简析数据中心的电气设计

【摘要】数据中心是个复杂的系统工程。本文从数据中心的概述、设计涵盖的主要内容及通过具体的实例对数据中心的电气设计进行了分析。

【关键词】数据中心；电气设计；分析；

中图分类号： C37 文献标识码： A

一、前言

随着科技的不断发展，数据中心的重要性不言而喻。我国在数据中心的电气设计上虽然有所完善，但依然存在一些问题和不足需要改进。在科技占主导地位的新时期，加强对数据中心的电气设计分析，对确保数据的储存与使用有着重要的意义。

二、数据中心的概述

数据中心(Data Center)是指用于安装、运行和维护数据设备如计算机、存储及网络设备等的建筑空间，包括服务器机房、网络机房、网络接人间、存储机房、测试区、监控中心、备件库、打印室等。根据建设规模，数据中心可分为五级。详见表1。

根据用户的不同，数据中心分为企业级数据中心、电信级数据中心和政府级数据中心等。此外，数据中心根据使用性质、管理要求及其在经济和社会中的重要性可划分为A、B、C三级。不同级别的数据中心，对基础设施的要求差别很大。但其构成要素及设计内容则无大的区别。其外部电源、电力配电、UPS系统、照明、接地及安全等基本内容，缺一不可作为基础设施的核心之一。电气工程的设计是否合理，将直接关系到数据中心的使用效果。

三、设计涵盖的主要内容

近年来，数据中心(IDC，Internet Date Center)的建设备受关注。政府职能部门、证券公司、电信部门、保险公司等机构，包括一些大型企业，都将数据中心的建设列入议事日程。数据中心设计工艺复杂，专业性强，是一个复杂的系统工程。数据中心对电源系统的可靠性要求极高，数据处理设备对工作环境(包括温度、湿度、含尘度等)的要求也给制冷系统提出了较高要求。另外，数据中心对综合布线系统、电气防火等等方面也都提出了较高的要求。在设计中要切实做到从数据中心机房需要出发，满足功能需要，为设备提供一个安全运行的空间，兼顾美观实用，为数据机房工程的顺利开展打下一个坚实的基础。

设计涵盖的主要内容包括：机房分级及机房负荷密度；高压供配电系统；低压配电系统；照明设计；导线电缆选择；电气安全及电力系统保护；节能措施弱电系统。

四、实例分析

1、工程概况

本工程为某企业数据中心机房项目。机房区域包括该建筑物A座地上F2～F5层，B座0l单元的地下B1层和地上F1、F2层，B座02、03单元的地上F1层A座和B座相邻，B座01单元F2层与A座F2层相连，其中，A座F2～F4层为主机房，F5层为行政管理区及辅助区，B座0l单元B1层为电池室，F1层为UPS(不间断电源系统)室，F2层为存储机房，B座02单元F1层为变配电所。B座03单元F1层为柴油发电机房，建筑平面示意如图1所示。

2、供电电源系统

（1）负荷等级

本数据中心机房按A级机房标准。数据中心机房用电设备的负荷等级，按其性质分为：

一级负荷:数据中心机房内IT设备、空调和制冷设备，以及数据中心的总控中心(ECC)电源、应急照明、消防、安防、机房环境监控等负荷；二级负荷:IT设备机房一般照明办公、会议场所用电；三级负荷:其余为三级负荷。

（2）UPS、柴油发电机、变压器容量的确定

1）UPS供电容量根据设计任务书中指标，数据中心机房IT设备安装容量Pe=5530kW，计算有功功率=4439kW，视在功率S5548kVA，总供电容量为5600kVA。因UPS采用多组2N系统供电，共选择800kVA的UPS8台，600kVA的UPS8台，总装机容量为11200kVA。

2）柴油发电机容量

设备安装容量Pe=10773kW。其中，IT设备及UPS系统5861kW（含UPS前端输入损耗)、精密空调4018kW、板式换热机组及冷却塔764kW、应急照明及消防、弱电130kW。共选择6台2000kW(2500kVA)柴油发电机组。

3）变压器容量

设备安装容量Pe=11940kW，计算有功功率Pj=8955kW，无功功率Qj=4337kvar，视在功率Sj=9950kVA，共选择8台2500kVA的变压器，总装机容量20000kVA，其负荷率为49.75％，当一台变压器故障时，另一台变压器可承担全部负荷。

（2）供配电系统

1）市政供电电源

根据A级机房供电要求，本工程需由市政电网提供2路专用10kV电源，分别引自上级两个不同的变电站10kV系统采用单母线分段接线方式。两段母线之间设联络开关，平时二路电源同时工作，互为备用当一路电源故障时，另一路电源为全部负荷供电。

2）柴油发电机配置

根据A级机房供电电源的要求，本工程柴油发电机房内设4台2200kW／0，4kV柴油发电机组，在两路市电电源同时失电时为UPS、机房空调及制冷设备、环境监控、消防、安防、应急照明等负荷提供第三路电源。

在B座屋顶配置2200kW假负载，作为柴油发电机系统机组试机使用。

柴油发电机房设室外储油罐，满足A级机房72h燃料储存量的要求。

（4）变配电所柴油发电机房及UPS室的设置

数据中心机房用电量大，电缆及母线截面大且数量多，电气用房设置是否合理，直接关系到项目的经济性。

1）变配电所的设置

变配电所设在B座02单元地上F1层，紧邻柴油发电机房和UPS室。并靠近数据中心主机房，位于负荷中心，供电流程合理。

2）柴油发电机房的设置

柴油发电机房设在B座03单元地上F1层，紧邻变配电所，便于设备维护以及日常操作。

3）UPS室及电池室的设置

UPS室位于B座01单元地上F1层，电池室位于B座01单元地下B1层UPS室及电池室与数据中心机房紧邻，UPS供电采用2N系统，两套系统均独立设置房间，主用与备用完全隔离，保证系统安全运行。

3、低压配电系统

本工程按分区进行配电，即基本按层设置变压器及UPS供配电系统框图如图2所示。

低压配电系统采用单母线分段运行方式，两段母线间设联络开关母联开关自投时有0～4S延时，以保证变压器正常运行。当低压侧主进开关因故障跳闸时，不允许母联开关自动合闸两主进开关与母联开关之间设机械电气联锁，仅允许其中两开关同时合闸。低压配电系统的接地形式为TN―S系统。市电与柴油发电机的切换采用具有旁路功能的自动转换开关(ATSE)，ATSE检修时不影响电源的切换。大容量设备的干线同路采用密集型母线槽供电(如UPS系统)，其余负荷的干线回路采用电缆供电消防负荷及重要负荷采用双电源供电末端切换。

4、数据中心机房设备UPS、列头柜和机房空调配电系统

数据中心机房IT没备、总控中心监控设备由集中设置的UPS供电，安防、监控、楼宇、通信、火灾自动报警等系统由其各自自带的UPS供电，其它负荷严禁接入该电源系统中。

（1）数据中心机房设备

数据中心机房设备用UPS系统分层设置，其中A座F2层设置2套600kVA×(1+1)，A座F3层设置2套800kVA×(1+1)，A座F4层设置2套800kVA×(1+1)，B座F2层设置2套600kVA×(1+1)，UPS均采用分组配置，可逐步实施或扩充，满足机房设备逐步发展的需要。

UPS输出端采用TN―S系统，机房内IT设备均由两组UPS经由两个不同的路径供电。

（2）UPS配置

每套UPS系统自带滤波装置及电容补偿装置，当系统中的1台UPS故障时，另l台UPS继续供电UPS蓄电池的供电时问按15min设置，满足A级机房不问断电源系统电池备用时间要求。

（3）数据中心机房列头柜

数据中心机房内设列头柜，本工程所有IT设备均为双电源设备，由两路电源(两个列头柜)配电。为有效抑制来自电源及其他电路的各种干扰，列头柜内增设隔离变压器。

（4）机房空调配电系统

同一机房内的空调设备采用两套配电系统交叉配电，如图3所示，1#和2#末端配电柜为机房内空调交叉配电，1#末端配电柜供1、3、5、7等奇数号空调，2#末端配电柜供2、4、6、8等偶数号空调，当一个配电柜故障时，可保证一半空调的运行。

（5）数据中心机房设备选择及线路敷设原则

UPS电源配电柜、列头柜采用可热插拔型器件。对于大容量自动转换开关(ATSE)，选用带隔离旁路的高质量产品。

数据中心机房内线路敷设的原则是：双路电源通过不同路径敷设，与弱电线路分开敷设，尽量减少对弱电线路的电磁干扰机房内采用电缆放射式供电，由UPS至列头柜问的干线采用线槽敷设，由列头柜至IT设备间的支线采用架空地板下线槽敷设，机柜与电缆之间使用工业耦合器连接，所有穿过机房隔墙的线路管，槽需进行防火及防虫害封堵。

5、照明

根据各场所使用功能的不同，采用与之相符的光源和灯具以高效节能型为主，并兼顾各场所的特殊要求。

照度标准、照明功率密度值、统一眩光值和显色指数等按照GB50034―2004《建筑照明设计标准》和GB50174―2008《电子信息系统机房设计规范》中的要求设计。

数据中心照明光源选择细管径直管荧光灯、紧型荧光灯等高效节能光源，主机房采用细管径直管荧光灯(T5管)。

选用效率高的灯具及附属装置，荧光灯采用低谐波电子镇流器。数据中心机房选用格栅灯具，灯具布置在机柜列中央并与机柜列平行。

数据中心主机房、总控中心(ECC)，室外照明等采用智能照明控制系统；其余机房采用就地开关分路控制。

6防雷、接地、静电防护、电磁干扰防护与屏蔽

（1）防雷与接地

本工程建筑属第二类防雷建筑，设防直击雷、防雷电波侵入和防雷击电磁脉冲数据中心机房属A级雷电防护，设不少于三级浪涌保护。原则上尽量利用建筑物的金属构件及钢筋混凝土结构中的钢筋作为防直击雷装置利用建筑基础内钢筋作为接地极。

为防雷电波侵入和防雷击电磁脉冲，需做总等电位联结、局部等电位联结，在电源和信号线路中的规定位置装设多级过电压(浪涌)保护器数据中心机房设备进行M型等电位联结。在架空地板下设置铜制等电位联结网格(25mm2的编织铜带)每台设备采用两根长度不等的等电位联结导体就近与等电位联结网格连接。

本工程电气系统接地、保护性接地和功能性接地、防静电和电磁屏蔽接地、防雷接地等采用共用接地系统。

（2）静电防护

数据中心机房内采用防静电架空地板，其材料的静电性能指标符合规范要求，并将房内所有设备可导电金属外壳、各类金属管道、建筑物金属结构等作等电位联结。

合理控制机房内相对湿度，防止及减少静电的产生人员进入机房时使用防静电鞋，在进行机柜内操作时使用静电泄放装置，可以防止人体带静电及向设备的静电放电。

（3）电磁干扰防护及屏蔽措施

优化建筑平面布置，将设备及线路尽可能设置在远离电磁发生源的地方对变电所内电磁干扰较大的设备采取屏蔽措施。

优化布线结构，电源线路和信号线路交叉时采用直角交叉方式为避免电源线路和信号线路形成环状而加大电磁感应的影响，进入同一机房的线路，配置在房间的同一侧电源线路和信号线路分别敷设在不同位置，并穿金属线槽保护。

对信息系统机房采用屏蔽和接地措施，使机房内无线电干扰场强和磁场干扰环境场强不大于规范要求。由于建筑结构体系形成的自然钢筋网格的电磁屏蔽效果不会太好，对信息系统机房来说很难达到要求，因此考虑增设人工金属屏蔽网格，以达到规范中的指标要求。

五、建议

计算机中心机房环境除必须满足计算机设备对温度、湿度和空气洁净度、供电电源的质量(电压、频率和稳定性等)、接地地线、电磁场和振动、防火、防盗、防雷、屏蔽和接地等项的技术要求外，还必须满足在机房中工作的人员对照明度、空气的新鲜度和流动速度、噪声的要求。

六、结束语

综上所述，电气设计在数据中心中至关重要。在今后的数据中心中，我们必须严格电气设计方案，保证数据最大限度的为人们所用。

参考文献

[1]蔡益宇.探讨电力信息系统的雷电电磁脉冲防护[J].电网技术，2003(3):15-19.

[2]中华人民共和国电子工业部.GB50174-2008电子信息系统机房设计规范[S].北京:中国计划出版社，2008.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50462-2008电子信息系统机房施工及验收规范[S].北京:中国计划出版社，2008.

[4]中国建筑标准设计研究院.GB50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2004.