锁，确保任何情况下只能合其中的两个开关。

低压配电系统采用射式与树干式相结合的方式。对于单台容量较大的负荷或重要负荷采用放射式供电；对于照明及一般负荷采用树干式与放射式相结合的供电方式。配电系统图如图3所示。

2.4 UPS系统设计

2.4.1 UPS用电负荷计算表

UPS用电负荷主要涉及主机房服务器机柜、弱电列头柜、运营商机房机柜以及机房安防、动环监控系统。根据业主要求，每台服务器机柜功率密度为8kW，弱电列头柜及运营商机房机柜功率密度均按2kW考虑，UPS用电负荷计算表详见表3。

根据负荷计算，UPS负荷总容量为1 327kVA。根据《数据中心规范》第8.1.7节，E≥1.2P(E为UPS基本容量，P为UPS计算负荷)，则本项目UPS的基本容量为E≥1.2×1 327kVA=1 592.4kVA。

该项目配置6台400kVA UPS设备，UPS负载率为55.3%。

2.4.2 UPS系统配置

该项目将IT负载平均分为两组，6台400kVA UPS设备也分为2组，3台并联为一组，分别接入A、B路变压器。每路3台UPS 2用1备，组成2组N+1供电架构。每路UPS负责整个机房50%的IT负载的供电。

每路UPS均采用(2+1)并机输出方式，任何一台UPS故障均不影响系统的稳定运行。

由于该项目不设后备柴油发电机系统，UPS系统电池后备时间按照30min配置。UPS系统结构图如图4所示。

图4 UPS系统结构图

2.5 IT设备机柜配电设计

根据《数据中心规范》第8.1.9节，电子信息设备的配电宜采用配电列头柜或专用配电母线。采用配电列头柜时，配电列头柜应靠近用电设备安装；采用专用配电母线时，专用配电母线应具有灵活性。

该项目IT设备机柜通过精密配电列头柜进行配电。在每列IT设备机柜的端头设置1台精密配电列头柜，A/B路电源由UPS输出配电柜引入精密配电列头柜输入端，再由精密配电列头柜通过电缆引出至每一台IT设备机柜内。IT设备机柜配电架构图如图5所示。

图5 IT设备机柜配电架构图

考虑到该项目数据中心机房平面布局不具备设备机柜的扩展空间，该项目选择传统的精密配电列头柜方式对IT设备机柜配电，具有成熟、稳定、可靠、经济等特点。

3 结束语