一个完整的数据中心机房供配电系统组成有哪些？

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一个完善的机房供电系统是保证机房服务设备、关键网络设备、场地设备、辅助设备用电安全和可靠地基本条件。高品质的机房供电系统体现在：无断电故障、高容错；在不影响负载运行的情况下可进行在线维护，有防雷、防火、防水等保护功能。

一、机房供配电系统的组成：

• 1.高压配电系统主要由高压配电一次设备和与之相关的二次设备组成，主要包括高压开关柜、高压母线、高压断路器、氧化锌避雷器、高压电缆、接地开关、互感器、变压器等；二次设备主要有继电保护装置、计量装置、测量装置、指示仪表、操控电路、温湿度控制电路等。

• 2.低压配电系统主要由配电装置及配电线路组成。，主要有低压配电柜动力和照明线路等组成包括高低压断路器、空气开关、负荷开关、控制开关、接触器、继电器、低压计量及检测仪表等设备组成。

高低压配电系统的主要作用：传输和分配电能。

• 3.应急电源系统主要包括应急柴油发电机组和蓄电池组。

• 4.不间断断电源系统主要是指由蓄电池组和UPS主体设备组成的供电系统。

• 5.照明和应急照明系统主要是为满足机房正常运行和人员工作的光线要求。

• 6.布线系统主要是为了让数据中心结构化布线的规划与设计符合。

• 7.防雷和接地系统主要作用是通过安装合理的设备和合理的布线，防止外部和内部引起的线路过电压对机房设备及人员安全造成的损害，主要有防雷设备SPD和接地设备组成。

二、机房对供配电系统的技术要求：

数据中心业务对的供配电系统的总体要求概括起来主要是：连续、稳定、平衡、分类。

2.1 对供电电源电能质量的要求，电子信息设备供电电源质量应根据电子信息系统机房的等级，按GB 50174—2008附录A 的要求执行。

2.2 A级数据中心机房要求供配电系统要具备容错功能，基本配置：两路市电+UPS+柴发

2.3 B级数据中心机房要求供配电系统具备冗余和在线维护功能，基本配置：两路市电+UPS 或1路市电+油机+UPS。

2.4 C级数据中心供配电系统按基本要求配置，要求电子信息系统工作不中断。基本配置：单路市电+UPS。

C级数据中心机房供配电系统配置

三、机房供配电系统的设计思路

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1、供配电系统应为电子信息系统的可扩展性预留备用容量。

2、电子信息系统机房应由专用配电变压器或专用回路供电，变压器宜采用干式变压器。

3、电子信息系统机房内的低压配电系统应采用TN－S系统。

4、电子信息设备应由不间断电源系统供电。确定不间断电源系统的基本容量时应留有余量。不间断电源系统的基本容量可按下式计算：E≥1.2P；E――不间断电源系统的基本容量，不包括备份不间断电源系统设备；P――电子信息设备的计算负荷

5、用于电子信息系统机房内的动力设备与电子信息设备的不间断电源系统应由不同回路配电。

6、电子信息设备的配电应采用专用配电箱（柜），专用配电箱（柜）应靠近用电设备安装。

7、电子信息设备专用配电箱（柜）宜配备浪涌保护器、电源监测和报警装置。当输出端中性线与PE线之间的电位差不能满足电子信息设备使用要求时，宜配备隔离变压器。

8、后备柴油发电机的容量应包括不间断电源系统、空调和制冷设备的基本容量及应急照明和关系到生命安全的需要的负荷容量。

9、市电与柴油发电机的切换应采用具有旁路功能的自动转换开关。自动转换开关检修时，不应影响电源的切换。

10、敷设在隐蔽通风空间的低压配电线路应采用阻燃铜芯电缆；活动地板下作为空调静压箱时，电缆线槽（桥架）的布置不应阻断气流通路。

11、配电线路的中性线截面积不应小于相线截面积；单相负荷应均匀分配在三相线路上。

数据中心对低压配电系统的要求：配电线路应装设短路保护、过载保护、和接地保护作用于切断供电电源和发出报警信号。当维护、测试和检修设备时，应设置隔离电器。配电线路采用上下级保护电器，其动作应具有选择性；各级之间应协调配合。

四、数据中心供配电系统的不间断电源

1、单机供电方案，是最基本的配置单元，由它可以组合成不同的供电方案,适用于T1级机房。

优点：设计概念简单，硬件配置成本低廉，由于UPS工作于满负荷条件下，因而其效率最高，具备高于市电的可用性

缺点：存在多个单故障点，在UPS、电池或下游设备维护期间，负载处于无保护状态，缺乏冗余，限制了在UPS发生故障时对负载的保护能力，可用性有限。

UPS单机供电方案

2、模块并联冗余供电方案（N+1），适用于T2级机房。

优点：当单个UPS模块出现故障时，无需将关键负载转换到市电，所有UPS的用途都在于保护关键负载不受市电变化及断电的影响。可以从总线中取下任意一个模块进行修理，而无需将关键负载直接连接到市电。

缺点：一个是系统要求采用同一制造商生产的相同容量的UPS模块，再有就是UPS模块制造商还必须提供系统并联电路板，实现并联模块通讯功能。

UPS模块并联冗余供电方案

3、双总线供电方案(2N)，适用于T3T4级别机房，也是目前常用方案

优点：两条独立的供电线路，无单故障点，容错性极强，该配置为从电力入口到关键负载的所有线路提供了全方位的冗余，可靠性很高，其基本设计概念是允许每一个电气设备都可以在无需将关键负载转换到市电的条件下出现故障或手动关闭

缺点：冗余组件数量多，成本很高，一般的建筑物不太适合采用可用性极高的双系统，因为这种系统需要对冗余组件进行分开放置，由于未达到满负荷工作状态，UPS效率低

UPS双总线供电方案

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具体采用哪种供电方式才比较合理，要从数据中心机房等级、数据对企业运行的重要性、设备高可用性和企业成本的平衡，企业对于数据丢失的风险承受能力及企业财务预算等方面综合考虑。

推荐：A级和B1级数据中心机房作为负载十分重要的场合, 应按容错系统配置，UPS供电方案应采用2N或2（N+1）双总线系统。

正确选择及合理配置理想的UPS，以满足数据中心机房IT设备运行的安全性、稳定性及可靠性的要求：

1、合理选择UPS的容量

2、确定所需UPS的类型和供电方案

3、比对不同品牌相同规格UPS的电气技术参数

4、确定所需电池后备时间

5、绿色环保UPS是选择方向

6、要有强有力的售后服务作为技术支持

建议：选择市场率占有高、口碑好、各项性能参数指标强、售后服务好、价格相对较低的环保型高频机。

数据中心的应急备用电源

数据中心供电系统能够实现不停电连续运行的最基本的条件是必须具备备用能源。

数据中心供电系统的备用能源有两种：

一是备用柴油发电机(或完全独立的第二路市电)提供的交流电源，用于在主供电电网故障时继续维持数据中心正常运行;

二是备用电池提供的直流电源，用于在主供电电网故障后备用油机启动和切换时间内支持UPS继续向关键IT负载供电。

4、数据中心不间断电源技术与架构的演进

过去，计算机作为一种非常娇贵的设备，双转换在线式UPS消除了市电电能质量问题，但带来了6-10%的电能损失以及其自身可靠性低的问题。?

通过冗余可以提高系统可靠性，UPS发展出主备供电、N+1冗余并机、双总线、分布冗余等方案，相应带来的是成本和能耗的进一步增加。?

为了避免UPS设备故障率高的问题，国内提出并已规模部署了直流240V电源系统，大部分IT设备可以直接兼容直流供电。

数据中心不间断电源系统架构呈现如下三种趋势：?

第一，从在线到离线。UPS?ECO模式、DC48V电池备用、DC12V电池备用、DC240V电池备用等本质上都是将电源离线，从而降低电源成本和运行损耗。?

第二，从集中到分布。随着锂电池等新型储能设备的发展以及大数据时代服务器快速部署、灵活扩展的需要，不间断电源设备正在从集中到分布。?

第三，未来数据中心供电发展的整体趋势是由高压/集中式/交流大UPS向低压/分布式/直流小UPS方向发展，由机房外集中式铅酸电池向IT机柜内分布式小（锂）电池方向发展，从化石能源向绿色能源方向发展。

柴油发电机组

1、主要作用：市电故障时为数据中心重要负载提供后备电源保障。

2、部件组成：柴油发动机、交流发电机和机组控制系统

3、系统配置：按照N+1或者2N的原则来配置机组的数量

4、运行方式：单机、机组并联

5、主要参数：容量、电压、频率、油压、油温、水温等等

6、机组容量：3200KVA以内采用400V低压油机，3200KVA以上容量采用10kV高压油机。

柴油发电机组

备用直流电源蓄电池

在数据中心供电系统中，蓄电池是UPS设备的一部分，它的使用环境、充放电管理和维护都与UPS相关。主要作用：市电正常供电时，电池在整流－充电电路中储存电能，同时对直流电路起到平滑滤波的作用，并在逆变器发生过载时，起到缓冲器的作用。在主供电网故障后备用油机启动和切换时间内支持UPS向关键IT负载供电。

主要参数：标称容量、电动势、放电率、浮/均充电压、终止电压等等

最佳环境温度：20-25摄氏度

使用注意事项：单节/电池串电压选择、浮/均充电压设定、温度补偿、电池纹波系数、电池均一性等

蓄电池

配电电源布线系统

按照数据中心综合布线系统整体要求，数据中心机房内布线空间主要包含主配线区（MDA），水平配线区(HDA)，区域配线区(ZDA)和设备配线区(EDA)。

数据中心供配电系统布线方式有很多种，其中最常用的有金属管线布线、电缆桥架布线和封闭母线布线。

数据中心机房配电布线材料

五、提高UPS的效率

传统的数据中心大都通过UPS来实现掉电保护，通常所有IT负载都要经过UPS来供电，对于采用2N或2（N+1）的UPS系统，考虑到满足主备系统容量的要求，单台UPS的负载不能超过50%，实际中很多UPS长期工作在20%-40%的负载情况下，低负载率导致UPS的效率不到，往往不到80%。

1、如何提高UPS的效率

UPS建设容量规划合理，避免配置容量过大的UPS系统，导致UPS长期低负荷运行。

利用UPS的在线并机扩容功能，根据业务的发展逐步尽快扩容。

尽量采购效率更高的UPS，效率高低需要根据UPS的实际工作负载来判定，比如1+1并机的UPS，应该选择负载30-50%时效率较高的产品，否则即使满载效率达到95%以上，也是没有意义的。

在市电条件比较好的情况下，UPS可运行在ECO的静态旁路模式，提高效率；

UPS对于电网是非线性负载，应选择谐波小的设备；

并机共用电池组，电池智能管理技术等。

2、新的UPS技术

模块化UPS

模块化能够提高系统的可靠性和可用性，一个模块出现故障并不影响其他模块的正常工作，并且可热插拔特性能够大大缩短系统的安装和修复时间。模块化UPS能够给用户带来更好的可扩展性。

同时较传统UPS来看，模块化UPS还具有便于安装运输、便于售后维护、高效节能、冗余性好等诸多优势，系统本身热损耗更低，节电率更高（约在20%以上）。

高压直流

减少DC-AC-DC变化级数，整体效率更高；

电池直挂在输出母线上，相当于提供另外一路备份，可靠性更高；

同容量、同后备时间的240V直流系统比传统UPS的总投资低10％左右。再次，相比UPS供电技术更节能，平均节能约为20%。

飞轮UPS

效率高，寿命长，在油机条件好的情况下可引入。

市电直供+电池备份

在PUE TOPn的数据中心中，采用市电直供+电池备份的供电系统几乎成了主流的模式。

Google：每个服务器都立配置一块电池作为备用

Facebook：每两组三联机柜，共用一个电池机柜，提供-48V直流电源作为备用

机群式服务器，很多厂商已经推出了自己的设计方案或产品，部分厂商的设计已经包含了备用电池的集成设计。

相信以后市电直供+电池备份的电源方案将被越来越多的数据中心所采用，抛弃传统的UPS，提高能源利用效率。

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