數據中心機房電氣系統設計與監控產品選型

徐霜

 （安科瑞電氣股份有限公司  上海  嘉定 201801）

引言

    進入21世紀，也興起了數據中心建設的熱潮，尤其是近幾年來，數據中心機房的數量、規模都有大幅增長，從幾千平米到上萬平方不等，尤以電信、金融、保險以及 行業為zui，由于數據中心機房所在的特殊應用領域，其設計與傳統民用建筑有諸多不同之處，數據中心機房是容納計算機房其支持區域的一幢建筑物或建筑物的某個部分，主要放置進行數據處理和數據交換的計算機、網絡設備、電子設備。數據中心是每個單位的核心單元、安全可靠的電氣系統對機房設備的穩定、可靠運行至關重要。

    根據數據中心電氣設計相關標準，數據中心機房的等級可分為*、B級、C級—*為容錯型（系統A+系統B）；B級為冗余型；C級為基本型，*等級zui高，對用電源要求zui為嚴格，本文就以某*數據中心機房為例，對該數據中心的電氣系統設計進行詳細介紹。

1 數據中心機房概況

    改數據中心機房為6層建筑，面積約為8400㎡，是當地規模zui大、級別zui高的數據中心及相應研發配套的公共服務設施。

    改數據機房建成后將以銀行、保險、通信、軟件、服務外包企業為服務，集辦公、機房服務為一體，是具有良好基礎設施條件、網絡環境、技術支撐平臺和管理服務體系的高標準綜合服務外包基地，根據GB 50174-2008《電子信息系統機房設計規范》的相關規定，該數據中心機房劃定為*：容錯級。

2 供配電系統

    數據中心機房內的機柜按一級負荷中的特別重要負荷供電，機房內的空調系統，環境和設備監控系統，消防設備及應急照明、安防系統用電、電梯等按一級負荷供電，數據中心機房供配電系統圖如圖1所示。

    數據中心供配電系統采用2+2冗余，分別為兩路10kv高壓+UPS蓄電池組+柴油發電機。3路互為熱備+1路冷備（柴油發電機），兩路10kv電源采用分段單母線同時供電互為備用，當一路故障，另一路能保證該工程一級負荷中特別重要負荷及一級負荷用電；自備柴油發電機組為一級負荷中特別重要負荷的第三電源，數據中心設UPS，額定輸出功率按不小于各設備額定功率總和的1.2倍選擇，蓄電池組容量按15min配置，柴油電動機作為后備電源。

    變壓器裝機臺數為7臺，總容量為8750kvA，其中數據機房部分6用1備，6臺變壓器中任何一臺故障，備用的一臺自動投入，柴油發電機房內設7臺1250kw的柴油發電機，數據機房部分6臺發電機和6臺變壓器做一對一的備份，一臺冗余。從高壓出線到變壓器，再到每層機房，數據機房部分采用“超級”放射式布線。數據中心機房供配電系統遠高于GB 50174-2008要求的*（兩路互為熱備）標準。

圖1 數據中心機房供配電系統圖

3 數據中心機房配電解決方案

    在數據中心機房供配電系統圖中，我們根據高低壓配電特別區別為高壓供配電系統和低壓配電系統，針對不同配電系統，我們將采取不同解決方案，下面我們將詳細講解針對不同的配電系統對應配備相應的應用方案。

3.1 高壓配電系統解決方案

    根據對計算機系統主機停止運行的統計數據，近一半計算機系統主機停運是由電源停止供電造成的，電源包括市電電源、變配電裝置、變電所到機房的線路、UPS等，因此，電源及其供配電系統設計對提高數據中心機房供電可靠性起到十分重要的作用。

    在本系統中，上文我們介紹了采用的是2+2冗余，分別為兩路高壓+UPS蓄電池組+柴油發電機，3路互為熱備+1路冷備（柴油發電機），兩路10kv電源采用分段單母線同時供電互為備用，可為數據中心系統提供穩定可靠的供電電源，在具體應用方案中我們采用的是電力監控系統Acrel-2000，該系統可實現對中低壓柜上的保護測控裝置、多功能電力儀表、溫控儀、直流屏以及其他各種能通過通訊接口或者脈沖、模擬量等方式接入監控系統的設備進行數據監控，在本系統中，主要采用的是電能質量分析儀表APMD系列和AM5微機保護裝置作為測控裝置，APMD系列集成了全部電力參數的測量，同時它具有多種外圍接口功能可供用戶選擇，帶有RS485通訊接口，采用MODBUS-RTU協議可滿足通訊聯網管理的需要，帶開關量輸入和繼電器輸出可實現斷路器開關的“遙信”和“遙控”的功能，還可選配大容量的SD卡用于保存各種故障信息和多達200條的SOT事件記錄。AM5系列微機保護裝置對供配電系統提供不間斷保護，一旦有故障發生、裝置能在40ms內斷開故障回路，保護一次設備和非故障回路正常運行，避免事故擴大。

圖2 高壓配電系統解決方案圖

3.2 低壓配電系統解決方案

   由數據中心機房供配電系統圖中可見，我們采用的為放射式供電與樹干式供電相結合的配電方式，對于重要負荷：如機房、消防監控中心等設備采用放射式供電；對于一般負荷采用樹干式與放射式相結合的供電方式，一級負荷用電均采用雙路電源供電，消防相關設備用電末端互投，特別重要的負荷除雙路供電外，還應設柴油發電機組作為備用，后備柴油發電機的容量應包括不間斷電源系統，機房用空調和制冷設備的基本容量及應急照明和消防等關系到生命安全等需要的負荷容量。

   根據低壓配電柜特點，在實施具體方案中，我們公司推出了低壓配電系統Acrel-2000（該系統可同時實現對高低壓同時監控），低壓配電系統主要采用的是ACR網絡電力儀表，其主要是針對電力系統、工礦企業、公共設施、智能大夏的電力監控需求而設計，它能測量所有的常用電力參數，如三相電流、電壓、有功、無功功率、電度、諧波等。由于該電力儀表還具備完善的通信聯網功能，非常適合于實時電力監控系統，該表具有很高的性能價格比，可以直接取代常規電力變送器及測量儀表。

圖3 低壓配電系統解決方案系統圖

3.3 精密配電柜系統解決方案

   考慮到精密配電柜其進線回路電流一般都比較大，能夠達到幾百安培，出線回路電流都比較小，一般都在63安培以下，且負載路數比較多等用電特點，配備了準備針對精密配電柜開發的多回路監控裝置AMC16MH作為主體模塊的數據中心電源管理系統，本系統可通過實現對服務器末端的IT設備精細化管理，包括了對數據中心服務器電源的全方面的管理，可實現對三相總進線的母線電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、有功電能、無功電能；84路出線電流、有功功率、無功功率、功率因數、有功電能、無功電能；可顯示累積的有功電能和增量電能、零地電壓、漏電流和零序電流等電參量的實時監控，并可通過RS485通訊連接到顯示終端和后臺配電管理系統進行遠程管理。

4 照明系統

    數據中心主機房和輔助區一般照明的照度標準值應符合表1的要求。

    采用T5熒光燈配節能型整流器，各組燈具有序設置，相鄰燈具電源由不同相序的L線供電，以降低低頻閃效應，提高照明質量。

    備用照明按設計，高于GB 50174-2008所要求的50%標準。

    電子信息系統機房應設置通道疏散照明及疏散指示標志燈，主機房通道疏散照明的照度值不低于5 lx。其它區域通道疏散照明的照度值不應低于5 lx。

5 靜電防護、防雷與接地、電磁屏蔽系統

5.1 靜電防護

    主機房和輔助區地面采用防靜電地板。機房內所有設備的金屬外殼、管道、線槽、建筑物金屬結構進行SM型等電位聯結接地。活動地板隔塊用金屬編織帶跨接成網絡格式的靜電接地網絡，并與靜電泄放接地線接通；吊頂、龍骨板、輕質隔墻和護墻層的龍骨，門窗的金屬框均以金屬導線接通，并與靜電泄放接地線接通。

5.2 防雷與接地

   該工程建筑屬類防雷建筑，設防直擊雷、防雷電波侵入和防雷擊電磁脈沖措施，盡量利用建筑物的金屬構件及鋼筋混泥土結構中的鋼筋作為防直擊雷裝置，利用建筑基礎內鋼筋作為接地，數據中心屬*雷電防護，設不少于三級浪涌保護，進入機房的強、弱電電纜均配置相應的浪涌保護器，進出機房的信號電纜通過信號濾波器進行屏蔽處理。

    該工程電氣系統接地，保護性接地和功能性接地、防靜電和電磁屏蔽接地、防雷接地等采用共用接地系統。

5.3 電磁屏蔽系統

    優化建筑物內的平面布置，將設備級線路盡可能設置在院里電磁發生源的地方，優化布線結構，電源線路和信號線路交叉時采用直角交叉方式，為避免電源線路和信號線路形成環狀而加大電磁感應的影響，進入同一機房的線路，配置在房間的同一側，電源線路和信號線路分別敷設在不同位置，并穿金屬線槽保護，對信息系統機房采用屏蔽和接地措施，使機房內無線電干擾場強和磁場干擾環境場強不大于規范要求。

6 機房布線系統

    根據規范及業主要求，該機房布線滿足以下要求：采用的符合ISO 11801-2002標準和EIA/TIA 568B標準的布線系統；由于該數據中心有安全保密要求，所有布線采用屏蔽電纜（包括線纜、配線架和信息出口）、光纜1+1的冗余布線系統，機房內機柜區域線纜全部采用機柜上方T型橋架走線方式鋪設，其它區域采用地板下暗敷方式走線，機房主配線架使用19英寸標準機柜，以便將網絡設備與配線架合成一體，提高整個系統的可靠性。

7 機房監控與安全防護系統

    數據中心的環境和設備監控系統、安防系統在IF共用監控中心，機房主機的集中控制和管理采用KVM切換系統、該系統實現了機房設備的統一監控，減輕了機房維護人員的負擔，提高了系統的可靠性，實現了機房的科學管理。

    為保證數據中心運行的可靠性，選用機房場地設備監控系統，部分重要開關和現場設有傳感器。位于現場的的傳感器將采集的信號傳至IF監控室，若回傳信號超出設定范圍則報警，并自動或手動切除或投入備用設備。該系統設計遵循可靠性、擴展性、方便性，并具有遠程監測功能的原則。

    設計監測對象包括：

    1)對機房配電柜總進線電量、主要開關狀態機服務器配電柜各路開關的輸出電壓、電流進行監測。

    2)對機房內各個區域的溫度和相對濕度進行監測。

    3)對機房精密空調運行、漏水情況進行監測。

    4)對機房UPS情況進行監測。

    5)視頻安防監控系統。

    系統結構由監控主機、智能模塊、協議轉換模塊、局域網絡等組成，用戶還可根據需要選擇無線通信等設備。

    安防系統由視頻監控，入侵報警和出入口控制系統組成，技防等級達到*，以上標準均高于GB 50174-2008所要求的*標準。

8 電氣火災自動報警系統

    數據中心是有著巨額設備投資的重要工程，一旦發生火災，損失巨大，因此合理設計火災自動報警系統，是數據中心火災自動報警系統設計的，在某些工程的要害區域，應結合工程具體情況設置多重火災探測設備，以確保探知火災隱情，為人員及設備提供其安全可靠的保障。

    針對*電子信息系統機房的主機房，可配備我司開發的電氣火災監控系統Acrel-6000，該系統能對配電線路、變配電設備、重要用電設備的電流(以線路漏電電流為主)和溫度變化進行檢測，以及對隱患和故障部位的地址進行報警，該系統主要包括兩部分：Acrel-6000電氣火災監控設備和ARCM系列電氣火災監控探測器，該系統是通過剩余電流互感器或溫度傳感器實時監測回路的剩余電流和溫度信號，剩余電流互感器或溫度傳感器將采集的信號通過探測器加以顯示，并通過RS485通訊總線上傳到監控設備，以實現對被保護電氣線路的報警、監視、控制、管理的運行于計算機的工業級硬件/軟件系統。

    它主要包括以下六個功能：監控報警；故障報警；控制輸出；自檢；報警記錄；操作分級。

   （1）監控報警功能主要包括：被監控回路開關的實時狀態；故障信號指示；聯動輸入；≤30s的監控報警響應時間；監控報警聲信號指示及操作。

   （2）故障報警功能包括：監控設備與探測器之間的連接線斷路、短路故障監測；監控設備主電源欠壓（≤80%主電源電壓）或過壓（≥110%主電源電壓）監測。

   （3）控制輸出功能包括：對個別或全部被監控單元的分閘、合閘進行遙控操作；報警控制輸出；脫扣控制輸出。

   （4）自檢功能包括：通信線路的斷路、短路檢查；手動檢查或系統自檢。報警記錄功能包括：報警、故障事件類型、發生時間記錄；根據記錄日期、故障類型等條件查詢；

   （5）報警記錄查詢及打印功能。

   （6）操作分級包括：日常值班人員，可進入軟件界面查看實時監測情況、報警聲音和查詢報警記錄。

圖4 電氣火災監控系統圖

9 結語

    數據中心機房設計是一個復雜的系統工程，需要由資質的設計單位才能進行數據中心機房的設計工作，在設計中切實做到從數據中心機房需要出發，滿足功能需求，為設備提供一個安全運行的空間，兼顧美觀實用，為數據機房工程的順利開展打下一個堅實的基礎。本文分別從供配電、照明、靜電防護、防雷與接地、電磁屏蔽、機房布線、機房監控與安全防范、消防等方面，對數據中心中要求zui高的*機房的電氣系統設計進行了詳細介紹，可為該類型數據中心的電氣系統設計工作提供一些指導和參考。

參考文獻

[1]數據中心機房電氣系統設計.：毋向輝/許桂敏

[2]數據中心機房電氣設計的相關要點：劉莉馨/楊宏宇

[3]安科瑞電氣股份有限公司產品選型手冊2013.08版

[4]20kV及以下變電所微機保護裝置二次電路圖冊 2013.09

[5]能效管理系統設計安裝圖冊 2013.07

作者簡介：

徐霜，女，大學本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為數據中心配電柜設計，:  :