設(shè)計(jì)高效可靠的數(shù)據(jù)中心電氣系統(tǒng)需要從數(shù)據(jù)中心業(yè)主和電氣工程師們的視覺角度出發(fā)。

數(shù)據(jù)中心是當(dāng)今世界最熱門的技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域之一。隨著物聯(lián)網(wǎng)需求的不斷增長，迫使計(jì)算領(lǐng)域的最大的市場競爭者們都已經(jīng)在新的多兆瓦數(shù)據(jù)中心方面花費(fèi)數(shù)十億美元的投資了。業(yè)界掀起的蓬勃發(fā)展興建數(shù)據(jù)中心的熱潮主要是由于云服務(wù)的不斷增長，這可以說對服務(wù)器的容量帶來了不小的壓力（見下圖1）。此外，當(dāng)其運(yùn)營對企業(yè)組織的經(jīng)濟(jì)效益或功能需求非常重要時(shí)，數(shù)據(jù)中心被認(rèn)為是企業(yè)的關(guān)鍵任務(wù)。在某些類型的關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)中心的操作運(yùn)營中，哪怕即使僅僅幾秒鐘的停機(jī)中斷，也可能造成數(shù)百萬美元的損失。

本文中，我們試圖通過從數(shù)據(jù)中心業(yè)主和電氣工程師們的視覺角度出發(fā)，來探索關(guān)于數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)。文章中還討論了數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵組件，并涉及了適用于數(shù)據(jù)中心及其組件的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

初步考慮

對于許多數(shù)據(jù)中心而言，其服務(wù)器都是作為其主要組件的，而這些服務(wù)器的運(yùn)營顯然需要消耗電力資源。因此，任何關(guān)于建立數(shù)據(jù)中心的話題都應(yīng)該從確定該數(shù)據(jù)中心的電氣需求和如何滿足這些需求開始。

容量：在決定任何其他項(xiàng)目之前，數(shù)據(jù)中心的所有者必須首先確定數(shù)據(jù)中心的容量（以兆瓦為單位）。在以前的規(guī)劃中，通常使用瓦/平方英尺。然而，今天更常見的則是討論每臺機(jī)架的kW，其范圍可能會從5到60kW不等。每個(gè)機(jī)架的功率集中也可以推動冷卻系統(tǒng)的類型和容量，而這必須在容量中進(jìn)行規(guī)劃。數(shù)據(jù)中心業(yè)主還需要考慮未來的容量。

另一項(xiàng)重要決定是確定冗余級別。可靠性對于數(shù)據(jù)中心而言是非常重要的，而停機(jī)中斷的成本也是相當(dāng)昂貴的。但是，構(gòu)建更高可靠性的數(shù)據(jù)中心的成本會顯著增加。因此，數(shù)據(jù)中心所有者應(yīng)確定可接受的風(fēng)險(xiǎn)程度。

輔助電源：在確定了數(shù)據(jù)中心的容量后，必須計(jì)算設(shè)施功率。設(shè)施功率包括數(shù)據(jù)中心的加熱和冷卻。近年來的焦點(diǎn)是使設(shè)施（非數(shù)據(jù)）功率盡可能低，以提高效率，并降低運(yùn)營成本。為了解決數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)施的電源效率，業(yè)界創(chuàng)造了“電源使用效率（PUE）”這一術(shù)語。 PUE越接近統(tǒng)一，非生產(chǎn)設(shè)施的功率就越小。

多年前，將設(shè)施和制冷負(fù)載考慮為傳送到數(shù)據(jù)中心的總功率的一半是正常的。這意味著如果一處數(shù)據(jù)中心的容量為10兆瓦，設(shè)施和冷卻負(fù)載也將為10兆瓦，導(dǎo)致PUE值為2.PUE等于2被認(rèn)為是平均效率，但這不能令許多數(shù)據(jù)中心擁有者感到滿意。新技術(shù)的發(fā)展推動著PUE值接近統(tǒng)一。

可靠性和層級：為了在可靠性方面對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分類，Uptime Institute創(chuàng)建了被稱為層級的標(biāo)準(zhǔn)（見上表1）。數(shù)據(jù)中心分為四個(gè)層層級。 Tier I數(shù)據(jù)中心沒有冗余配電系統(tǒng)，其組件沒有冗余容量。Tier II數(shù)據(jù)中心與Tier I數(shù)據(jù)中心的不同之處在于其具有冗余容量的組件。Tier III數(shù)據(jù)中心具有雙電源IT設(shè)備和多個(gè)分配路徑連接到服務(wù)器。Tier IV數(shù)據(jù)中心具有Tier III數(shù)據(jù)中心所具備的所有功能特征。此外，Tier IV數(shù)據(jù)中心是容錯(cuò)的，因?yàn)樗鼈兙哂卸鄠�(gè)電力分配路徑。Tier IV數(shù)據(jù)中心具有HVAC設(shè)備，該設(shè)備也是雙重供電的，并具有存儲容量。

確定選擇哪個(gè)層級取決于許多方面的因素。許多企業(yè)組織以前都有大型整合的數(shù)據(jù)中心，導(dǎo)致他們傾向于選擇一款Tier III或Tier IV系統(tǒng)。此外，許多金融業(yè)界的企業(yè)組織則選擇Tier III和Tier IV系統(tǒng)。其他企業(yè)組織選擇擁有多處數(shù)據(jù)中心，以便當(dāng)某處數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)故障時(shí)，可以在另一處處理數(shù)據(jù)需求，從而導(dǎo)致這類企業(yè)使用較低層級的系統(tǒng)。

用途：數(shù)據(jù)中心也根據(jù)其用途進(jìn)行分類。這些分類包括為私有領(lǐng)域（例如公司或政府實(shí)體）服務(wù)的數(shù)據(jù)中心；服務(wù)于公共領(lǐng)域的數(shù)據(jù)中心，例如互聯(lián)網(wǎng)提供商；和多用戶數(shù)據(jù)中心。

功率分配：目前，關(guān)于使用什么樣的電力來為數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營供電存在著爭論。到底應(yīng)該是交流還是直流？都有其各自的優(yōu)點(diǎn)。最近，由于數(shù)據(jù)中心計(jì)算設(shè)備開始使用直流電源，直流電源已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。具有直流配電功能消除了對服務(wù)器底板上對于變壓器和交流到直流轉(zhuǎn)換器的需求。使用直流還消除了諧波，因?yàn)闆]有電源切換。此外，使用直流消除了轉(zhuǎn)換步驟，這帶來了更高的效率（每個(gè)轉(zhuǎn)換步驟都會產(chǎn)生一定的損耗），從而降低了成本。

然而，多年來，交流電一直是數(shù)據(jù)中心配電的主要形式（見上圖2）。交流的好處包括易于獲得的設(shè)備，更低的成本和更容易的維護(hù)（因?yàn)榫S護(hù)人員已經(jīng)知道設(shè)備和備件容易獲得）。歷史上，大多數(shù)交流配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為208/120 V.不斷發(fā)展的技術(shù)已經(jīng)幫助數(shù)據(jù)中心管理人員們能夠使用更高的交流電壓了，達(dá)到400/415 V，甚至有達(dá)到480 V的情況，因?yàn)楦�新的電氣設(shè)備帶來了更高的功率需求和效率。

PUE：數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)和構(gòu)建的另一個(gè)重要因素是PUE.PUE越接近統(tǒng)一越好。一處PUE值為1.5的數(shù)據(jù)中心被認(rèn)為是達(dá)到了效率的中間線。高于該數(shù)字的PUE代表了低效的數(shù)據(jù)中心；而PUE值低于1.5的數(shù)據(jù)中心被認(rèn)為是高效的。PUE值為1.2的數(shù)據(jù)中心被認(rèn)為是非常有效的。數(shù)據(jù)中心最重要的部分是IT設(shè)備。如果無需支持（輔助）負(fù)載，則PUE將為1.但由于輔助負(fù)載是必需的，因此PUE總是大于1.輔助負(fù)載包括HVAC負(fù)載和小的電力負(fù)載，例如照明和插座。

電氣設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)中心的所有者決定了上述考慮因素之后，設(shè)計(jì)專業(yè)人員的工作開始了，特別是對于電氣工程師們而言。電氣工程師必須提出一套高效的設(shè)計(jì)，具有足夠的容量以應(yīng)對未來的增長，并避免不必要的虛架子。

配電元件：配電元件有很多部分。其從公用變壓器開始，在大型數(shù)據(jù)中心由數(shù)據(jù)中心的所有者擁有。在電力從市電傳輸電壓下降到配電水平之后，其通過分配開關(guān)裝置，其將電力重定向到需要的地方。通常，功率必須再次，通常經(jīng)由變電站變壓器并且通過多于一個(gè)路徑被降低。通常在當(dāng)今的數(shù)據(jù)中心中存在的備用電源通常在該級別上引入，帶有自動轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)備。從ATS、電源到服務(wù)器（通常通過UPS系統(tǒng)），在那里其從交流切換到直流電源，以便供給服務(wù)器使用。下一層的分配包括用于為輔助負(fù)載、HVAC負(fù)載和常規(guī)房屋負(fù)載供電的配電板和配電盤。在這一點(diǎn)上也可以使用電力監(jiān)測系統(tǒng)，其可以提供關(guān)于不同設(shè)備如何工作，以及如何使用電力的非常重要的信息。

在經(jīng)歷了這么多的設(shè)備所需要的細(xì)致的工作之后。設(shè)計(jì)專業(yè)人員必須注意設(shè)備和電纜的成本，以及每一款設(shè)備的采用所造成的損失。數(shù)據(jù)中心有這么多的電氣和機(jī)械設(shè)備，意味著工程師也必須考慮與這些設(shè)計(jì)相關(guān)的許多規(guī)范和規(guī)定。

相關(guān)規(guī)范：數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)專業(yè)人員所需遵循的相關(guān)規(guī)范包括：《ANSI / TIA -942-2005：數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》；《NFPA 70：美國國家電氣規(guī)范》；和《ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)90.1：除低層住宅建筑之外的建筑能源標(biāo)準(zhǔn)》。其他非常重要的規(guī)則包括《國際建筑規(guī)范》、《國際機(jī)械規(guī)范》、《國際管道規(guī)范》、《國際火災(zāi)規(guī)則》、《國際燃料氣體規(guī)范》、《國際節(jié)能規(guī)范》、《NFPA 72：國家火災(zāi)報(bào)警和信號規(guī)范》以及《NFPA 90A：空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)》。

根據(jù)數(shù)據(jù)中心的規(guī)模大小和托管的數(shù)據(jù)中心的類型的不同，其他方面的規(guī)范包括《NFPA 13：自動噴水滅火系統(tǒng)的安裝標(biāo)準(zhǔn)》、《NFPA 30：易燃和可燃液體規(guī)范》、《NFPA 10：便攜式滅火器標(biāo)準(zhǔn)》、《NFPA 101 ：生命安全規(guī)范》、《NFPA 110：緊急和備用系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》、《NFPA 780：閃電防雷系統(tǒng)系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)》、以及《NFPA 20：消防固定泵的安裝標(biāo)準(zhǔn)》。

公共供電服務(wù)：與任何其他項(xiàng)目一樣，設(shè)計(jì)師們需要從對于數(shù)據(jù)中心所在當(dāng)?shù)氐墓�共供電服�?wù)開始考慮。由于可靠性的重要性，數(shù)據(jù)中心業(yè)主必須盡早與公用供電服務(wù)公司討論相關(guān)的供電服務(wù)事項(xiàng)。根據(jù)數(shù)據(jù)中心的規(guī)模大小，服務(wù)選項(xiàng)包括采用單獨(dú)的專用供電線路或現(xiàn)有的非�？煽康木�路。

電氣設(shè)計(jì)師與數(shù)據(jù)中心業(yè)主密切合作，必須決定在數(shù)據(jù)中心有多少層設(shè)備。引入的設(shè)備越多，潛在出現(xiàn)的故障點(diǎn)越多。在關(guān)鍵任務(wù)設(shè)施中，重要的是避免單點(diǎn)故障。

公用供電服務(wù)很可能是中壓。根據(jù)數(shù)據(jù)中心的規(guī)模大小和地理位置，服務(wù)可以在13.8和345 kV之間。下一步是將電壓降低到可用于服務(wù)器的級別。大多數(shù)數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備使用雙電壓，100到120 V交流和200到240 V交流。較高的電壓208或240V能夠提高效率，從而降低損耗。使服務(wù)器在415 V交流電源供電進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)中心效率，從而獲得更好的PUE值。如果設(shè)計(jì)者決定使用更高的電壓，如415V，則輔助機(jī)械負(fù)載將為480V.這意味著必須使用自動變壓器來將415V轉(zhuǎn)換到480V的功率。

在什么時(shí)候決定將中壓轉(zhuǎn)換為低電壓（低于600 V）？此問題的答案取決于數(shù)據(jù)中心的規(guī)模大小和與服務(wù)中斷的距離。如果數(shù)據(jù)中心是園區(qū)的一部分，那么數(shù)據(jù)中心可能距離服務(wù)中斷很遠(yuǎn)。如果是這種情況，則優(yōu)選地將電功率分布在盡可能高的電壓水平，通常為13.8kV.如果服務(wù)電壓高于13.8 kV，第一次轉(zhuǎn)換將在服務(wù)入口處，將電壓從任何公共供電電壓降至13.8 kV.該功率被傳送到發(fā)生第二轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)中心，將電壓降低到480V或415V.

冗余：將數(shù)據(jù)中心之間區(qū)別開來的是冗余級別。 但一切都有其代價(jià)。 添加的冗余層越多，數(shù)據(jù)中心的構(gòu)造成本就越昂貴。 當(dāng)然，發(fā)生數(shù)據(jù)中心中斷（或掉電）也是成本非常昂貴的。

根據(jù)設(shè)計(jì)，服務(wù)器配有兩個(gè)電源選項(xiàng)。此外，其還有電池備份。因此，每臺服務(wù)器都有兩個(gè)不同的正常電源。這意味著服務(wù)器將由兩個(gè)不同的變電站服務(wù)。為了完全冗余，變電站需要從兩處不同的公用供電線路供電。在最佳情況下，公用線路在配電系統(tǒng)中的某點(diǎn)處具有連接，并且每條公用線路具有足夠的容量來承載數(shù)據(jù)中心的整個(gè)負(fù)載。此場景描述了完全冗余的正常配電數(shù)據(jù)中心（參見上圖3）。

正常的電源冗余是非常重要，但僅有其本身是不夠的。正常功率通常由備用系統(tǒng)備份。備用系統(tǒng)通常由發(fā)電機(jī)組成，發(fā)電機(jī)可以是柴油、天然氣或混合動力。柴油發(fā)電機(jī)是優(yōu)選類型的發(fā)電機(jī)，因?yàn)樗鼈兪强煽康臋C(jī)器，并且可以很容易地維護(hù)。取決于數(shù)據(jù)中心所在的建筑物的類型，發(fā)電機(jī)可以是也可以不是生命安全系統(tǒng)的一部分。然而，發(fā)電機(jī)通常被設(shè)置為非�？焖俚貍浞蓦娏ο到y(tǒng)作好了準(zhǔn)備，通常在10至30秒內(nèi)。這一時(shí)間取決于服務(wù)器備份電池可以持續(xù)的時(shí)間。

最后的想法

雖然設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心的配電系統(tǒng)看起來很簡單，但這其中存在著固有的挑戰(zhàn)。電氣工程師們必須：

與數(shù)據(jù)中心所有者密切合作，確定當(dāng)前和未來的數(shù)據(jù)中心容量。

與數(shù)據(jù)中心所有者合作，決定哪個(gè)數(shù)據(jù)中心層適合客戶的需求。

與數(shù)據(jù)中心所有者密切合作，以確定冗余級別。

設(shè)計(jì)一款足夠簡單，易于操作的系統(tǒng)，但也是具備可靠性的系統(tǒng)。

消除單點(diǎn)故障。

設(shè)計(jì)一個(gè)非常有效的系統(tǒng)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)1.5以下的PUE.

遵循相關(guān)行業(yè)的法規(guī)和規(guī)章。

數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)很復(fù)雜（參見上圖4）。而數(shù)據(jù)中心的建筑成本，以及它們的操作和維護(hù)成本是非常昂貴的。與數(shù)據(jù)中心所有者持續(xù)協(xié)作是非常重要的 ——比任何其他類型的項(xiàng)目更為重要。設(shè)計(jì)的成功完成和實(shí)施取決于這種合作。