数据中心电气规划与供配电系统设计

随着大数据、云计算、人工智能、区块链、ChatGPT等技术加速创新，数字文化产业发展动力强劲，不断解锁新兴业态。近年来，各级政府重要会议中也多次强调“新基建”今后一段时期驱动新一轮产业革命的战略性新兴产业，工信部每年发布绿色数据中心先进适用技术产品目录，梳理囊括如液冷服务器、模块化数据中心、分布式光伏并网发电等新技术应用，使我国数据中心逐渐走上高效、清洁、集约、循环的绿色发展道路。

其中，数据中心中存储着大量的数据信息，这些数据信息中蕴含着巨大的研究价值和商业价值，因此数据中心的运行应具有较高的可靠性和稳定性。为保障数据中心的电能供应，对数据中心采用可靠、稳定的供电方案有非常重要的意义。低压配电系统是数据中心常见的配电方式，是其稳定运行的能源系统。

一、机房低压配电系统设计常识

数据中心机房建设包含哪些内容？

数据中心机房建设为数据中心提供关键的基础设施支持。基础设施包括场地、建筑、供配电系绕、空调系绕、消防系绕、防雷与接地系绕等，为数据中心提供安全、可靠、纯净的电力系统与环境。

数据中心机房建设的能耗构成有哪些？

按类型来划分,数据中心的主要能耗包括电、水、燃气、柴油、可再生能源等。

电:在数据中心能耗内占比最高。主要用电设备包括IT设备、制冷设备、供配电系统自身的消耗及其它消耗电能的数据中心设施。

水:典型的用水类型包括:冷却水蒸发及设施维护、排污、冷冻水补水、加湿用水、柴发用水等。

燃气:主要是指燃气发电机消耗的燃气。

柴油:主要是指柴油发电机消耗的柴油。

可再生能源:是指在自然界中可以循环再生的能源，主要包括太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等。可再生能源对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。

数据中心机房配电室的位置选择？

（1）配电室的位置宜靠近用电负荷中心，设置在尘埃少、腐蚀介质少、周围环境干燥和无剧烈振动的场所，并宜留有发展余地。

（2）配电设备的布置应遵循安全、可靠、适用和经济等原则，并应便于安装、操作、搬运、检修、试验和监测。

（3）配电室内除本室需用的管道外，不应有其他的管道通过;室内水、汽管道上不应设置阀门和中间接头;水、汽管道与散热器的连接应采用焊接，并应做等电位联结。配电屏上、下方及电缆沟内不应敷设水、汽管道。

UPS 配电系统包含哪些内容？

UPS配电系统能为数据中心提供不间断的电能。该系统一般采用双总线技术，主要将电能提供给数据中心内的服务器、机柜设备和运行监控中心的计算机。2台UPS都引入独立的市电，当正常输入市电时，UPS能够稳压市电并提供给负载，同时可以使机内电池储能；当市电中断时，UPS能够立即用逆变器将电池内的储能进行转换并继续向负载供电，确保负载正常运行，避免设备出现不必要的硬件损害。当出现瞬间低电压、瞬间高电压、电涌、电线噪声、频率偏移等情况时，UPS系统还能够起到保护作用。因此，要合理设计与使用UPS系统，使其处于平稳的工作状态。

数据中心机房内共配置了2台电源分配单元（PowerDistribution Unit，PDU），务必确保机房内每台机柜都由2个独立的UPS回路供电。通过地板下电线槽引入实现机柜供电，安装IP65或IP44工业型防水插座，保证供电的连续可靠性和人员操作的安全性。

数据中心成为“新基建”的重要组成部分。随着5G、物联网、人工智能、VR/AR等新一代信息技术的快速发展，将对新一轮产业变革和经济社会可持续发展产生深远影响。

二、绿色节能数据中心

随着新一代信息技术的快速发展，数据资源存储、计算和应用需求大幅提升，机房在各个领域都有着广泛的应用，如学校内有专用机房、通信类企业有通信机房等。近年来，国家对新型数据中心机房建设也越来越重视，据工信部、国家发改委等先后出台《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》、《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》等重要文件，有效规范了我国数据中心产业向高质量发展全面演进。

在机房设计与建设中，安全问题一直是机房维护中最主要的问题，影响机房安全的因素主要有电压、电流、温度、湿度、布线走向以及设备自身问题，这些因素直接或间接影响了机房的正常使用效率和质量。机房内部设备数量繁多且复杂，一旦处理不当就会引发各种问题，影响机房安全。因此，对于从业人员，了解机房建设相关的知识与常识十分重要。

机房低压配电系统设计知识

数据中心机房设计依据标准大全

机房建设设计所依据的国家标准主要有：

（1）《数据中心设计规范》GB 50174 - 2017；

（2）《数据中心基础设施施工及验收规范》GB 50462-2015；

（3）《供配电系统设计规范》GB 50052-2009；

（4）《低压配电设计规范》GB 50054-2011；

（5）《建筑照明设计标准》GB 50034-2013；

（6）《建筑物防雷设计规范》GB 50057-2010；

（7）《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343-2012；

（8）《建筑设计防火规范》GB 50016-2014（2018年版）；

（9）《建筑内部装修设计防火规范》GB 50222-2017；

（10）《火灾自动报警系统设计规范》GB 50116-2013；

（11）《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008；

（12）《智能建筑设计标准》GB 50314-2015；

（13）《建筑给水排水设计规范》GB 50015-2003（2009年版）；

（14）《建筑机电工程抗震设计规范》GB 50981-2014；

（15）《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50019-2015；

（16）《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012；

（17）《数据中心基础设施运行维护标准》GB/T51314-2018；

（18）《建筑电气工程施工质量验收规范》GB 50303-2015；

（19）《建筑消防设施的维护管理》GB 2520-2010；

（20）《智能建筑工程施工规范》GB 50606-2010；

（21）《智能建筑工程质量验收规范》GB 50339-2013；

（22）《互联网数据中心工程技术规范》GB51195-2016；

（23）《综合布线系统工程设计规范》GB 50311-2016；

（24）《建筑电气工程电磁兼容技术规范》GB 51204-2016；（25）《建筑工程设计文件编制深度规定》（2016年版）；

（26）《信息安全技术信息系统安全等级保护基本要求》GB/T 22239-2008。

数据中心供配电系统建设原则？

数据中心供配电系统的规划与设计必须充分重视数据中心的发展趋势和性能要求，符合：（1）高性能：具有较高的信息处理与吞吐能力，充分满足数据交换与传输速度；（2）扩展性：具有良好的灵活性与可扩展性，可随着业务不断发展需求扩大设备容量；（3）适用性：满足国内、国际标准及业主所要求的各项指标；（4）安全性：供配电系统设计必须确保人身安全和设备保护；（5）稳定性：供配电系统设计宜在成熟且有广泛应用的基础上追求系统的先进性，做到方案和产品的无缝连接；（6）通用性：符合国内、国际和行业设计标准、标准协议及通行做法；（7）可维护性：对供配电系统可采取模块化设计，冗余设计作为重点要求指标；（8）可管理性设计：采用智能化设计，以便集成监控与管理；（9）经济性：具有高效能与高效益，合理降低投资成本和运营成本；（10）节能、环保、减排：建设绿色数据中心的理想目标。

UPS的定义与分类？

定义：不间断电源，英语“Uninterruptible Power Supply”的缩写，可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘，使您不致因停电而影响工作或丢失数据。

作用：（1）应急使用，防止突然断电而影响正常工作，给计算机造成损害；（2）消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”，改善电源质量，为计算机系统提供高质量的电源。

分类：（1）后备式UPS：在正常运行方式下，负载由交流输入电源的主电源经由UPS开关供电。可能需结合附加设备(例如铁磁谐振变压器或者自动抽头切换变压器)对供电进行调节；（2）在线式UPS：一直使其逆变器处于工作状态，通过电路将外部交流电转变为直流电，再通过高质量的逆变器将直流电转换为高质量的正弦波交流电输出给计算机；（3）在线互动式UPS：在输入市电正常时，UPS的逆变器处于反向工作（即整流工作状态），给电池组充电；在市电异常时逆变器立刻转为逆变工作状态，将电池组电能转换为交流电输出。

数据中心不间断电源系统架构及等级分类？

典型的数据中心供电系统由中压配电、变压器、低压配电、不间断电源、末端配电以及发电机组等设备组成，其中UPS的主要作用是在市电电源中断、发电机启动之前，确保所带负载的持续供电。

发电机组的主要作用是市电中断时立即启动为负载提供持续、稳定的电力供应。UptimeInstitute是一个国际公认的组织，它对如何设计数据中心设施进行了规定和认证。它根据数据中心的可用性分为四个等级：TierⅠ（基本型）、TierⅡ（部分冗余型）、Tier Ⅲ（可同时维护型）和Tier Ⅳ（故障容错型）。数据中心所拥有的提供持续电源和应急电源的设备数量是决定它们属于哪一等级的重要因素。具体分类如下图所示。

数据中心机房是网络枢纽和IT运行管理中心,担负着企业日常管理、运营、监控企业信息系统运行状况，更是信息中心的重要基础，因此机房建设工作必须严谨规范。

三、数据中心供电系统负荷

数据中心供配电系统是为机房内所有需要动力电源的设备提供稳定、可靠的动力电源支持的系统；是数据中心日常运维的重大支出之一，在数据中心，供配电系统相当于一个人的“心脏和血管”，负责把能量输送到系统的每一台设备。一旦供配电系统出现故障，会导致IT设备断电宕机，产生经济损失和社会影响。因此对数据中心运维人员和管理者来说，了解其供配电系统负荷的分析方法十分重要。

在数据中心机房设计低压配电系统中，负荷的统计计算是一项重要内容，负荷计算结果对供电容量报装、选择供配电设备及安全经济运行均起决定性的作用。负荷计算的目的是：

（1）计算变配电所内变压器的负荷电流及视在功率，作为选择变压器容量的依据。

（2）计算流过各主要电气设备（断路器、隔离开关、母线、熔断器等）的负荷电流，作为选择设备的依据。

（3）计算流过各条线路（电源进线、高低压配电线路等）的负荷电流，作为选择线路电缆或导线截面的依据。

（4）计算尖峰负荷，用于保护电器的整定计算和校验电动机的启动条件。

机房供配电负荷计算方法

我国目前普遍采用需要系数法和二项式系数法确定用电设备的负荷，其中需要系数法是国际上普遍采用的确定计算负荷的方法，最为简便；而二项式系数法在确定设备台数较少且各台设备容量差别大的分支干线计算负荷时比较合理；在建筑配电中，还常用负荷密度法和单位指标法统计计算负荷。在方案设计阶段可采用单位指标法；在初步设计及施工图设计阶段，宜采用需要系数法。

数据中心负荷计算原则

进行负荷计算时，应按下列原则计算设备功率：

（1）对于不同工作制的用电设备的额定功率应换算为统一的设备功率。

（2）整流器的设备功率是指额定交流输入功率。

（3）成组用电设备的设备功率，不应包括备用设备。

（4）当消防用电的计算有功功率大于火灾时可能同时切除一般电力、照明负荷计算有功功率，应按未切除的一般电力、照明负荷加上消防负荷计算低压总的设备功率、计算负荷。否则计算低压总负荷时，不应考虑消防负荷。当消防负荷中有与平时兼用的负荷时，该部分负荷也应计入一般电力、照明负荷。

（5）单相负荷应均衡分配到三相上，当单相负荷的总计算容量小于计算范围内三相对称负荷总计算容量的15%时，全部按三相对称负荷计算；当超过15%时，应将单相负荷换算为等效三相负荷，再与三相负荷相加。

数据中心供配电负荷计算

01

数据中心内设备的散热量应以设备实际用电量为准。对主机房内的电子信息设备的用电量不能完全掌握时，可参考所选UPS电源的容量和冗余量来计算设备的散热量。

02

空调系统的冷负荷主要是服务器等电子信息设备的散热。电子信息设备发热量大（耗电量中约97％都转化为热量），热密度高，夏天冷负荷大，因此数据中心的空调设计主要考虑夏季冷负荷。

数据中心供配电负荷相关经验总结

负荷计算是供配电系统设计的基本计算，数据中心的负荷计算更适合使用需要系数法。计算时需要系数的取值、负荷取舍计入、蓄电池充电和空调照明的估算等内容，在数据中心的计算中还是有别于其他建筑专业的计算，现总结如下：

数据中心的IT负荷重要性都比较高，必须使用UPS等设备来保证不间断供电，根据数据中心的建设标准不同，UPS会采取“1+1”、“2+1”、“2N”等不同的配置。由于供电部门需要统计机房设备安装总容量，所以数据中心的IT设备额定容量要用 UPS设备的总装机容量。计算IT设备容量时的需要系数根据UPS设备的配置方式调整，即需要系数=主 用UPS设备数量UPS配置数量。例如：UPS按照2N 设置，进行负荷计算时，需要系数取0.5。

UPS配置的蓄电池充电容量需计入负荷计算。根据数据中心的建设标准不同，UPS蓄电池需按照不同后备时间配置，即每台UPS配置的蓄电池容量及组数不同。UPS蓄电池充电容量=电流×电压×组数×效率根据计算可知，UPS蓄电池充电容量约为UPS配置容量的10%~20%，做负荷计算时可直接应用结论简化计算。

在数据中心中，除了IDC机架外，空调在总负荷中占的比重也相当大，一般会配置备用空调设备，根据数据中心的建设等级备用数量会不同。计算空调设备容量时的需要系数根据空调设备的配置方式调整，即需要系数=主用空调设备数量/空调配置数量。2007年绿色网络组织制定了数据中心能效比指标PUE，目前被行业广泛使用，PUE=数据中心总能耗/IT设备总能耗。根据对数据中心进行数据分析，数据中心的PUE值一般介于1.6～1.8之间，即机房空调和照明负荷约为IT设备负荷的60%~80%，照明负荷与空调相比来说占比相当小，所以可近似认为机房空调负荷约为IT设备负荷的60%~80%，此 结论可以直接在负荷计算中应用来简化计算。

根据相关经验，照明负荷一般按照30W/㎡估算、办公空调负荷一般按照50W/㎡估算、有餐厅用电的情况下按照2kW/人估算、用燃气的情况下按照5W/人估算。

根据负荷计算要求，季节性用电设备应选择其最大者计入总设备容量。数据中心空调负荷一般会远远大于采暖负荷，所以计算时只需计算空调负荷即可。

根据负荷计算要求，消防设备容量一般不计入总设备容量，所以计算时消防电梯不计入。

根据供电部门要求，进行无功补偿后的功率因数需达到0.95以上，一般按照变压器容量的30%进行补偿。

根据相关经验数据，负荷计算中同时系数取0.9-0.95。

实例分析

本文以某运营商新建数据中心为例：建设标准为Tier IV 等 级，IDC机房约1000㎡，新建单机功耗5kW的IT设备200架、单机功耗100kW的IT设备50架，IDC机房内空调和照明按配套配置（空调系统暂不考虑由UPS系统供电）。变配电及UPS等设备机房约1000㎡、办公区约1000㎡。消防电梯2台1用1备，设备容量为50kW／台。办公室设电采暖2台，容量分别约80kW和50kW。要求通过负荷计算确定本数据中心供配电系统设备配置。

1、 确定为IT设备供电的系统配置

根据《通信用不间断电源—UPS》（YD ╱T095-2008）对UPS设备输出有功功率的要求为：≥额定容量×0.7kW／kVA，因 此，配置的UPS容量应为：(200*5+50*10)/0.7kVA=2142.86kVA。IDC机房按 Tier IV 标准机房设置，UPS设备按2N配置考虑，配置的 UPS设备总容量不应小于4285.71kVA。本工程需新建2套“3+3”并机400kVA UPS电源系统。UPS主机配置的蓄电池组按单机满负荷情况下后备时间为15min（2V蓄电池单体的放电终止电压为1.8V）考虑，每台UPS设备配置3组200AH蓄电池组，共计36组。

2、 进行负荷计算

需进行计算的各要素：UPS、UPS蓄电池充电、机房空调及照明、办公区空调及照明等。并按照供电部门要求进行无功补偿。

3、根据负荷计算结果及配置设备

根据负荷计算，交流总负荷约为6425.36kVA，需油机保障负荷为6032.88kW。按照Tier IV等级和电源配置的要求，拟设置2路10kV市电引入，双路市电应满足单路承担全部负荷的能力。安装高压开关柜1套（包含进线隔离柜2台、进线柜2台、计量柜2台、联络柜2台、出线柜N台）；安装4台2000kVA干式变压器；低压抽屉式开关柜2套（每套包含2台进线柜、2台油机市电转换柜、1台低压联络柜、N台低压馈电柜、4台低压电容器柜）；安装4台1600kW柴油发电机组。

来源：?数据中心基础设施运营管理

编辑：付海明

责编：朱金凤

审核：常海波

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