高效能数据中心：电气系统规划和七大设计关键要点解析

高效能数据中心：电气系统规划和七大设计关键要点解析

随着“互联网+”、大数据战略、数字经济等国家政策的推动，以及大数据、云计算、人工智能等技术的飞速发展，数据中心的建设迎来了热潮。各地都在积极完善大数据体系相关建设，“十四五”期间，数据中心投资更是以每年超过20%的速度增长，累计带动各方面投资超过3万亿元。然而，数据中心的电气系统设计是保障其稳定运行的关键环节，它需要满足高可靠性、高可用性、高效能以及绿色环保等多方面的要求。

数据中心电气规划要点

（一）负荷需求分析与电力容量规划
首先要了解数据中心的负荷需求，这涵盖了计算设备、空调系统、照明、安全设备等。准确把握这些设备的用电情况，才能确定合适的电力供应容量。基于负荷需求，进而规划恰当的电力容量，确保数据中心在任何时候都能有充足且稳定的电力供应。

（二）供电方式与电源备份
供电方式的选择至关重要，可采用单供电、双供电、多供电等方式。其中，双供电或多供电方式能显著提高电力供应的可靠性。同时，要设计完善的UPS（不间断电源）系统和发电机组备份。当遭遇电力中断情况时，UPS系统能迅速切换，确保关键设备的持续运行，而发电机组则作为后续的持续电力保障，使数据中心不受市电故障的影响。

（三）电气安全与冷热通道配电
为保障设备和人员安全，需要设计合适的电气安全系统，包括漏电保护、短路保护等措施。对于冷热通道配电也不能忽视，合理规划能确保设备散热良好，提高能效。例如，冷通道和热通道的配电设计，要考虑空气流动和温度控制，避免局部过热影响设备性能。

（四）电缆布线、电力分配与照明系统
电缆布线要做到整齐、易于维护，且能有效避免电磁干扰。电力分配系统则包括低压配电柜、母线、分支回路等，它们将电力准确分配到各个设备。照明系统要保证数据中心充足照明的同时，注重能效。比如选择节能灯具，合理布置照明位置，减少能源浪费。

（五）地面设施、电气设备选型与电力监控管理
设备的接地要良好，降低电气故障风险。在电气设备选型方面，UPS、发电机组、配电柜等设备都要满足数据中心的特定需求。此外，电力监控与管理系统不可或缺，它能实时监测电力使用情况，预测负荷变化，进而进行合理调控，保障电力系统的稳定运行。

（六）电能质量、可维护性与预留扩容
确保电能质量，防止电压波动、谐波等对设备产生损害。设计的电气系统要易于维护，当故障发生时能及时修复，减少停机时间。同时，在电气规划中预留一定的电力容量，以适应未来数据中心可能的扩容需求，这对于数据中心的长期发展至关重要。

（七）符合标准
整个数据中心电气规划必须符合国家和行业的电气安全标准和规范，这是确保电气系统安全、可靠运行的基本要求。

数据中心规划与其他专业配合要点

（一）建筑设计配合
数据中心规划与建筑设计紧密相连。机房布局、电缆通道、供电路径等都需要合理安排，以创造良好的设备安置和维护环境。例如，配电室的位置选择宜靠近用电负荷中心，且要设在尘埃少、腐蚀介质少、周围环境干燥和无剧烈振动的场所，并预留发展空间。同时，配电设备的布置要遵循安全、可靠、适用和经济的原则，便于安装、操作、搬运、检修、试验和监测。

（二）电气工程协调
与电气工程协调，保障电力供应、配电系统、UPS系统、发电机组等设计和布置合理。如UPS配电系统一般采用双总线技术，为数据中心内服务器、机柜设备和运行监控中心计算机供电。正常市电时，UPS能稳压并给负载供电，同时为电池储能；市电中断时，可迅速转换电池储能继续供电，还能应对瞬间电压变化、电涌等情况，保护设备。

（三）机械工程结合
机械工程涉及的空调、通风、制冷等系统与数据中心规划结合，满足机房温度、湿度、空气流通要求。因为数据中心设备发热量大，热密度高，空调设计主要考虑夏季冷负荷，其冷负荷主要源于服务器等电子信息设备散热，所以要合理规划空调系统，保障设备正常运行环境。

（四）网络工程配合
数据中心规划与网络工程紧密配合，确保网络布线、网络设备、光纤通道等设计合理，满足数据中心内外通信需求。这对于数据中心的数据传输和信息交互至关重要，良好的网络规划能保障数据的高效流通。

（五）安防系统与消防系统配合
与安防系统配合，包括监控摄像头和门禁系统的合理布置，保障数据中心安全。和消防系统设计结合，确保火灾报警、灭火系统等设备合理放置，在灾害发生时提供安全保障。

（六）环境监测与管理系统协调
考虑环境监测系统，与环境工程协调，实时监测温湿度、气流等环境参数。同时，数据中心的监控与管理系统要与规划结合，实现设备远程监控、告警通知等功能，便于对数据中心进行全面管理。

（七）能源管理与施工、后期维护配合
与能源管理系统协调，优化能源消耗，提高能源利用效率，实现绿色运营。在施工管理方面，确保规划方案准确执行和材料合理使用，保证项目按时按质完成。对于后期维护，规划要考虑维护便利性，与运维团队协调，保障设备维护和更新顺利进行。

数据中心电气系统设计的其他关键内容

（一）机房低压配电系统设计常识
数据中心机房建设包含场地、建筑、供配电系统、空调系统、消防系统、防雷与接地系统等基础设施，为数据中心提供安全可靠的电力系统与环境。从能耗构成来看，电在数据中心能耗中占比最高，主要用电设备包括IT设备、制冷设备、供配电系统自身消耗及其他耗电设施。水、燃气、柴油等也是能耗组成部分，同时可再生能源如太阳能、风能等的利用也在发展中。

（二）绿色节能数据中心
国家对新型数据中心机房建设日益重视，出台了《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》等重要文件，推动数据中心产业高质量发展。在机房设计中，安全问题是关键，电压、电流、温度、湿度、布线和设备自身问题都可能影响机房安全和使用效率。因此，了解机房建设知识对从业人员至关重要。

（三）数据中心供配电系统建设原则
数据中心供配电系统规划设计要遵循高性能、扩展性、适用性、安全性、稳定性、通用性、可维护性、可管理性、经济性、节能环保减排等原则。例如，高性能要求系统有高信息处理和吞吐能力，满足数据交换与传输速度；扩展性要能适应业务发展扩大设备容量；安全性要确保人身和设备安全等。

（四）UPS的定义、作用与分类
UPS（不间断电源）能保障计算机系统在停电后继续工作，防止突然断电损害计算机。它还能消除市电上的电涌、瞬间电压变化等“电源污染”，改善电源质量。UPS分为后备式、在线式、在线互动式等类型，不同类型工作原理和应用场景有所不同。

（五）数据中心不间断电源系统架构及等级分类
典型的数据中心供电系统由中压配电、变压器、低压配电、不间断电源、末端配电以及发电机组等组成。UPS在市电中断、发电机启动前保障负载持续供电，发电机组则在市电中断时立即启动供电。国际上有UptimeInstitute根据数据中心可用性分为TierⅠ（基本型）、TierⅡ（部分冗余型）、TierⅢ（可同时维护型）和TierⅣ（故障容错型）四个等级。

（六）数据中心供电系统负荷
供配电系统对于数据中心如同心脏和血管，一旦故障会导致IT设备断电宕机，产生经济和社会影响。在机房低压配电系统设计中，负荷计算是关键内容，其结果对供电容量报装、设备选择和安全经济运行起决定性作用。我国普遍采用需要系数法和二项式系数法计算用电设备负荷，不同阶段可选用不同方法。

（七）机房供配电负荷计算方法与原则
负荷计算时，不同工作制用电设备额定功率要换算为统一设备功率，整流器设备功率按额定交流输入功率计算，成组用电设备功率不包括备用设备等。对于单相负荷要均衡分配到三相，根据其占比情况计算。数据中心的IT负荷重要性高，UPS配置不同计算IT设备容量的需要系数也不同。
同时，UPS配置的蓄电池充电容量需计入负荷计算，根据不同建设标准其充电容量约为UPS配置容量的10%-20%。空调在数据中心总负荷中比重较大，计算其容量的需要系数根据配置方式调整，且可根据PUE值估算空调负荷与IT负荷关系。
照明、消防等设备容量计算也有相应规则，如照明可按30W/㎡估算，消防设备容量一般不计入总设备容量（消防电梯除外），还要根据供电部门要求进行无功补偿。

本文原文来自先驱中国