周梦晗

北大资源集团【面对面】数据中心供配电系统解决方案-电气应用

【面对面】数据中心供配电系统解决方案-电气应用



如今，从关注单个设备转而关注系统解决方案已成为共识，各数据中心基础设施供应商在原有产品的基础上纷纷推出整体解决方案来迎合用户需求卢彦泽。同时，数据中心巨大的电能消耗不得不使“ 绿色、节能”成为贯穿产品、系统设计和应用始终的主题。数据中心主要设备供配电系统包括柴油发电机、变压器、UPS、谐波滤除设备、开关转换设备（ATSESTS）、PDU、低压配电终端、电池以及监控系统等。同时，受能耗问题困扰的数据中心也不断在新的设备运行方式、新的制冷方式、新的机房布局以及新的系统节能方案方面进行探索。“面对面”栏目将就上述问题围绕产品、技术、应用和整体解决方案邀请相关知名专家、用户代表和基础设施供应商进行深入交流、探讨。
焦点议题
微模块数据中心应用技术
金融系统高可用供配电架构
数据中心供配电系统规划与应用
特约嘉宾
（排名不分先后）
宋蒙/规划设计师
上海邮电设计咨询研究院有限公司数据中心
王海峰/高级工程师
招商银行信息技术部数据中心
李玉昇/高级咨询设计师
中国移动通信集团设计院有限公司

模块数据中心应用技术

微模块可作为一个独立的小型数据中心快速部署投入使用
宋蒙/规划设计师
上海邮电设计咨询研究院有限公司数据中心
微模块（Micro Module）是指以若干IT机柜、电源单元和空调末端单元等功能机柜为基本单位，包含网络、布线、监控和消防等功能在内的独立的运行单元。该模块内全部组件可在工厂预制，可灵活拆卸、搬运，现场快速组装后投入使用狼孩的故事。微模块可作为一个独立的小型数据中心快速部署投入使用，实现与机房环境部分解耦。
随着技术的发展，尤其是机房精密空调和UPS技术的发展，数据中心的关键设备开始走向模块化和小型化，完全可集成到机柜中，从而在技术上为实现真正的完全独立的模块化数据中心提供了可能。所以，真正的模块化数据中心，制冷、供电及管理系统都应实现区域化、模块化，互不干扰，可独立运行。微模块数据中心的组成部分包括：精密空调器、电池单元、整流单元、配电单元、管控单元、水分配单元和电池单元。
柴油发电机、变配电柜、冷却水塔和冷冻水主机等一些基础配套设施通过供电电缆、冷冻水管和光纤以标准接口与微模块数据中心对接，从而构成完整的数据中心集成。
传统机柜模式的瓶颈如下。
1）硬件设施功能不能充分利用。业务部署按机房或机楼规模进行魏子雅，采用通用型服务器、机柜、电源和空调设备。
2）工程进度不能满足业务部署要求。电源、空调、机架和布线现场交叉施工，进度受限。
3）高集成度的IT设备散热困难陈谏议教子。用架空地板下送风制冷方式只适合低功率密度（5 kW/架以下）机房。
4 ） 机房运行能效提高受技术约束。送风距离长，易出现送回风涡旋，冷量输送途中损失大。
微模块模式能提供的解决方案包括：
定制硬件设施，提高性价比
网络架构模块化，根据特定的业务部署定制服务器、微模块及其基础设施。
工厂预制，现场组装，快速部署
组件标准化、产品化幻龙记，质量可控度高，工程界面清晰。
改变制冷方式
机架列间制冷，满足中高功率密度机房要求（5～12 kW/架）。
近距离制冷，通道封闭
能量就近转移，冷热隔离，机房总能耗降低10%。微模块可以根据IT机柜需求、机房面积和功率密度等多方面因素，灵活地将各种单元组件有机的组装在一起，实现一个标准的、平衡的微模块组成设计，并可以根据具体的项目情况进行定制，非常灵活。
（1）冷池与行间制冷
微模块由两列设备单元面对面组成，加上通道封闭组件、天窗和侧门等自身就实现了冷、热通道隔离。列间送风距离短、制冷系统控制策略精度高，也可以实现按需弹性制冷，同时这种方式支持高密度负荷。
（2）自带不间断电源系统
微模块内部集成了UPS或者240 V直流以及蓄电池不间断电源系统。不同的微模块可以由不同的电源系统供电，实现了同一房间内多种电源形式混用。
（3）便于拆卸和组装
微模块由工厂预制、具备工业化和标准化的特点，能够方便地拆卸、组装云话。工程施工时间短，施工现场便于管理。微模块模式与传统方案在布局方面相比，能够大大节省面积，简化平面布局难度。以建设一个144个6~8 kW标准业务机柜的项目为例，传统机房布局需三个功能分区组成实现角蛙吃什么，共需730m2，平均单机柜的占地面积需要5 m2。微模块的布局只需要一个功能区，净面积需520 m2，平均单机柜的占地面积为3.6 m2春熙路刀客。
模块化数据中心的应用
模块化数据中心在2011年开始试点运行，其应用的行业范围还是比较广的，在地产、医药和互联网等行业都有应用。下面主要谈一下在腾讯的应用案例。
腾讯公司在华东地区的数据中心核心节点位于上海市青浦工业园区，共规划建设10万台服务器超级能源强国。总建筑面积近60 000m2，数据中心机房建筑两层，层高较高，含4栋单体IDC建筑和1栋附属功能楼。该项目分期建设，目前一期项目已经完成，二期项目正在实施。
在该项目中选择了艾默生网络能源有限公司提供的解决方案，全部采用微模块，共可建设约300个微模块，建成后将成为华东地区最大的微模块数据中心基地。
在数据中心建设方面，腾讯公司结合自身应用特点，主要采用微模北大资源集团块的模式，已经应用了超过1 000个微模块，单个数据中心内微模块最多达80个鷇音子。并且，腾讯公司自己制定了《腾讯数据中心微模块产品设计规范》。根据自身的业务部署，规定微模块有两种规格R12和R18；采用水冷冷源+列间空调设备；采用1路240 V直流电源+1路市电；实现了包含列间空调在内的所有设备由240 V直流供电；采用自动喷淋消防系统；在机房大空间放置微模块，基本省略了架空地板；需注意防水、排水。
其他互联网企业如百度、阿里等，也根据自身业务需求定制微模块，批量应用微模块。腾讯、百度和阿里启动“天蝎计划”，定制整机柜服务器。由此可见，微模块数据中心在互联网企业中的应用大有作为。
金融系统高可用供配电架构

金融系统的数据中心供电系统遵循的原则及相关配电设计
王海峰/高级工程师
招商银行信息技术部数据中心
金融系统的数据中心要高起点和高标准进行规划和设计，设计需主要参考国际上最新数据中心的设计规范TIA/EIA－942和Uptime标准，设计完成后数据中心的配电系统，其重要指标均能让建设方在机房生命周期内可用性高于预期，在国内和其他行业数据中心比较中处于领先地位。
金融系统数据中心的供配电设计规划需遵循可靠性、安全性、可管理性、灵活性、扩展性、国际标准性及美观舒适的原则。
遵循原则
1）系统的可靠性原则。为保证金融系统各项业务的开展，电子信息系统应具有高可靠性，不能出现单点故障。要对数据中心布局、结构设计、供配电设计、空调设计和设备选型等各方面进行高可靠性的设计和建设。在关键设备采用容错、冗余等可靠性技术的基础上，采用相关的软件技术提供较强的管理机制、控制手段和事故监控与安全保密等技术措施提高数据中心的安全可靠性。
2）系统的安全性原则。为保证人员和数据安全，为数据中心建立了多层防护体系。包括周界防护；建筑物内公共区域防护；机房模块内部防护。从防火、防水、防盗、接地、防雷、防鼠、防电磁干扰和降噪等方面采取有效措施，并考虑地面承重能力等特殊技术措施。
3）系统的可管理性原则。由于数据中心具有一定复杂性，随着业务的不断发展，管理的任务必定会日益繁重。所以在机房的设计中，必须建立一套全面、完善的机房管理和监控系统。所选用的设备应具有智能化、可管理的功能，同时采用先进的管理监控系统设备及软件，实现先进的集中管理监控，实时监控、监测和记录整个机房的运行状况抗日地雷战，迅速确定故障，减少机房管理人员的维护工作量，为数据中心的安全、可靠运行提供最有力的保障。
4）系统的灵活性及可扩展性。数据中心应具有良好的灵活性与可扩展性，能够根据数据中心业务不断深入发展的需要，扩大设备容量和提高用户数量和质量的功能。应具备支持多种网络传输，多种物理接口的能力，提供技术升级、设备更新的灵活性。
大多数金融系统的数据中心配电系统仍停留在固定配电模式下，无法满足目前日渐增长的信息化需求。数据中心供配电系统的建设运营必须完成从僵化到柔性，从粗放到精细，从依赖人力到依赖流程与工具的转变，实现以弹性、高效、高可靠、高度智能化及自动化为特征的智能数据机房。
1
总体设计简单及末端部署快捷
新型数据中心应是可将复杂的数据机房配电系统分解为多个可独立支撑不同业务的标准功能单元，并根据业务需要配置不同数量的配电功能单元，即将数据机房末端配电模块化，实现按需投资。在时间上，模块可作为最小复制单元，当业务增长时，无须重新规划、设计即可直接复制，实现按成长付费模式投资，避免一次性投资过多戈尔法 。在空间上，对于不同规模的数据机房，只须按需设计不同配置与不同数量的配电模块。以金融行业为例，对于分行，可部署一个或几个模块；对于总行，可部署多个模块。
2
数字化技术实现前瞻性运维
新型数据中心的管理应是自动化的、将人力解放的管理，依靠数字化技术颠覆传统部件监控模式，实现器件级精准管理，让设备可视、可监及可管，让数据中心更简单，让运维质量测点和标准更易懂。同时可以将人为的日常巡检、隐患预判断及健康度检查用传感器、执行器所替代，实现数据机房内环境、设备、部件及器件多个层次完善的状态获取，提前评估不同层级的健康状态，并在异常时提前发出告警，实现主动运维和及时备件更换，提升设备寿命，进而大大改善整个系统的可靠性。
3
可实现高效运营的智能管理系统
新型的数据机房应同时能够提供高效运营，实现最佳绿色数据机房、最佳资产管理以及最佳容量匹配。智能的管理系统能够帮助客户节能降耗，实现数据机房多层级、精细化能耗管理，通过多种报表精确定位能源额外损耗点，基于大数据分析，输出节能优化方案，构建绿色数据机房。
预警，同时可动态调整维护计划，按照当前实际情况输出优化方案，构建最佳资产管理功能。
最佳容量匹配是对数据机房配电、制冷和空间的实时监控，从大楼级容量到机柜级容量，实现准确管理。
4
设计中对配电系统组成产品的选择
数据中心的可靠性一直是业界最关注的话题，尤其对于金融领域，无论是何种原因导致的数据机房业务中断都会给企业带来难以接受的巨大损失。所以不仅需要有完美的配电架构设计，还需要选择优秀的配电产品，那么市场占有率高、口碑好、各项性能参数指标强及售后服务好的配电产品就是我们的第一选择。
多数银行的灾备中心不能直接支撑日常业务运行，因此飞舞 王冰洋，预防生产中心系统中断是最重要的工作。据统计，UPS系统故障占据数据中心宕机原因的25%以上。UPS系统的可靠性提升是保障业务持续运行的关键。
数据中心供配电系统规划与应用

数据中心供配电系统设计
李玉昇/高级咨询设计师
中国移动通信集团设计院有限公司
数据中心供配电系统构成如下图所示。

图 数据中心供配电系统构成
由上图可知，市电是数据中心整个供配电系统的第一环节，因此应先确定市电的引入方案。市电引入的电压等级需根据当地供电条件、用电容量及局址所在地供电部门要求确定。数据中心供电系统涉及的电压最高一般不超过35 kV。
所谓双重电源是指从不同的变电站引入两路电源或是从同一个变电站的不同母线段引入。双回线路电源是指从同一个变电站的同一母线段的不同开关引入。
市电应优选从公共变电站引入，需自建变电站时，推荐采用110/10 kV，单路输出容量宜大于10 000kV·A，尽量减少市电引入的回路。
数据中心自备发电机组的设置如表1所示。
表1 数据中心自备发电机组设置

高压发电机组运行方式具体方案由供电部门确定，建议采用发电机组电源自动投入，市电电源自动恢复。鉴于高压发电机可实现并机，根据负荷大小自动投入适当的机组数量，提高安全可靠性，可实现集中部署，便于维护，数据中心机房楼采用10 kV高压发电机。
要点
市电/柴油发电机组的转换装置——自动转换开关（ATSE）的选择要点
1）为保证切换的可靠性和速度，选择PC级ATSE产品。
2）TN-S、TN-C-S系统一般不需要设四极开关。
3）2N供电系统不影响供电的连续性同利肉燕，不选用旁路式ATSE。
数据中心供电系统可以选择的几种变压器性能对比如表2所示。
表2 变压器参数对比

非晶合金铁心变压器价格偏高，价格高出环氧树脂变压器40%左右，考虑设备成本回收年限，建议数据机房变压器优先选配SCB10及以上系列普通节能型干式变压器，不宜选择非晶合金变压器。
低压配电柜的结构分类
1）固定分隔插拔式-断路器安装在底座上，断路器可以插拔，对断路器安装容量 无要求。
2）固定分隔-断路器固定安装在母线上，谢振南对断路器安装容量无要求。
3）抽屉式-断路器固定安装在抽屉里，断路器一般安装最大容量为630 A。
数据中心变压器采用“1+1”运行方式，当其中一段母线发生故障时，另一段母线将承担100%用电负荷，低压配电柜宜采用固定分隔低压开关柜车水马龙造句，考虑到便于后期开关在线检查、测试等维护作业，宜采用固定分隔插拔式。
数据中心的ITC设备输入功率因数为0.88～0.93，呈容性，输入电流谐波为20%～30%。UPS低负载率（15%以下）功率因数为0.8～0.9，呈容性，输入电流谐波为10%～20%。空调系统末端、大功率水冷机组等变频设备投入致系统谐波含量较大（15%～20%），电压、电流畸变严重超标。
因此，需要设置电容补偿设备以提高功率因数郭紫欣，减少谐波电流。配电系统设计时应考虑补偿设备的接口和安装空间，选用SVG/SVG+，APF比传统电容补偿设备更适合数据中心。同时，选型时尽量选用功率因数高、谐波小的设备。
EA（内容来源：《电气应用》杂志）
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