企业级云数据中心绿色节能机房电气设计研究

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【摘要】本文以某大型央企数据中心机房电气设计为例，对企业级云数据中心绿色节能机房电气设计的思路、原则、要点进行研究，尤其是在应对以总用电规模较大、用电需求平滑增长、湿热气候条件下节能环保等为主要特点的建设需求时，在低压配电系统、照明系统、防雷接地系统等方面，提出了针对性设计方案，以期为类似案例提供参考。

【关键词】云数据中心；绿色节能机房；电气设计

引 言

电气系统是数据中心机房的核心组成部分。随着信息资源整合的加速和信息化水平的进一步提高，企业对数据中心机房电气系统的可用性和运行效率提出更高要求。对于企业级数据中心机房电气系统的建设，从设计阶段就应该紧紧围绕数据中心机房电气系统相关设计原则和技术标准，结合企业信息化发展需求、技术发展趋势和建设条件，针对性地开展设计工作。

本文以某大型央企数据中心机房设计为例，对企业级云数据中心绿色节能机房电气设计进行研究，以期为类似项目电气设计提供参考。

一、某大型央企数据中心绿色节能机房电气设计核心需求和总体设计思路

1、核心需求和设计难点

某大型央企为加强核心数据资源的管理和共享水平，基于“运行中心、本地备份中心、云服务中心、开发测试培训中心”三位一体的建设定位，开展了公司云数据中心建设，核心需求和设计难点主要体现在四个方面：

（1）大规模的云服务对机房空间、供电、制冷等基础支撑能力的要求；

（2）全集团数据资源和核心应用系统集中部署、综合利用对机房高可靠性的要求；

（3）当地湿热气候条件下对机房绿色节能的要求；

（4）动态云服务能力对机房各系统灵活扩展的要求。

2、电气系统设计目标

（1）机房内的电气系统设备应按容错系统配置，在系统运行期间，场地设施不应因操作失误、设备故障、外电源中断、维护和检修而导致电子信息系统运行中断。

（2）不间断电源系统配置：2N

（3）不间断电源系统电池备用时间：15min

（4）柴油发电机做为不间断电源系统的后备，准实时切换

3、设计思路及设计原则

按照行业建设要求，并结合未来发展趋势，公司云数据中心机房建设应具有国际国内先进性，同时要根据计算机设备的快速发展，具有相应的适应能力，打造既满足目前需求，又能适应未来发展的节能、环保、减排的“绿色”数据中心。因此，机房电气系统在设计中遵循安全可靠性原则、灵活性及可扩展性原则、绿色环保性原则以及节能降耗原则

二、低压配电系统设计

1、UPS配电系统设计

计算得出机房IT设备的UPS用电总量约为1119.81KVA，则机房UPS系统的总容量设计为1200KVA。设计采用两组每组3台400KVA UPS以2×N双总线模式运行。为保证电源的可靠性，设计为每组UPS系统配备30分钟后备电池。

IT设备UPS系统主要为各机房模块内网络设备、计算机设备等IT设备提供电源，辅助设备UPS系统主要为精密空调、备用照明、冷冻水泵等提供电源。分别在机房区设置低压配电室A和低压配电室B各设置3台400KVA UPS，3台UPS并机运行。两组UPS按2N模式运行。各配电室分别设置相应UPS系统的UPS输入柜、并机输出柜，在各机房模块内每三列机柜设置一台精密配电柜，为每个机柜配置2路220V/16A或2路220V/32A电源，每路电源均来自独立的开关。

UPS电源布线采用放射式配电方式配至各用电设备，并采用专用电力电缆沿地板下的金属桥架敷设到位，这种布线方式具有灵活方便、加线、改线、便于维修等功能。

2、动力配电系统设计

设计动力配电系统包括冷水机组、水泵、机房专用空调、新风机组、照明、辅助插座等供电。动力配电中重要负荷如水泵、机房专用空调、备用照明等设计采用双路电源切换放射式配电，其中备用照明一路来自UPS电源。

配电系统采用交流50HZ，三相四线380V/220V。接地系统采用TN-S方式，零线和地线分开设置。配电柜由自动空气开关控制，设过负荷、短路保护等功能，并设有电压、电流的检测指示，能实现远程监控功能。

分别在机房区设置低压配电室A和低压配电室B设置各自动照配电柜。各楼层分区域供电。

3、配电室＼电池室规划

两组UPS系统设计安装在机房所在层的两个不同防火分区的房间内（即设两个配电室），可保整任何一套UPS系统分任何一个节点出现故障都不会影响整套系统的正常供配电，最大限度保证供电系统的安全可靠性。

三、照明系统设计

照度要求：按《电子信息系统机机房设计规范》（GB 50174-2008），信息化机房要求>500lx，辅助区域>300lx。

根据国家有关标准并结合本工程的实际情况，机房内设计安装双管格栅LED灯，设计照度大于500LX。配电室、电池间设计照度大于300LX。应急照明照度设计大于50LX。应急照明由UPS电源供电，并均匀布置无死角。以保证上机人员紧急处理存盘以后撤离，同时在楼道的出口处设置自带蓄电池型（延时时间大于90分钟）应急出口标志灯。机房灯具采用智能照明系统控制，可依据具体使用需求改变场景设计，达到节能与照明效果的平衡；其他区域灯具采用分区、分组控制方式。

四、机房防雷接地系统设计

该工程采用机房内三级防雷的防护方式，在机柜用PDU装设三级过电压保护器，对计算机设备进行精细保护。按照《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004）以及国家建筑标准设计图集02D501-2《等电位联结安装》，本机房接地系统采用大楼联合接地，要求其接地电阻R1。接地系统采用TN-S方式，零线和地线分开设置。

在机房内沿墙和机柜敷设30x3铜带，采用6mm2铜线以最短距离将计算机设备与铜带相连。在机房活动地板下采用25mm2的编织铜带敷设构成间距小于1.2m×1.2m的接地网格，并与均压等电位带（30×3铜带）在地板下连接成环状，组成等电位接地网络。机房内机柜、配电柜外壳、地板支架、线槽等正常不带电金属导体均通过导线与此接地网相连，并通过电缆与大楼预留联合接地体可靠连接。

五、总结

机房在供配电设计满足可靠性、可控性、冗余度、可扩展性等要求，设计亮点总结如下：

1、无单点故障：从大楼进线电源高压配电柜变压器低压配电柜UPS电源输入总柜UPS电源UPS电源输出总柜UPS电源分配柜开关电缆插座等，从始至终均为A、B两组双备份。

2、配电精细化管理：机房供配电系统的各级配电柜均配置可远程监控的智能仪表，配电柜预留监控接口，便于形成DCS集散控制系统，实现了系统实时监控的性能。

3、不停机扩容：在配电系统UPS设备选择上采用多台UPS并机实现，以便满足负荷逐渐增加，UPS可随之逐台增设的方式，来节约初期投资成本及运营成本。在末端配电柜的设计上，也采取了逐步扩展的设计方案，以利于用户节约运营成本。

4、绿色电源：选用了得实LED灯具，LED光源作为一种节能环保的产品，已经逐渐被更多的用户选用，本工程选用的产品亮度高。省电、寿命长、免维护，可直接代替传统白炽灯。

辅以机房专用风冷冷水机组设计、冷通道封闭设计和整体机柜设计，预计将使数据中心满荷载PUE值降至1.6以下。

参考文献：

[1]王洪亮. 云数据中心操作系统设计与实现[D].山东大学，2012.

[2]严爱明. 绿色节能机房的设计与实现探讨[J]. 农业网络信息，2012，06：22-25.

[3]张慧珍，李长春，周培琴，赵利红. 云计算数据中心节能技术研究[J]. 信息系统工程，2013，10：79-80+134.