机房智能配电工程

摘要：依据计算机的用途和性质以及负荷分级的规定，采取相应的供电技术:对于一级负荷采用一类供电，重要机房供电属于一级负荷，按一级负荷的供电要求，必须保证两个以上独立的电源点供电，采用两条专用干线引进，两路独立电源在末端互投，建立不停电系统，而且要保证供电的质量;对于二级负荷采用二类供电，建立带备用的供电系统;对于三级负荷采用三类供电，按一般用户供电考虑。

1.供配电系统
供配电是数据中心机房的生命线，这句话一点也不夸张，因为离开了电我们的机房是连一分钟也运行不了的，因此要建一个好的机房，首先要将供配电解决好。一般要求主要开关设备应该被设计成适合增容、维护和冗余，并提供双倍的或隔离的冗余配置。设计时应该考虑到开关装置、总线或断路器维护的方便性。瞬时电压浪涌抑制(TVSS)应该被安装在电力分配系统的每一级上，并且采用适当的规格，以便能够抑制可能发生的瞬时的能量。
不同类别机房对电源的要求：
A类机房：停电后会产生重大损失和社会影响，要求建立不停电电源系统。
B类机房：停电后会产生一定损失和社会影响，要求建立备用电源系统。
C类机房：停电后不会产生大的陨失和社会影响，可按一般用户配置。
2.市电输变电系统
对于一级负荷机房应该有从不同变电站供给的双路供电，加上柴油发电机，通过应急电源柜切换后供给机房内的UPS和精密空调机组，ATS切换最好在机房配电系统附近，切换后以最短距离输送给机房设备。备用发电机系统是至关重要的一个因素，当其中有一个故障时，也能够直接地向计算机和其它设备提供一个理想质量和容量的电力供应。发电机的设计应能够处理UPS系统或电脑设备负荷的谐波电流。备用发电机应该提供备用电源给所有的冷却设备，避免负载设备温度上升以及停止运行。如果发电机不支持这些系统，它们所带来的益处就显得很有限。在自动控制发生故障时，发电机应该能够采用手动控制，应该给每一个发电机输出提供瞬时电压浪涌抑制(TVSS)装置。
发电机燃料应该是柴油，这样启动比较快，考虑现场储藏量的要求，通常需要保证4小时到60天，并且需要给所有燃料储藏系统提供一个远程的燃料监控和警报系统。由于微生物增长是柴油燃料最常见的故障，应设计有便携的或安装固定的清洁系统。在寒冷的季节，需要考虑给燃料系统加热或循环，避免柴油燃料胶凝。当确定好现场燃料储藏系统的容量时，同时需要考虑燃料供货商在紧急情况时的反应时间。
在发电机周围提供UPS照明电源或单独的电池，在发电机和装置同时发生故障时提供照明。同样，在发电机周围也应该提供UPS供电插座。
在组件的分别测试之外，备用发电机系统、UPS系统和自动转换开关应该作为一个系统一起测试。在冗余系统测试单个组件的故障时，冗余系统是为在一个组件发生故障时能够继续起作用而设计的。此外，一旦数据中心开始运行，应该定期测试系统，确保各个组件能够继续正常地发挥作用。
3.机房用电的配置
配电必须充分考虑到今后的发展余量。如lBMP550A服务器，每台高配功率为lKW，一个机柜若装6台就是6KW，假如预期机房在今后会装到最多四十个机柜那就是240KW；UPS一般可按照设备容量的1.3倍计算，就是312KVA，再加上适当的余量，选用3台200KVAUPS冗余供电是一种较为理想的方案。
UPS的供电总容量2台200KVA冗余UPS可少算一台400KVA，精密空调单台的实际耗电功率为20KW，假如配置10台精密空调的话，总功率为10*20=200KW，机房UPS、空调总功率为：400+200=600KW，机房供配电要考虑到日后的发展余量等因素，一般可按照UPS与空调容量总和的150%配置，就是600*1.5=900KW，另外再加上新风机4KW、照明等的用电算8KW，则机房总的配电容量应为912KW，其中由应急柜供电的为UPS和精密空调。
4.作为国家A类标准的计算机机房都要求具备双路市电电源接入供电，但双路电源的切换开关（ATS0最好要安装在UPS输入的附近，这样接法相比在远端的配电柜切换，可以消除从配电间到UPS之间动力线路，开关等引起的故障）。机房供配电的安全可靠性牵涉的问题很多，从市电输入到UPS，从UPS输出到各级ATS、各级开关然后到输出端的各个接线盒及插座，每一个环节都十分重要，特别是处于供配电上游的UPS输入总开关和输出总开关以及ATS。其中任何一个一旦出现问题，都会引发严重的停电事故，后果将不堪设想，因此其配置问题必须慎之又慎，另外对于动力电缆的配置问题也很值得研究，由于机房内大量非线性负载的存在，使得谐波电流很大，所以一般机房刚建好时零地电压都很低，而设备装满时零地电压都会大大增加，我们的有效办法之一就是降低零线的电阻，以前我们的零线、地线的线径一般都比相线要，小很多，但实践中三相配电线路内，相线上的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。但是从降低谐波电流和零地电压的目标出发，我们应该将零线和地线的线径选得与相线相同甚至更粗一点。

（二）负荷等级和额定容量

依据计算机的用途和性质以及负荷分级的规定，采取相应的供电技术:对于一级负荷采用一类供电，重要机房供电属于一级负荷，按一级负荷的供电要求，必须保证两个以上独立的电源点供电，采用两条专用干线引进，两路独立电源在末端互投，建立不停电系统，而且要保证供电的质量;对于二级负荷采用二类供电，建立带备用的供电系统;对于三级负荷采用三类供电，按一般用户供电考虑。
机房用电系统要求提供的电源额定容量一般以两种方式给出:
(1)确定机房用电系统的总功率大小或机房用电系统的总电流。这是选取电力设备、总断路器、供电电缆、机房的总发热量以及精密空调时都必需考虑的问题。通常供电总功率应留有不少于25%的余量。
(2)确定各机柜、分机、设备等所要求的工作电流。这对设计计算机房的配电柜、选取合适的传输导线和分路开关也是必需的。针对电气设备额定电流，在整定总断路器和分路开关时要注意电气设备的启动电流值。在进行方案设计时，有些经验数据可供估算时参考，如:l)UPS功率:主机房可按350W~400W/㎡计算;照明用电可按l5W~20W/㎡计算。
2)空调机电功率要根据机房制冷量考虑。如主机房制冷量按400W/㎡计算，辅助机房制冷量按300W/m ²计算，然后再根据电气设备不同的效率和换算系数，确定空调系统用电负荷量。

机房在智能建筑中的重要性确定了安全、可靠是供配电系统设计的关键出发点。由于机房的供配电系统、照明、设备防雷、机房接地、UPS不间断电源等与一般的强电设计有所不同，又与弱电专业的十几个子系统密切相关。因此，它们处于强、弱电专业设计分工的接合部。有两种专业技术规范在这些界面上，有些规定也不十分明确，带来的问题是:机房各子系统的设计深度差距较大；主要弱电机房预留的位置不合适，面积过大或偏小；弱电竖井中遗漏接地干线和电源插座；UPS电源容量、支持时间长短不一；UPS电源供电方式是采用集中式还是分散式不能确定；各子系统的供电和接地方式不规范等。一部分设计文件中，还经常发现有文字说明描述不清楚、系统图和平面图五花八门、图形符号不按现行制图，标准绘制等问题。
机房常用的供电方式不间断电源(UPS)供电。由于采用了脉宽调频技术、高效功率器件的成熟、微处理器的发展等因素，不间断电源已经成为计算机房供电的主要手段。不间断电源最大的特点，在于不间断性，而且能最大限度地提供稳定电压，隔离外电网的干扰。外电网一旦停电，UPS能在设备所允许的极短时间内(微秒至毫秒级)自动从备用能源经逆变器变换成电压、频率和相位都与原供电电源相同的电能继续向计算机供电。或者平时由逆变器供电，只在逆变器发生故障时，由静态电子开关自动将计算机瞬时切换到外电网供电或切换到另一台与之并联的UPS上，实现不间断供电。UPS提供的电源具有较高的电压和频率稳定性，波形失真也较小，干扰更优于外电网，是计算机系统最理想的供电方式。几乎所有的重要计算机设备都采用UPS供电。

(一)电源布置和系统设计

设计和施工必须充分了解并掌握供电对象。充分搜集机房设备和系统的资料才能做好电源布置和系统设计，从而合理地满足机房用电需要。
机房应设单独电源管理间，用符合防火要求的隔墙与弱电设备隔离，避免电源管理间操声、蓄电池酸碱液渗漏和电气火灾等事故传播到计算机设备机房内。计算机设备机房与电源管理间中间设单扇朝电源管理间方向开启的连通门，还可考虑设置玻璃观察视窗。电源管理间应做水泥地面，为防潮、防湿可砌高0.3~0.5m的水泥平台搁置配电柜和UPS电源等。
UPS主供:主机设备、网络设备、保安监控设备、多媒体、消防、应急照明等。
市电主供:空调设备、普通照明和给排风、维修插座、一般动力等。

(二)动力供配电系统

由总配电柜馈出的动力供配电系统采用50Hz交流电，380/220V三相五线电源，TN-S接地方式，零线和地线分开设置且零地线之间电压小于lV。动力配电柜、照明配电箱采用放射式配电直接配至各用电设备。
机房内所有线缆须设计钢制桥架、线槽或钢管敷设。由于精密空调的供电电流大、负载动态范围宽，为防止干扰，应考虑另选路径单独敷设电缆。
动力配电柜(箱)具有火警联动保护功能，出现火警时可与消防系统联动及时切断电源，关闭防烟防火阀，并且在值班室安装手动电源切断装置。动力柜、照明箱内的开关和主要元器件采用进口产品，并设置有效的防雷措施。有条件时，大型机房最好采用专用电力变压器供电。

(三)UPS供配电系统

UPS供配电系统的供电范围是计算机设备(主机和附属设备)、通信设备、网络设备、保安监控设备、消防系统、应急照明等。UPS输出配电回路(每个配电控制开关为一个回路)需按机房内设备要求设置，小型机/服务器、网络核心交换机及重要路由器要由独立双回路供电，其他计算机设备可用一个回路带3~4个插座，固定于地板下。UPS电源分别送到主机房配电柜(末端)既可靠，又方便使用。还应该考虑为数据中心中关键的负载设备安装电源分配单元(PDU)，这些设施是合并了几个组件功能到一起的一个装置，通常很小，比分开安装几个独立的面板和变压器更有效。如果机房细分为不同的房间或空间，每一个房间或空间是由它们各自独立的紧急电源开关(EPO)所支持，那么这些空间应该拥有自己独立的水平分布区域。
电源分配单元(PDU)集成了独立的变压器、瞬时电压浪涌抑制(TVSS)、输出面板和电源控制的功能，并提供了更多的优点。
一个典型的PDU包括以下组件。
● 离线变压器双输入断路器应被视为允许连接一个临时接驳，允许维护或资源冉分布时不用关闭关键的负载。
● 变压器:尽可能靠近负载以减少从地线到零线之间的共模噪声，减少电压源接地和信号源接地之间的差别。当变压器位于PDU装置内时，就达到了最近的位置。
● 瞬时电压浪涌抑制(TVSS):当导线长度尽可能的短时，最好低于2OOm皿，瞬时电压浪涌抑制(TVSS)装置的效率将大大地提高了。通过提供在同一个装置中瞬时电压浪涌抑制(TVSS)作为分配面板，可以提高效率。
● 分配面板:可以将面板与变压器安装在同一个机柜中或在需要更多面板的情况下，可以使用一个远程的电源面板。
● 计量、监测、警报、和远程控制当提供一个传统的面板系统时，通常意味着大量的空间要求。
● 紧急电源关闭(EPO)控制。
单点接地总线应该用电力分配单元(PDU)将电源分配到关键的负载上。在需要额外分支电路的地方，面板或PDU”sidecars”可以是次级反馈的。应该提供两个冗余PDU给每个机架供电，每一个PDU最好采用不同的UPS系统供电;提供给单相或三相计算机设备一个可以安装在机架上的快速转换开关或从每一个PDU馈给的静态开关。选择性地，可以提供给单线和三线设备，从分开的UPS系统馈给的双馈给静态开关式PDU，尽管这种安排提供稍微少一些的冗余和灵活性。应该考虑用彩色的表示牌和馈给电缆来区别A和B分布，例如，所有的A侧用白色，所有的B侧用蓝色。
一条电路不应该服务多于一个机架，防止一条电路对多个机架产生电路故障。为了提供冗余，每一个机架和机柜应该各自独有的、两个专用的、从两个不同的电力分配单元(PDU)或供电面板来的16A、220V的电路。对于高密度的机架可能要求更高的安培容量，一些新服务器可能要求一个或多个、单相或三相插座，额定电流要求5OA或更高。每一个插座应该用服务于它的PDU或电路号来标识。

(四)配电设备的安装和线路敷设问题

在机房设备布局确定的前提下，按照电气设备用途和设计图纸进行设备安装和线路敷设。
(1)设备安装。机房配电柜、UPS电源柜落地安装;动力配电箱、照明配电箱底边距地1.4m墙上暗装;根据机房内设备负荷容量和分布情况，机柜(箱)内元器件配置作到排列有序、安装牢固、理线整齐、接线正确、标志明显、外观良好，内外清洁。分设单相、三相回路，配用小型真空断路器，如C65N等线路保护开关。箱内设置辅助等电位接地母排。电源柜及其他电气装置的底座应与建筑楼地面牢靠固定。电气接线盒内无残留物，盖板整齐、严密、紧贴墙面。同类电气设备安装高度应一致。吊顶内电气装置应安装在便于维修处。特种电源配电装置应有明显标志，并注明频率、电压。暗装照明箱或开关面板安装在机房出入口附近墙面的方便位置。分体空调插座设置在机房内墙面上距地1.8m处。
主机房内应分别设置维修和测试用电源插座，两者应有明显的区别标志。测试用电源插
座应由计算机主机电源系统供电。其他房间内应适当设置维修用电源插座。单相检修电源回
路要在电源管理间各墙面距地0.3m设置检修电源插座，禁止使用2kW以上大功率电感性电动工具。确需使用这类工具以及三相检修设备，应使用施工移动式配电盘从机房所在楼层附近的动力或照明配电箱接取电源。
(2)线路敷设。供电距离尽量短，主要是从供电安全考虑，电子计算机电源间应靠近主机房设备。主机房内活动地板下部的低压配电线路应采用铜芯屏蔽导线或铜芯屏蔽电缆。机房内的电源线、信号线和通信线应分别铺设，排列整齐，捆扎固定，长度留有余量。UPS电源配电箱(柜)引出的配电线路，穿薄皮钢管或阻燃PVC管，沿机房活动地板下敷设至各排机柜和配线架的背面，经带穿线孔的活动地板引上，穿管保护迸大金属导轨式插座线槽、机柜或配线架。控制台或设备桌后的敷线，用金属导轨式插座线槽并用螺栓固定，安装在设备桌背面距活动地板0.1~0.3m处。
信号线缆在活动地板下从机柜、配线架至各设备，应采用金属线槽沿设备周围或主机房从设备背面的活动地板穿线孔引人的设备(注意不得与电源线路共用活动地板穿线孔，且间距大于0.1m)，信号线缆避免沿机房墙边敷设以防与强电线管交叉。活动地板下部的电源线应尽可能远离计算机信号线，并避免并排敷设。当不能避免时，应采取相应的屏蔽措施。桌上设备之间的信号连线是短线的(长度于3m)应沿设备背部桌面明敷，但不得悬吊在设备桌背侧空中;是长线的(长度大于3m)应从活动地板穿线孔翻下(上)穿薄皮钢管在活动地板下敷设。机房照明负荷和普通空调负荷，由电源管理间分别引出动力和照明回路供电。照明和空调负荷线路均沿吊顶内或墙面敷设，避免在弱电机房
(3)可靠接地。总配电柜、UPS电源柜、动力配电箱、照明配电箱的金属框架及基础型
钢必需接地(PE)或接零(PEN)可靠。门和框架的接地端子间用裸编铜线连接。柜、箱内配线整齐。照明配电箱内的漏电保护器的动作电流不大于30mmA，动作时间不大于0.ls。接地(PE)或接零(PEN)支线必须单独与接地(PE)或接零(PEN)干线相连接，不得串联连接。UPS电源柜输出端的中性线(N极)，必须与由接地装置直接引来的接地干线连接，作重复接地，接地电阻小于4Ω。当灯具距地面高度小于2.4m时，灯具的可接近裸露导体必须接地(PE)或接零(PEN)可靠，并应有专用接地螺栓和标识。外电源进线至机房电源管理间时，应将电缆的金属外皮与接地装置连接;从楼外引入的皑装信号电缆和屏蔽信号线，进入弱电机房前也应注意采取防雷击措施，避免沿建筑外墙或防雷引线引雷人室，遭受雷击和高频电磁干扰。同轴电缆的屏蔽层必须与机壳一起接地。
上述线缆进人机房后，应设金属接线箱(盒)，并将线缆金属(屏蔽)外皮连接避雷器或浪涌电压抑止器(SPD)，然后与机房等电位接地母排，用截面积不小于16mm2的铜芯绝.缘线连通。这样可以有效的抑制线缆接收到的电磁干扰信号，从而保证信号传输的质量。从机房送出的信号线路应采用金属线槽沿墙并在吊顶内敷设，避免与其他电气管路平行紧贴。尽量避开空调、消防、暖气和给排水等管道，与它们的间距按相关规范执行。金属电缆桥架及其支架和引入或引出的金属电缆导管必须接地(PE)或接零(PEN)可靠，且必须符合下列规定:
1)金属电缆桥架及其支架全长应不少于2处与接地(PE)或接零(PEN)干线相连接。
2)电缆桥架间连接板的两端跨接铜芯接地线，接地线最小允许截面积不小于6mm2。
3)接地(PE)或接零(PEN)线在插座间不串联连接。
工程实施中按上述做法可以较好地处理机房供电的可靠和安全，各种不同电压和频率的信号线缆敷设安全、相互隔离度好、整齐、美观并方便维护管理。
(4)消防系统的要求。消防系统的设备动力电缆，控制电缆、电线，按规范要求选用耐
火型电缆、电线。其他弱电系统所用电缆、电线均采用阻燃型。在设备选择及线路敷时，应充分考虑电磁兼容问题。