数据中心供配电系统应用白皮书初稿Word格式.docx

1、全面性内容、体系完整。2定位于工程设计，具有实施的工程化特征。侧重工程设计方法和原则、系统构成、重要技术方案的确定、参数计算和确定、设备选型与布置、投资控制及维护机构等方面的内容。同时避免内容冗杂，通过分类提供相关标准、规范、参考资料的索引，提供深入学习和研究的途径。1.4 编制目的 本白皮书总结最新的数据中心供配电系统的设计/应用理论、方法和实践经验，基于国内、国际最新的数据中心供配电系统建设标准，为中国数据中心供配电系统规划设计提供全新的理论架构、设计逻辑和方法、评估模型与实践，希望能为中国数据中心供配电系统的建设有所裨益。1.5 适用范围 本书供数据中心建设运营方（包括金融、通信、政府、

2、企业、军队、公共设施、社会机构等）、各设计院工程技术人员、系统集/智能建筑/IT等行业技术人员参考。也可作为高校与研究院所的参考用书。1.6 应遵循的法规、标准、规定本白皮书依据国家相关法律、法规以及设计标准与行业规范为基础，结合数据中心建设、运行、维护中的实际情况，经过多位行业专家的共同努力编制。主要参考的相法规、规范、标准有：1.6.1 应遵循的法律、法规 中华人民共和国电力法 中华人民共和国建筑法 中华人民共和国节约能源法 中华人民共和国可再生能源法 中华人民共和国环境保护法 中华人民共和国计量法实施细则 1.6.2 应遵循的标准、规范电子计算机场地通用规范GB 288720000供配电

3、系统设计规范GB 50052200910kV及以下变电所设计规范GB 5005394 低压配电设计规范GB 50054953110kV高压配电装置设计规范GB 500602008民用建筑电气设计规范JGJ/T162008标准电压GB/T 1562007电能质量 供电电压偏差GB/T 123252008建筑物防雷设计规范GB 500572000建筑物电子信息系统防雷技术规范GB 503432004电子计算机场地通用规范GB/T 28872000民用建筑电气设计规范JGJ/T 162008绿色建筑评价标准GB/T 503782006智能建筑设计标准GB/T 503142006电力工程电缆设计规范G

4、B 502172007建筑照明设计标准GB 500342004 建筑设计防火规范GB 500162006高层民用建筑设计防火规范GB 500452005二 术语2.0.1 数据中心 DataCenter 数据中心通常是指在一个物理空间内实现信息的集中处理、存储、传输、交换、管理，而计算机设备、服务器设备、网络设备、存储设备等通常认为是网络核心机房的关键设备。关键设备运行所需要的环境因素，如供电系统、制冷系统、机柜系统、消防系统、监控系统等通常被认为是关键物理基础设施。2.0.2 主机房 computer room 主要用于电子信息处理、存储、交换和传输设备的安装和运行的建筑空间。包括服务器机房

5、、网络机房、存储机房等功能区域。2.0.3 辅助区 auxiliary room 用于电子信息设备和软件的安装、调试、维护、运行监控和管理的场所，包括进线间、测试机房、监控中心、备件库、打印室、维修室等区域。2.0.4 支持区 support area 支持并保障完成信息处理过程和必要的技术作业的场所，包括变配电室、柴油发电机房、UPS 室、电池室、空调机房、动力站房、消防设施用房、消防和安防控制室等。2.0.5 行政管理区 administrative area 用于日常行政管理及客户对托管设备进行管理的场所，包括工作人员办公室、门厅、值班室、盥洗室、更衣间和用户工作室等。2.0.6 冗余

6、Redundancy冗余是重复配置系统的一些部件，当系统中某些部件发生故障时，冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间。2.0.7 N-基本需求 Base requirement系统满足基本需求，没有冗余。2.0.8 N+X 冗余N+X redundancy系统满足基本需求外，增加了X个单元、X个模块、X个路径或X个系统。任何X 个单元、模块或路径的故障或维护不会导致系统运行中断。（X=1N）2.0.9 容错 Fault tolerant容错系统是具有两套或两套以上相同配置的系统，在同一时刻，至少有两套系统在工作，每套系统是（N+M,M=ON）结构。按容错系统配置的场地设

7、备，至少能经受住一次严重的突发设备故障或人为操作失误事件而不影响系统的运行。2.0.10 保护性接地 Protective earthing以保护人身和设备安全为目的的接地。2.0.11 功能性接地 Functional earthing用于保证设备（系统）正常运行，正确地实现设备（系统）功能的接地。三 概述3.1 一般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。（1）连续就是指电网不间断供电。但瞬时断电的情况时有发生，断电是否会影响IT设备的正常运行，可参照ITIC-1100（ITIC, Information Technology Industries

8、Council）的曲线。在数据中心的供配电系统中，合适的UPS型号与组网方式保证数据中心面对毫秒级至分钟的市电异常时不会有任何中断，对于大时间尺度（如小时级，天级）的市电异常，则需要备用市电系统或者柴油发电机系统的保护。下图中深灰色的区域为高压可能损坏设备的区域，而浅灰色的区域为低压导致设备不能正常工作但不会损坏设备的区域，只有白色的区域才是设备正常工作的区域。图2 ITIC-1100曲线（2）稳定 所谓稳定主要指电网电压频率稳定，波形失真小，如下表：表1 GB 501742008对于电网稳定性的要求要求供电电源的质量稳定的原因是为了保证数据和设备的安全。上表中各项稳态指标的提出就实质上意味着

9、数据中心机房必须配置UPS，因为市电电网无法长时间处于上述指标之内，只有UPS的输出才会如此稳定。（3）平衡 主要是指三相电源平衡，即相角平衡、电压平衡和电流平衡。要求负载在三相之间分配平衡，主要是为了保护供电设备（如UPS）和负载。（4）分类 所谓分类就是对IT设备及外围辅助设备按照重要性分开处理供配电。分类的实质源于各负荷可靠性要求的不一致。为不同可靠性要求的负荷配置不同的供配电系统，能够在保证安全的前提之下有效地节约成本。3.2 负荷分级按照电子信息系统机房设计规范GB 501742008的要求，电子信息系统机房用电负荷等级及供电要求应根据机房的等级，按现行国家标准供配电系统设计规范GB

10、50052 及GB 501742008附录A 的要求执行。GB 5005295将工业企业电力负荷分为如下三级：一级负荷，二级负荷与三级负荷。数据中心的类型，仍应与工业企业负荷分级相一致。主要取决于其工作性质。针对计算机系统的工作性质及对供电可靠性的要求，严格区分其负荷性质，是十分必要的。对于那些不允许停电的计算机系统，即使供电属于二、三级的用户，也需要建立不停电供电系统或相应提高供电等级。GB 501742008关于负荷分级条文说明如下：A级电子信息系统机房的供电电源应按一级负荷中特别重要的负荷考虑，除应由两个电源供电（一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏）外，还应配置柴油发电机作为

11、备用电源。B级电子信息系统机房的供电电源按一级负荷考虑，当不能满足两个电源供电时，应配置备用柴油发电机系统。C级电子信息系统机房的供电电源应按二级负荷考虑。3.3 电能质量要求按照电子信息系统机房设计规范GB 501742008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 501742008附录A 的要求执行。同时，GB50174-2008第817条规定“电子信息设备应由不间断电源系统供电”，因此UPS电源的输出质量决定了电子信息设备的供电电源质量，本规范采纳了现行行业标准通信用不间断电源一UPSYD/Tl095一2008中有关电源质量的指标。表2 在线式UPS电气性能

12、要求（数据来源：YD/T 10952008通信用不间断电源UPS）序号指 标 项 目技 术 要 求备 注1输入电压可变范围165V-275V176V-264V187V-242V相电压285V-475V304V-456V323V-418V线电压2输入功率因数0.950.903输入电流谐波成份5%15%规定339次THDA4输入频率50Hz4%5频率跟踪范围4%可调6频率跟踪速率（0.5-2）Hz/s 7输出电压稳压精度1%2%3%8输出频率（500.5）Hz电池逆变工作方式9输出波形失真度2%3%5%组性负载4%6%8%非线性负载10输出电压不平衡度11动态电压瞬变范围12瞬变响应恢复时间20m

13、s40ms60ms13输出电压相位偏差214市电电池切换时间0ms15旁路逆变切换时间1ms2ms4ms3kVA8ms3kVA16电源效率10kVA 82%10kVA 90%额定输出功率60KVA 88%50%输出功率17输出有功功率 额定容量0.7KW/KVA18输出电流峰值系数319过载能力（125%）10min1min30s20音频噪声55dB（A）60dB（A）70dB（A）21并机负载电流不均衡度对有并机功能的UPS四 数据中心用电设备电源系统概述建设合理的数据中心供配电系统必须先详细了解供配电系统的服务对象数据中心IT设备及其电源系统。数据中心的IT设备主要是服务器、路由器、网络交

14、换机、存储器等等，但主要的耗电设备是服务器（Server）。因此，了解服务器及其电源系统的特点对合理设计、管理数据中心具有十分重要的意义。4.1 服务器电源系统标准简介服务器电源按照标准可以分为ATX（Advanced Technology Extended）电源和SSI（Server System Infrastructure）电源两种。ATX标准使用较为普遍，主要用于台式机、工作站和低端服务器；而SSI标准是随着服务器技术的发展而产生的，适用于各种档次的服务器。1. 强制性标准（电源必须满足的标准）电气安全方面：信息技术设备（包括电气事务设备）的安全GB 49432001（等同IEC 95

15、0），产品不仅要符合该标准的要求，而且还必须能够获得权威机构的认可才能够进行生产和销售，也就是通常所说的安全认证。电磁兼容方面：信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法GB 92541998（等同CISPR 22:1997）。该标准主要对产品产生的传导干扰和辐射干扰提出了限制。其目的就是要求产品在使用时，不能干扰其他设备的正常运行。谐波电流方面：低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流16A）GB 17625.1-1998（等同IEC 61000-3-2:1995）。该标准是针对产品对电网造成的影响而制定的。国内目前需要对电源产品进行3C（China Compulsory Cert

16、ificate）强制认证。国际上遵循的标准主要为UL60950-1； FCC Class B Part 15；EN55022/CISPR*；EN55024；EN 61000-4-2；ANSI C62.41； ANSI C62.45；ANSI C63.4；AB13-94-146；EMKO-TSE（74-SEC）207/94等。2. 非强制性的标准（推荐标准）信息技术设备抗扰度限值和测量方法GB/T 176181998（等同CISPR 24:1997），该标准与信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法GB 92542001其实是产品电磁兼容性的两个方面，GB 9254着眼于产品发出的干扰，而GB 1

17、7618则是产品应具备的抗干扰能力，只有同时满足这两方面的要求才算完善的产品，才能保证不同的设备同时使用时不会互相影响。综合性：微小型计算机系统设备用开关电源通用规范GB/T 14714-2008是我国专门针对计算机电源产品编写的一份国家的标准，它的内容涉及产品的技术要求、实验方法、检验规则、标志、包装、运输、储存等等内容。3. 企业标准（Intel关于服务器电源相关设计文件）Intel 关于PC和服务器电源相关设计文件是目前PC和服务器电源领域重要的产品设计参考。相关文件从外形结构、接口定义到各个输入输出参数的定义和设定，几乎涵盖电源所有特性。1）ATX标准Intel在1997年推出了ATX

18、电源规范。ATX标准的电源与以往电源相比，在可控性、可管理性以及散热、机箱布局等方面做了很多改进。ATX电源是目前PC和服务器中普遍使用的标准电源，包括单电源、冗余电源两种规格。单电源系统功率在145400W之间，最多可以提供对双处理器系统的支持。这种电源主要使用在PC和低档服务器上，而在高档服务器中为了满足供电需求，大多采用冗余电源系统，即冗余热插拔电源，可以在线更换。在服务器系统中应用冗余电源，可以大大提高整个服务器系统的可靠性和可用性。这种电源的功率一般在每模块175W以上，有1+1、2+1、3+1等多种规格。2）SSI电源规范就电源而言，随着IA服务器市场的不断扩大，IA服务器的应用领

19、域也更宽，应用环境也更复杂。于是，对IA服务器电源系统的负载能力、安全性、扩展性和通用性等方面提出了更高的要求。为此，Intel联合一些主要的IA架构服务器生产商推出了新型服务器电源规范-SSI规范。SSI规范的推出是为了规范服务器电源技术，降低开发成本，延长服务器的使用寿命而制定的，主要包括服务器电源（Power Supply）规格、背板系统（Electronic Bays）规格、服务器机箱系统规格和散热系统规格。4.2 服务器电源对于数据中心供配电系统设计的基础意义服务器电源是整个数据中心供配电系统建设的出发点和归宿点，了解服务器电源的相关外特性对于数据中心的供配电系统建设具有基础的意义。

20、充分了解服务器电源的容量、冗余方式、制冷要求和能效设计等主要指标对于数据中心供配电系统的设计是完全必要的。1. 服务器电源容量考察业界某知名厂商的一款电源的铭牌：图3 业界某知名厂商的一款电源的铭牌此处需要特别强调的是：INPUT（输入） 中220V是服务器电源额定输入电压而4A 指的是最大额定输入电流能力，表征电源在最低输入工作电压时的最大输入电流能力，因此，直接用输入额定电压输入额定最大电流来表征额定输入功率是是不正确的。OUTPUT（输出） 250W MAX，这个参数才是该服务器电源最大输出功率，这个参数通常只有在服务器电源铭牌上才能看到，因此这个参数也被称为铭牌功率（Nameplate

21、 Rating），这个参数对设计才具有确实的意义。负载的容量并不直接等同于服务器电源的最大输出功率。图4 服务器电源容量与效率曲线上图右平面从右至左有三根垂直的直线，对应服务器的三种工况：铭牌功率：指的是服务器电源铭牌功率。最大工况设置： 指的是服务器系统工作在最大用电负荷时耗电功率。CPU 100%利用率典型工况：CPU工作在100%利用率时耗电功率。从图中可以注意到服务器最大的功率消耗是铭牌额定值的80%，这是因为服务器厂家在选择电源时也宽放了大致20%的裕量。而CPU 100%利用率典型工况是铭牌额定值的67%。事实上服务器正常工作时的能耗还小于该值。因此，在具体的设计工作中，这种裕量和

22、工况差异也建议数据中心设计者纳入考虑。2. 服务器电源冗余服务器设备中广泛使用两个或两个以上的电源同时供电，这种多电源供电技术的名称为“冗余电源（Redundant Power supply）”。1）冗余电源的系统结构冗余电源系统采用输入总线、负载总线和共享总线的“三总线”的电路结构，如图10-9。电源1、电源2 电源n为热插拔电源模块，它们以并联方式相连接，C1、C2 Cn为各电源模块的控制模块，S1、S2 Sn为受控调节器，SENSE1、SENSE2 SENSEn为电源检测信号，FB为负载电压反馈信号。系统正常工作时，控制模块通过调整电源1-n的工作参数，使系统均衡地使用每个电源模块每个电

23、源模块向系统提供相同的电流，这种工作模式称为“电流共享”；或者控制受控调节器使得某一个/组电源工作，其余个/组电源备份。冗余电源系统中的每个供电模块均可以热插拔，一旦某个供电模块损坏，就能在不停电情况下完成维修工作，而丝毫不影响系统的正常工作。热插拔（hot-swapping）是指将模块、板卡或电源等设备带电“接入”或“移出”正在工作的机器。图5 服务器冗余电源系统结构图2）冗余电源的对于前端供配电系统的要求服务器冗余电源系统最终都可以归结到双电源系统上。服务器冗余电源（双电源系统）设计为提高服务器本身供电的可靠性提供了可靠的物质基础。如果双电源服务器的每一路电源都能够通过独立的供电路由找独立

24、的能量源取电，就能够获得最高的可靠性。所以关键点是供电路由独立和能量源独立。UPS系统（服务器的能量源），其传统供电方案，如单机/串联热备份/N+1直接并机等都不能做到能量源相互独立，与之相配套的供电路由也相应的无法独立，也就是说每个环节都存在着明显的单点故障，因此无法和服务器的双电源结构进行匹配。所以，2N/2（N+1）的供电结构正是基于服务器冗余电源结构而兴起的供电解决方案。图6 2N供电结构示意图3. 服务器电源能效计算机/服务器电源的能效一直是近几年来业界最为人关注的主题之一，业界关于计算机/服务器的能效也取得了很多成果。 “能源之星”针对计算机电源的要求也在不断升级。“能源之星”4.

25、0版规范的自2007年7月20日开始生效，要求台式机在待机和休眠模式下的功率消耗分别不超过2.0 W和4.0 W，且对空闲（Idle）状态下的功率消耗也作出了规定（A类50.0 W；B类65.0 W；C类95.0 W）；而在20%、50%和100%负载条件下的效率最低达80%。此外，更新的5.0版规范第一阶段要求将于2009年7月1日开始生效，将要求使用内置电源的计算机在50%负载条件下工作效率最低达85%，而在20%和100%负载条件下最低效率达到82%。业界还涌现了新的节能要求，如吸引了诸多知名计算机厂商参与的计算产业气候拯救行动（CSCI）的要求，如下表所示。表4 CSCI提出的计算机电

26、源最低能效要求实现时间表表5 Intel 针对服务器电源在2008年对电源的效率要求项目电压（交流）100%负载50%负载20%负载10%负载EPS12V,EPS1U,EPS2U115V82%85%无ERP12V,ERP1U,ERP2U230V89%77%五 数据中心高压配电系统数据中心高压变配电系统是数据中心供配电系统联系市电供电网络和用户的中间环节，它起着变换和分配电能的作用。从电压等级而言，该系统主要会涉及到35kV/10kV/6kV/3kV等电压等级。5.1 电压选择1标准电压数据中心的高压变配电系统电压主要根据用电容量、用电设备特性、供电距离、供电线路的回路数、当地公共电网现状及其发展现状等因素综合考虑决定。根据国家标准标准电压GB/T 1562007（该标准基本对应IEC60038：2002），我国三相交流系统的标称电压、相关的设备最高电压如下表：表6 系统标称电压和设备最高电压系统标称电压（KV）设备最高电压（KV）0.22/0.380.38/0.661/（1.14）3（3.3）3.67.2243540.5注1