供配電系統的布置 

數據中心機房供配電系統主要設備有：UPS、電池、配電柜和柴油發電機等。這些設備單位占地面積、重量大，對于這些設備的擺放位置既要考慮功能上的需求，又要考慮空間和承重的需要，還要考慮對外界的危害。

數據中心機房供電系統應有獨立的配電間、變配電所，UPS 電源機房應靠近設備機房(負荷中心)布置，這樣能保證從UPS輸出到用電設備之間的壓降和損耗盡可能的小。UPS 電源主機、配電柜與蓄電池組是否需要分隔，按照數據中心等級的要求決定，另外還需要考慮到UPS屬于大型設備，重量比較大，噪聲大，需要擺放在一個承重比較好，并且不影響辦公和休息環境的地方。配電柜位置的選擇，主要考慮功能上的需求，配電柜應在滿足功能分區的基礎上，盡可能靠近供電負載。發電機房宜設置在地面一層，當發電機房設置于地下層時，應特別注意進、出風通道能否滿足要求，應注意發電機組儲油裝置（日用油箱、儲油罐）的消防要求。

變配電所、發電機房、UPS電源機房均應留有足夠的面積，可與設備機房同步發展，應對設備機房面積擴展或設備機房功率密度上升引起的供電需求。于非專門設計用于數據中心的建筑，應注意其是否滿足設備安裝和線路敷設的要求，包括樓面荷載、凈高、抗震等級、耐火等級等方面。

下圖為典型數據中心的供配電系統示意圖，采用雙路110kV進線，配置10kV柴油發電機作為自備應急電源，UPS采用冗余供電方式，末端精密配電柜和精密空調均采用UPS供電，提高數據中心運行穩定性，見圖1。

圖1 數據中心典型供配電系統示意圖

5.2 供配電系統設計 
5.2.1 市電動力配電系統設計

為了提高數據中心供電可靠性，減少電網故障的干擾，大型數據中心一般采用110kV甚至更高電壓等級市電電源，根據當地供電條件確定。市電動力配電主要用于供給機房精密空調設備、普通照明和給排風、維修插座、一般動力、UPS設備等。市電動力配電一般由大樓總配電柜饋出的動力供配電系統，采用50Hz交電，380/220V三相五線電源，TN-S接地方式，零線和地線分開設置且零地線之間電壓小于1V。

一般可靠性要求數據中心宜引入兩路市電電源，條件受限制時也可引入一路市電電源。引入兩路市電電源時，宜為冗余關系，也可作為供電容量擴展關系。

每一路市電電源的供電容量應能滿足全部一、二級負荷的需求，包括UPS電源系統、機房精密空調、機房照明、蓄電池充電及建筑設備中的一、二級負荷。兩路市電電源的供電容量應為全冗余，正常時應同時供電運行，兩路電源在負荷設備輸入端自動切換。

圖2 110kV變電站或10kV開閉所保護測控裝置配置示意圖

市電動力配電柜一般采用放射式配電直接配至各用電設備或電箱，機房內所有動力配電線纜需要設計橋架或鋼管敷設，市電動力配電柜具有火警聯動保護功能，出現火警時可與消防系統聯動及時切斷電源，動力配電柜、照明箱內的開關和主要元器件應設置有效的防雷措施。

表1 110/10kV變電站和10kV開閉所、變電所保護測控裝置選型表

圖3 0.4kV配電柜測控裝置配置示意圖

表2 0.4kV配電柜測控裝置選型表

5.2.2自備應急電源系統設計  

數據中心一般采用柴油發電機組作為自備應急電源，對于大型、高等級數據中心也可以選擇可靠性高、輸出電源品質好、帶非線性負載能力強、體積小、重量輕的大功率燃氣輪機發電機組。一般可靠性要求的數據中心宜配置一路自備應急電源，供電容量應能滿足全部一、二級負荷的需求，包括UPS電源系統、機房空調、機房照明、蓄電池充電及建筑設備中的一、二級負荷。當數據中心條件受限制，且市電電源具有較高可靠性時，也可以部分或全部采用移動式發電機組作為自備應急電源。發電機組燃料儲備量應根據數據中心等級的要求，結合市電電源可靠性、供油可靠性、消防要求綜合決定，一般不宜少于發電機組滿負荷運行8小時的用油量。

圖4 10kV柴油發電機室保護測控裝置配置示意圖

表3 10kV柴油發電機保護測控裝置選型表

5.2.3 UPS供配電系統設計  
UPS配電主要用于計算機設備、服務器、小型機、存儲、網絡設備、保安監控設備等。UPS 電源系統輸出一般采用三級配電方式：系統輸出配電柜－機房配電柜－機柜配電單元。

UPS電源系統蓄電池組容量的計算方法有以下兩種：

(1) 按負荷電流計算；

(2) 按負荷功率計算；

按負荷電流計算的結果是蓄電池組的總容量，然后再選擇單組蓄電池的容量和組數。按負荷功率計算的結果是選定容量規格的蓄電池組數。兩種計算方法的結果可互相校驗。

對于單電源輸入設備，即使已采用雙單元冗余UPS 電源系統，也宜將其連接在其中一個單元上。對于雙單元冗余UPS電源系統，可將其每個單元中的部分容量視為并聯冗余性質。對于需要雙回路供電的單電源輸入設備，宜在其輸入端設置靜態轉換開關STS。靜態轉換開關STS 的性能應能滿足其要求，一般轉換時間小于5～10ms。

當負荷設備對零－地電壓要求較高時，可在機房配電柜設置隔離變壓器。有時候為保證UPS故障旁路后輸出高質量電源，往往在UPS旁路輸出端設置隔離變壓器。

數據中心UPS供配電系統一般采用冗余方式供電，很少采用單機供電。冗余方式供電能在一臺UPS設備故障時，仍然能夠滿足機房內重要設備的用電需求，這是單機供電所不能達到的。從冗余式配置方案來看，常用的有以下幾種方式：

(1) 熱備份式冗余UPS供電方式 

主機帶負載，備機空載或帶非重要負載，備機接入主機的BYPASS(旁路)輸入端。這種方式布置比較靈活，不需要兩臺UPS同品牌，而且不要增加額外輔助電路，不增加購置成本。如果UPS主機發生了故障，那么UPS備機需要接替全部負載，這也就意味著設計時需要計算好UPS主機故障時，UPS備機所需承擔的總負載。此方式的缺陷在于UPS備機得具有階躍性負載承載能力，無法對電源系統進行擴容，兩臺容量不同的UPS相聯，只能按至低的UPS容量輸出。

(2) 直接并機冗余UPS供電方式 

為克服熱備份式冗余供電系統的弱點，隨著UPS控制技術的進步，具有相同額定輸出功率的UPS可直接并聯而形成冗余供電系統，為保證高質量的并機系統，各電源間需要保持同頻、同相、且各機均流。此供電方式瞬間過載能力強，能夠自動均分功率，系統互為主備，提高供電可靠性，電源系統擴容方便。但是存在著環流，增加無功損耗，降低系統可靠性，需增加額外輔助電路，隨之而來是增加成本，增加故障點。設計時，如2臺互備，每臺按照50%帶載能力考慮，并聯的主機越多，單臺主機的帶載能力就越低。

(3) 雙總線冗余供電方式 

雙總線供電方式是采用兩條總線對后端設備進行供電，每條總線上具有相同的一套UPS供電方式，消除可能出現在UPS輸出端與最終用戶負載端之間的“單點瓶頸"故障隱患，以提高輸出電源供電系統的“容錯"功能。此供電方式能夠在線維護，在線擴容，在線升級，改善了重要總線的可用性，滿足了雙電源用電設備的需求，實現了7×24×365運行的目標。但是雙總線冗余供電方式相當于搭建了兩套前述供電方式的回路，需要增加2倍以上的成本。同時，為滿足單電源設備的供電需求，可在輸出端安裝STS，來保證供電輸出的可靠性。　　

UPS供電系統是滿足數據中心供電可靠性的核心部分，而蓄電池又是整個系統中主要的組成之一，是整個供電系統的“最后一道屏障"。當組串中的一只電池因過充、過放等原因造成電池性能下降，電池內阻變大，會導致電池出現發熱、鼓包等現象，將造成供電系統安全性的整體下降，同時增加蓄電池充放電的損耗。

圖5 數據中心UPS和蓄電池監測配置示意圖

表4 數據中心蓄電池監測選型表

5.3 末端配電系統

機房UPS、精密空調電源系統輸入應設置專用的輸入配電柜。電源系統輸入配電柜應引接兩路電源、自動切換。UPS 電源主機的主電源和旁路電源應分別引入，并宜由不同的輸入配電柜引接。UPS電源系統輸出應采用放射式、雙回路配電方式。UPS 電源系統輸出應采用三相配電，末端分相，以利三相平衡。

機房配電柜、UPS電源柜落地安裝，動力配電箱、照明配電箱底邊距地1.4m墻上暗裝，配電柜及其他電氣裝置的底座應與建筑樓地面牢靠固定，并接地，機房內應分別設置維修和測試用插座，且有明顯區別標志，測試用電源插座應由UPS供電，維修插座由市電供電。所有線路的敷設是要以設備布局和設計圖紙為基礎進行，設計時考慮供電距離盡量短，機房內的電源線、信號線和通信線應分別鋪設，不能共走同一線槽，UPS電源配電箱(柜)引出的配電線路，穿鍍鋅鋼管，沿機房活動地板下敷設至各排網絡或服務器機柜，使用插座或工業連接器為機柜供電。

5.3.1 精密配電柜

精密配電柜是為數據中心的設備機柜提供電源的末端配電設備，一般采用雙回路供電，電源分別來自兩臺冗余的UPS，分為交流和直流供電，一般放置在機柜陣列的兩端，也稱列頭柜，如圖6所示。

圖6 ANDPF精密配電柜

安科瑞精密配電監控解決方案針對精密配電柜監控數字化要求，方案包括交流（AC220V）、直流（DC-48V/240V/336V）系統。由觸摸式液晶顯示屏、綜合信息處理主機模塊、開關狀態采集模塊、電流互感器(交流)或霍爾傳感器(直流)采集單元模塊等組成。監測兩路主進線和A+B雙面饋線回路電量參數、開關狀態、諧波含量、柜內溫濕度等數據，可以在本地觸摸屏顯示，同時可以上傳AcrelEMS-IDC數據中心能效管理系統顯示和報警。產品方案見表5。

表5 精密配電柜數字化方案產品選型

5.3.2 智慧母線槽

近年來隨著數據中心建設的快速發展，智能母線槽的方案運用越來越多。相比傳統精密配電柜，數據中心母線槽架空鋪設，具有安裝檢修方便、不占地、散熱快、易增容等優勢。母線槽通過始端箱從前端UPS取電，以母排系統組成輸電結構，采用即插即用的方式，通過插接箱給各個IT機柜內的PDU供電。

圖7 智能母線槽數據采集方案示意圖

安科瑞智能母線槽方案在始端箱和插接箱內配置AMB100/AMB110監測單元，測量始端箱、插接箱電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數、有功電能、無功電能、諧波畸變、溫濕度、漏電電流等數據，可以通過有線或無線方式傳輸數據，在本地觸摸屏顯示，同時可以上傳數據中心能效管理系統，實現母線槽的數據展示和異常預警。

另外由于母線槽是由銅制母排搭接而成，接頭部位可能會由于接觸不良而異常發熱，所以需要對母線槽接頭溫度進行實時監測，安科瑞AMB200母線接頭溫度監測裝置進行接觸式測溫，AMB300通過紅外非接觸式測溫方式監測母線溫度，數據通過有線或無線方式傳輸本地觸摸屏顯示，同時可以上傳數據中心能效管理系統，實現母線槽溫度的實時預警，設備選型如表6所示。

表6 智能母線槽解決方案選型表

5.4 數據中心能效管理系統設計

AcrelEMS-IDC數據中心能效管理系統搭建基于高、中、低壓配電系統、柴油發電機、UPS的實時監控和末端配電系統數據采集的電力監控、PUE分析以及動環監測，幫助數據中心管理者了解數據中心能源運行情況，并關注消防和電氣安全，及時預警異常情況，保障數據中心穩定可靠運行。除了變電站、柴油發電機和UPS運行監控以外，特別是針對數據中心的末端配電環節，系統數據跟蹤到每一個回路的電氣參數和開關狀態、溫濕度數據等。

圖8 數據中心能效管理系統架構圖

5.4.1 電力監控

監控110kV變電站、10kV開閉所、10/0.4kV低壓變配電室配電系統運行情況，實現遙測、遙信、越限報警、故障分析、電能質量分析、運行報表等功能。

5.4.2 設備監控

監測柴油發電機、變壓器、UPS、蓄電池組、精密配電柜、精密空調的狀態以及運行參數，并提供異常預警、運行報表等功能。

5.4.3 能耗分析

統計數據中心總能耗、IT設備能耗、制冷系統能耗、供電系統能耗、照明及辦公能耗等分項用能，并計算CLF/PLF/PUE等能耗指標。

5.4.4 環境監測

監測數據中心溫濕度、水浸，蓄電池內阻、溫度、電壓、蓄電池間氫氣濃度等數據并提供越限告警和聯動控制。

5.4.5 精密配電柜或小母線運行監測

系統監測精密配電柜或母線槽系統電氣接點溫度以及漏電電流，并設置溫度、漏電越限告警，及時消除系統隱患。系統監測每路饋線回路的電流、功率、開關狀態和用電量，還可以配置溫度、濕度傳感器用于監測線路接點溫度和柜內濕度，設置參數高低越限告警，避免回路超負荷運行而導致意外斷電。

5.4.6 故障預警

系統對數據中心的故障類型進行分級分類處理，可以通過語音、文字彈窗、短信等方式提供故障預警信號，并對故障進行分類展示。

5.4.7 運維管理

系統為數據中心提供設備管理和運維管理功能，包括設備臺賬、設備保養、工單管理、巡檢記錄、缺陷管理、搶修記錄等功能，告別依靠手工記賬，降低人力和時間成本。