安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要： 數據中心，也被稱為互聯網數據中心，是一個綜合性的專業的技術場地設施，建設需要將空間設計、建筑裝潢、電源系統、空調設備、消防設備及照明設備融合一體進行統一規劃。動力環境系統的規劃設計，主要是對數據中心的用電需求進行整體設計、整
體規劃，以滿足數據中心的使用要求及后續的發展要求。只有既滿足數據中心的各項國標要求，又具有建筑裝飾現代藝術風格，有新的立意，才能充分滿足業主的使用要求。
關鍵詞： 數據中心 不間斷電源系統 UPS 系統 高壓直流系統 電源利用效率 PUE
一、數據中心供配電系統概述
數據中心是各類信息數據設備安裝和運行的環境，為了保證計算機系統的穩定及可靠運行，通信網絡暢通無阻地傳遞信息，必須具備良好的操作環境。數據中心的建設的目標不僅需要滿足當前業務的運行，還需要為今后業主的業務發展提供服務。因此數據中心的建設要求提供高可靠、高品質的機房環境。數據中心的供配電系統主要包括數據中心的低壓引入、不間斷電源系統、應急供電系統和配電列頭柜系統。供配電系統是數據中心建設的關鍵系統，直接影響機房內數據傳輸和網絡的可靠性、可擴展性、可維護性。
二、供配電系統
數據中心用電負荷等級及供電要求應根據數據中心的等級確定，按照國家現行規范定義，國內數據中心的等級由高至低分為A級、B級和C級。其中A級為容錯型，要求供電系統按容錯系統配置，也就是我們通常說的2N的配置模式；B級為冗余型，要求供電系統按冗余要求配置，也就是我們通常說的N+1的配置模式，C級為基本型，要求供電系統按基本需求配置。供配電系統設備技術的要求及設備配置原則如下表 1。
表 1 數據中心供配電設備配置技術要求表
數據中心的配電系統一般指從低壓配電到設備負載供電之間的配電，包括配電系統一般包括低壓配電系統、交 / 直流系統、配電柜系統，高壓配電及低壓一次配電包含在建筑物整體建設中，由電氣專業負責，需要考慮建筑物的整體用電情況。一套完整的數據中心供配電系統組成如下圖所示：
圖 1 數據中心供配電系統圖
通信設備電源需要與空調動力電源分開，通信設備及一些重要設備采用不間斷電源系統供電，其它非重要設備可以采用市電直接供電。
2.1 低壓配電系統
低壓配電系統的電壓為380V或 220V，交流電頻率為50HZ, 供電質量需要達到 A 級。不間斷電源系統和空調系統在正常運行狀態下需要通過低壓系統供電，設置在建筑物內局部區域的數據中心可單獨設置低壓二次配電系統，由就近的低壓一次配電系統提供滿足容量需求的供電端子，通過低壓母線槽，引入數據中心的配電室設置的低壓二次配電系統。
低壓配電系統的建設容量按照數據中心遠期的用電需求進行設計，一套低壓配電系統，需要設置輸入柜、市電油機
切換柜（ATS）、輸出柜等。同時在配電室和數據中心配置供空調、照明單獨使用的配電柜 / 配電箱。數據中心的低壓負荷用電需求主要為數據中心的機柜設備用電需求、空調用
電需求、照明、風機及其他設備需求，還包括不間斷電源系統的供電需求。在計算數據中心的低壓引入的時候，上述用電設備的負荷需要按照遠期規劃的規模全部計算進去，詳細計算如下：1. 設備機柜功率：單臺設備機柜功率╳設備機柜臺數 = 總功率（KW）；2. 蓄電池充電功率：蓄電池組組數* 每組蓄電池電壓 * 每組蓄電池組充電電流（單組蓄電池容量 *10%）（KW）；3. 空調負荷：數據中心內IT設備熱負荷+環境熱負荷；4. 其它用負荷，照明及其他弱電系統，如監控系統等。由以上幾項可以計算出一個數據中心的交流引入容量。低壓配電系統，對空調系統和其他通信信息設備單獨供電，以避免了空調系統啟停對重要用電設備的干擾。因此需要設置不同的低壓輸出為空調系統和其他通信信息設備及負載供電，即：不間斷系統市電引入容量 = 設備機柜功率+ 蓄電池充電功率 + 其他負荷功率（需要不間斷電源系統保護的設備的功率）；空調照明等市電引入容量 = 空調功率 +其他負荷功率（不需要不間斷電源系統保護的設備功率）。
2.2 不間斷電源系統
根據數據中心的建設等級要求，通信信息設備宜由不間斷電源系統供電。不間斷電源系統應有自動和手動旁路裝置。確定不間斷電源系統的基本容量時應留有余量。不間斷電源系統，根據通信設備的電源配置情況，分為直流不間斷電源系統和交流不間斷電源系統。不間斷電源系統必須具有良好的靈活性與可擴展性，能夠根據數據中心后續的發展及技術進步的需求，方便地進行設備擴容、技術升級、設備更新等建設工程。不間斷電源系統分為直流不間斷電源系統和交流不間斷電源系統。直流不間斷電源系統，包括 -48V(+24V)開關電源系統、240V(336V) 高壓直流系統；交流不間斷電源系統：主要指 UPS 系統。
直流不間斷電源系統由開關電源系統或高壓直流系統和蓄電池組成，交流不間斷電源系統由UPS系統和蓄電池組成。蓄電池組采用全浮充方式，與開關電源系統 / 高壓直流系統
/UPS 系統并聯向負載供給不間斷的電源，當市電停電后，由蓄電池放電供通信信息設備用電，當油機供電或市電恢復正常后，仍然轉為浮充供電并對蓄電池組補充電。
1 直流不間斷電源系統
直流不間斷電源系統包括-48V(+24V)開關電源系統、240V(336V) 高壓直流系統。在數據中心內，傳輸設備、部分數據設備采用 -48V 直流電源，部分特殊 IT 設備會采用240V 或 336V 高壓直流電源。-48V(+24V) 開關電源系統一般包括交流配電屏、整流屏和直流配電屏。
直流不間斷電源系統的容量 = 直流設備總容量 + 備用模塊容量 + 蓄電池充電容量
其中：蓄電池充電所需容量：蓄電池總容量的 10% ，例如：2組2000Ah 蓄電池需要 400A 的充電容量。整流模塊的配置：在每個系統中，整流模塊總數不宜少于3只，并聯使用的整流機架不宜超過 3 個，在一個整流機架內安裝的整流模塊不宜多于20只。直流系統備用模塊數量：模塊配置根據系統輸出電流采用 N+1 冗余配置。其中 N個主用，N ≤ 10 個時，1個備用；N>10個時，每10個備用一個。整流模塊的規格一般有50A模塊、100A模塊、200A 模塊。
2 交流不間斷電源系統
交流不間斷電源系統主要指 UPS 系統，屬于通信電源專業。UPS 可以為重要負載提供不受電網干擾、穩壓、穩頻的電力供應的電源設備，在市電掉電后，UPS 可繼續給負載提供一段時間的供電。UPS系統具有三大功能：穩壓、濾波、不間斷。數據中心內，IT類設備采用 220V 交流電源，部分特殊IT設備會采用 380V 交流電源。UPS系統按要求采用
N+X 的配置方式，主要是考慮到隨著數據中心負載規模的擴大和重要性的不斷提高。
UPS系統容量=交流設備總功率/UPS 建議帶載（75%-85% /負載功率因數（ 0.8-0.99 ）。
2.3 蓄電池組的配置
蓄電池的配置是為了滿足系統滿載時對通信系統供電保障的需要。蓄電池組總放電時長應根據數據中心的建設級別、配電系統情況和維護要求等因素確定。每個不間斷電源系統
蓄電池組數至少 2 組，最多不宜超過4組。數據中心的蓄電池組宜選用鉛酸蓄電池。蓄電池容量計算公式為：
Q ≥ KIT÷{η[1+α(t-25)]}，其中：其中：K 為安全系數，I為負荷電流，T 為放電小時數，t為環境溫度，η為放電容量系數，α為電池溫度系數。上述參數均依照《通信電源設備安裝工程設計規范》規定取值
2.4 精密列頭柜
不間斷電源系統的輸出末端分路宜使用精密配電系統，作為末端負載的分配電管理設備。精密配電柜由分配電、防雷、計算機級接地，智能監控等子系統組成，精密配電柜需要具有的電源管理功能，可以將配電系統完全納入數據中心監控系統。配置液晶顯示屏，具有監控顯示功能，可實時監測直流總電壓、電流、以及支路負載開關狀態；高壓直流系統的列頭柜的配置需要注意，列頭柜需要配置絕緣監察裝置，并應具備與監控模塊通信功能。
三、安科瑞列頭柜及監測產品介紹
隨著數據中心的迅猛發展，數據中心能耗問題也越來越突出，高效可靠的數據中心配電系統方案，是提高數據中心電能使用效率，降低設備能耗的有效方式。
AMC系列數據中心精密配電系統是針對數據機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數據的智能系統，為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息，并可通過通訊將數據上傳到動環監控系統，實現對整個數據機房的實時監控和有效管理，為實現綠色IDC提供可靠保證。
1.1精密配電管理解決方案
1.1.1交流系統
1）功能要求：
遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關狀態,具備電流、功率需用量分析和統計，實現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。
2）配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀表 PZ72L-E4
電流互感器 AKH-0.66-30I-XXA/5A
1.1.2直流系統
1) 功能要求
遙測：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態,具備電流、功率需用量分析和統計，實現電壓、電流、功率等參數的越限功能。
2)配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀表 PZ72L-DE
霍爾傳感器 AHKC-F- XXA/5V
開關電源 SBD-30 （48V）
2.2產品規格
說明：■為標配功能。
2.3配套附件
四、 安科瑞母線槽監測產品介紹
1.1 概述
數據中心小母線系統是數據中心末端母線供配電系統的俗稱。近年來，隨著數據中心建設的快速發展和更高需求，智能小母線系統逐漸被應用于機房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點，即插式插接箱給各個機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監測模塊，將數據上傳至動環監控中心。
1.2 AMB智能小母線管理系統
1）交流系統功能：
遙測：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、電壓/電流諧波含量、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警，開關狀態、開關跳閘；
2）直流系統功能：
遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警，開關狀態、開關跳閘；
1.3 產品介紹
說明：■為標配功能。
五、結束語
供配電系統是數據中心建設的關鍵系統，直接影響數據中心的數據傳輸和網絡的可靠性、可擴展性、可維護性。在數據中心的整體建設中，數據中心的建設等級決定了數據中心的配電冗余等級，還需要結合數據中心的業務規劃，考慮未來的可擴展性，合理制定數據中心的市電引入容量和不間斷電源系統的建設容量，確保數據中心的靈活擴展。
參考文獻：
【1】GB 50174-2017.《數據中心設計規范》[S].
【2】林博.數據中心配電系統建設方案.
【3】安科瑞數據中心IDC配電監控解決方案.2020.03版.
【4】安科瑞企業微電網設計應用手冊.2020.06版.
作者簡介：
宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為絕緣監測及剩余電流監測， QQ：3007723194 手機：13482141563（微信同號）