数据中心供配电系统规划与方案的选择

赵志刚

（安徽电信规划设计有限责任公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

供配电系统规划要遵循现行设计规范和标准，结合机房结构和建设方实际需求，力求节约成本、方案合理可行。以往在进行供配电系统规划时，人们关注的重点更多地放在了设备质量上，如高低压配电柜、不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）主机、分配屏，整个供配电系统的安全性和方案是否合理适用被淡化。虽然项目采购了品质非常高的供配电设备，但是最终却没有达到预期效果。更有甚者，因系统设计不完善和陈旧的设计理念导致建设周期过长，消耗大量的人力物力资源。

1 数据中心供配电系统规划

1.1 供配电系统规划原则

在进行供配电系统规划时，应充分遵循规划原则，选择最佳的供配电方案[1]。供配电系统设计原则为：（1）供配电系统设计应贯彻执行国家的技术经济政策及《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）的相关规定，做到保障人身安全、供电可靠、技术先进以及经济合理；（2）供配电系统设计应统筹兼顾负荷性质、用电容量、工程特点以及地区供电条件，合理确定设计方案；（3）供配电系统设计应根据工程特点、规模和发展规划，做到远近期结合，在满足近期使用要求的同时，兼顾未来发展的需要；（4）供配电系统设计应采用符合国家现行有关标准的高效节能、环保、安全、性能先进的电气产品；（5）同时供电的两回及以上供配电线路中，一回路中断供电时，其余线路应能满足全部一级负荷及二级负荷的用电需求；（6）供电系统应简单可靠且便于操作管理，同一电压等级的配电级数高压不宜多于2级，低压不宜多于3级；（7）高压配电系统宜采用放射式供电，根据变压器的容量、分布及地理环境合理选择，也可采用树干式或环式供电；（8）根据负荷的容量和分布，配变电站应靠近负荷中心；（9）为提高供电可靠性，达到节约用电的要求，在用电单位内部邻近的变电站之间宜设置低压联络线。

除此之外，在规划供配电系统方案时，还要考虑数据中心的功能定位及业务需求、数据中心建设规模和供配电容量需求、机房环境和负载性质、未来5～10年的扩展或改造可行性、拟投资成本与经济收益预期以及能源效率指标（Power Usage Effectiveness，PUE）。

1.2 业务定位和供配电系统需求

不同地理位置的数据中心对供配电系统的稳定性要求存在较大差异。对于银行证券类的数据中心而言，必须确保7×24 h持续稳定运行，确保业务不中断。供配电系统规划时，需充分考虑各种因素，核心是合理分配拟建成本[2]。一个相对安全的配电系统组成往往需要大量的配电设备通过非常复杂的逻辑构架实现，高安全性系统相比最简单的供配电系统的费用投入往往是其几倍甚至十几倍。

随着我国电网持续供电能力大幅提升，越来越多的客户选择一路市电+一路UPS配电模式进行建设，运行非常稳定，在节省电费的同时，大幅降低了数据中心的PUE指标。一路市电+一路UPS配电模式的配置如表1所示，其中数据均以最基础系统的设备量为基数。

表1 一路市电+一路UPS配电模式配置

1.3 建设规模与用电容量估算

在规划和设计供配电系统容量时，需确保其可扩展性和可改造性，以满足数据中心按需分期建设的要求。方案规划之初，在逻辑构架确定、产品选型上要预留充足的可扩展空间，通常预测为5～10年后的需求。

方案规划时，对数据中心的建设规模、服务器类型和数量、供配电方案以及制冷模式等内容进行充分的论证，依据科学方法尽可能准确地估算电能需求，确保用电量的估算结果更接近实际情况。

电量估算的范围一般包括：（1）服务器；（2）消防系统、安全监控系统、动环系统；（3）柴油发电机、变压器、低压成套设备、低压分配系统以及UPS系统；（4）蓄电池备电系统；（5）制冷系统，包括制冷主机、终端空气调节及其他设备；（6）照明系统；（7）其他辅助设备。

1.3.1 核心负载供配电容量的统计估算

核心负载一般指数据机柜中的服务器机架、消防系统、安全监控系统、动环系统等。根据设备厂商提供的设备参数，统计核算额定功率。数据信息中心的负载实时变化，一般IT设备的更新周期为5年，届时将会有更好、更新、更强大且更高效的设备出现。电量估算时，需充分考虑未来5～10年的变化，这样才能正确估算电量需求[3]。

1.3.2 UPS供配电系统消耗的功率

确定数据中心的安全等级后，根据《数据中心设计规范》（GB 50172-2017）设计相应的供配电方案，再结合设备实际运行状态进行估算。依据相关规划经验，供配电系统各种设备的运行效率范围如表2所示。

表2 供配电系统各种设备的运行效率范围

1.3.3 照明设施负载

数据中心照明按功能分为机房主照明、备用照明、应急照明（含疏散指示），一般以建筑面积直接估算，取20 W/m2。

1.3.4 制冷负载

制冷负载一般由制冷压缩机、空调末端以及温湿度控制系统组成。不同的制冷系统在制冷效率上差异很大，依据制冷模式划分主要有冷冻水系统和风冷系统。冷冻水系统相比风冷系统的效率通常更高。

1.3.5 估算电力电网系统的容量

数据中心负载的服务器功耗只是基础功耗，不能仅依据服务器功耗值估算数据中心的电能需求量和发电机有功功率。估算外电容量时，依据《数据中心设计规范》（GB 50174—2017），一般在所需的总电力系统容量基础上上浮25%作为安全冗余。负荷峰值功率必须按照标准或工程实践的要求估算，加上冗余或安全系数[4]。

1.3.6 估算发电机备用电力系统的容量

后备发电机组应根据负荷容量、重要程度及市电引入等级进行选择和配置，选择具备自启动、自投切功能的自动化机组。后备发电机组的设计负载率应基于设备主用功率作为额定容量进行测算，应使经常性负载（无蓄电池充电、空调断电重启等情况）在其额定容量的45%～85%，短时最大负载在其额定容量的100%或实施降噪工程后实际最大可带载率范围内。

1.4 规划设计流程

目前，数据中心的规划设计仍处于探索阶段，主流规划仍停留在将不同供应商、不同功能的配电设备依据规范界定的逻辑构架组合成大型供配电系统。其不科学、不规范的规划设计突出表现在：在主观假设的基础上确定数据中心的规模、预算和建设进度，没有深入研究工程细节，匆匆进行设备采购，没有充分研究探讨数据中心的配电逻辑是否合理、自身维护成员能否驾驭、产品功能能否实现提出的技术需求等[5]。一个探讨调研不全面的规划设计方案往往会造成后期的工作难以开展，增加建设成本。

为了避免这些问题，要严格遵循正确的规划思路，具体包括以下5个方面：一是确定目标需求，包括电力容量、拟投资金、分期计划、关键功能需求以及能效指标；二是基础设施规划，包括安全等级确定（抗风险能力）和相应的供配电方案；三是确定用户要求，包括客户倾向、制约因素、拟建投资、改扩建计划、安全等级；四是编制项目文件，包括编制可行性研究报告和项目建议书；五是制定计划，即制定详细的设计计划。

2 数据中心供配电方案

2.1 供电方案

目前，从数据中心供电逻辑构架来看，主要有N系统、标准2N系统以及节能2N系统3种形式。无论选择哪种供电，因数据中心的相对重要性，都应选择与供电变压器容量相当的发电机作为备用电源。

2.1.1N系统

该系统采用“单市电+油机”供电模式，具体供电逻辑如图1所示。

图1 “单市电+油机”供电模型

该供电模型适用市电稳定、业务定位不高、投资额度低的项目。优点是配电结构简单、易于操作维护、成本造价低、建筑空间占用相对较小。缺点是交流电持续稳定供电严重依赖外市电，可能会造成服务器断电宕机。

2.1.2 标准2N系统

该系统采用“双UPS+发电机备电”模式，具体供电逻辑如图2所示。

图2 “双UPS+发电机备电”供电模型

该供电模型适用于业务定位非常高且对稳定性和安全性要求非常高的大型数据中心。

优点是配电系统非常安全，任何一路外市电停电都不会对机房内的有源设备产生影响。缺点是设备组件冗余多、成本非常高、需要专业人员进行日常操作维护、大面积占用建筑空间。

2.1.3 节能2N系统

该系统为“一路市电+一路UPS电+发电机备电”模式，具体供电逻辑如图3所示。

图3 “一路市电+一路UPS电+发电机备电”供电模型

相较于标准2N模型，该模型缺省了一侧的UPS，采用市电直供，同样实现了2条供电线路冗余。该供电模型适用于至少有一路外市电相对稳定区域，且业务定位重要、稳定性和安全性要求高的场景。

相较于前2种模型，“一路市电+一路UPS电+发电机备电”供电模型继承了标准2N模型的高稳定性、安全性，节省了电力室空间，优化了部分设备，符合国家节能减排的要求。

2.2 配电方案

规划配电方案时，要充分结合企业整体发展进程及发展规划，选择适合企业自身的配电方案。基于数据中心的规模、计算机房的布局、维护习惯以及对可扩展性的需求，有3种形式的配电方案可选择，即集中式配电方案、分散式配电方案、区域式配电方案。

2.2.1 集中式配电方案

集中式配电方案中，整个机房只使用一套或一组UPS（多套UPS并机成组）系统来供应整个数据中心的电能。在我国数据中心刚刚起步的阶段，集中供配电成为首选，主要是用户过分强调供配电系统维护的便利性。

随着互联网时代的快速推进，服务器集成度越来越高，单负载功耗越来越高，如果选用集中式供配电，需要更多更大容量的单机并机，然后组成一个配电设备数量庞大、电能容量超大的并机系统。系统之间的逻辑关系纷繁复杂，安全管理变得异常烦杂，维护成本越来越高，维护难度越来越大，维护人员所需具备的专业技术水平也要越来越高。随着供配电系统稳定性、安全性、易维护性、节能效率要求越来越高，集中式供电的不足之处逐渐显现。

2.2.2 分散式配电方案

分散式配电方案中，整个机房建设2个或者多个动力室，动力室内UPS为主设备区提供电能，能够满足特殊的安全要求。分散式配电方案又称点式方案，其特点是在一个机房中由多个动力室内UPS系统分别为IT设备提供电力。

由于存在多个动力室，抗灾能力最佳，但针对数据中心建设而言，相应的配套部分建筑面积占用比例最大。该方案适用于改建型数据中心，由于需要多路外市电引接，建设成本略高。

2.2.3 区域式配电方案

区域式配电往往将配电设备统一规划在一个大的区域，区域内配置多组UPS系统，系统之间无任何复杂的逻辑关系。依据数据中心机房的布局或设备的功能划分为多个区域，每个区域由一组（一路市电+一路UPS电）或2组UPS（双UPS系统）来供应该区域所需电能。

区域式配电属于当下最常见的配电方案。从配电逻辑来看，通过合理的规划，人为地将数据中心服务器设备划分为网格单元，将相配套的配电划归在网格中。通过网格与网格之间的隔离，同样实现了备灾功能。从维护的角度来看，该配电结构简单、易维护，维护界面清晰，建设更加经济、合理。

3 结 论

作为供配电系统的规划者，应从经济学的角度对供配电系统的稳定性和建设者的个性化需求进行研究与分析。通过评价项目全生命周期的经济效益，充分考虑项目全生命周期的建设、运营、扩建、管理以及维护的总成本，调研论证项目发展初期投入、运行维护企业成本、营收能力，确保获得最大的经济社会效益。在系统架构设计和设备选择的过程中，在保证配电系统安全水平的前提下，充分调研和论证整个项目生命周期内各种影响因素，构建高效合理的配电结构，实现较高的性价比。