浅谈数据中心电源的基本要求浅谈数据中心电数1据1中1心1设1计1专1栏1(上)源的基本要求王晔涂强曹承属(华东建筑设计研究院有限公司,上海市200002)DiscussionaboutBasicRequirementsforthePowerSupplyforDataCentersWangYeTuQiangCaoChengshu(EastChinaArchitecturalDesign&ResearchInstitut eCo.,Ltd.,Shanghai200002,China)AbstractRackswithhighpowerdensityare growingcontinuouslywiththegrowingofdatacenters, thusresultinginanewchallengetothepowersupplyand coolingsystem.Theclassificationofdatacentersand powersupplyrequirementsbyTelecommunicationsInfrastructureStandardforDataCenters(ANSI/TIA 一942一2005): theelectricityloadandthedistribution systemreliabilityofdatacentersareanalyzed;the recommendedschemefordistributionsystemofeach levelsofdatacentersarepresented.KeywordsDatacenterRackPowerdensityPowersupplyrequirement摘要数据中心在不断发展.高功率密度的机架也在不断发展.这对电源供给，冷却系统等提出了新的挑战介绍了《数据中心电信基础设施标准》(ANSI/TIA 一 942—2005)对数据中心分级及对电源 的要求:分析了数据中心的用电负荷,配电系统的可靠性:对各级数据中心配电系统提出了推荐性方案关键词数据中心机架功率密度电源要求1数据中心的定义及发展关于数据中心的定义.有很多的说法.从普遍认 同的说法来看.数据中心是一个集中安置计算机系统 和相关组成部分.如通信和存储设备的空间通常它 有冗余的或备用的电源.冗余的数据通信连接.还有 环境控制（空调等）和可靠的安防设施.简单的数据中心起源于20世纪60年代.随着大 型计算机的出现而发展起来大型计算机难于操作和 维护.对环境的要求也比较高.需要设置专门的机房 来安装这些设备.于是出现了数据中心的雏形:到了 80年代.微型计算机产业蓬勃发展.信息业务不断壮 大.许多公司意识到需要对IT资源进行集中的管理 和运作:特别是90年代，服务器在计算机房出现， 更是催生了新型数据中心的分级设计.在.eom经济 的泡沫中.数据中心迎来了繁荣随着服务器等设备 的不断发展.数据中心也在不断发展.在我国数据中 心起步较晚，具有很大的发展空间.2数据中心的分级及对电源的要求 根据《数据中心电信基础设施标准》 （Telecommunications[nfrastructureStandardforData Centers,ANSI/TIA 一 942一2005）及 Uptimeinstitute 的资料，数据中心可分为4级,分别为1级,2级， 3级,4级.各个级别根据重要性对电源有不同的要 求.见下表需要说明的是.随着刀片式服务器的使用.数 据机房的功率密度在不断提高.极端的已经达到 20kW/机架高功率密度的数据机房要求高比率的 后台支持空间（3kW/机架最低l:l;6kW/机架最 低2:l:9kW/机架最低3:1）.3数据中心用电负荷的分析和计算数据中心基础设施的用电设备主要可以分为:IT 信息技术设备用电,制冷系统用电，照明用电，配电 系统用电等传统数据中心和采用高效冷却系统的数据中心用电负荷比例见图1,图2.由图2可以看出.IT设备用电在现代新型数据中心中占到大约一半以上.但其用电量的估算一直 比较困难.使用的方式有很多种.功率密度是一个经 常涉及到的参数.对同一种类型，规模的数据中心， 得到的数据可能会相差很多.这是由于大家采用的计 算方式有所不同浅谈数据中心电源的基本要求（王哗涂曹承属建筑电乞.1—1—I— 一I8U1LDING2 □□ 9 年第 11 期 lELECRle 警数据中心分级及电源要求Tab.Classificationofdatacenterandrequirementsofpowersupply?艇ii殿眷i_囊级2级级项目,，羹'2路2路（600V及以上，市电进线1路1路（600V及以上）来自不同变电站1个主供电.配电路径数112个主供电同时供电1个备用供电系统允许同时维护否否是是计算机和电信单路电源.单路电源.双路电源.双路电源.每路都能承担每路都能承担设备的电源承担100%负载承担100%负载100%负载100%负载所有电气设备贴有第三方实是是是是验室认证标志电气或机械设备配电气或机械设备配电气或机械设备配电电气或机械设备配电系单点故障电系统的一个或多电系统的一个或多系统没有单点故障统没有单点故障个单点故障个单点故障带旁路维修功能的带旁路维修功能带旁路维修功能的自带旁路维修功能的自动 重要负载的自动转换开关的自动转换开关动转换开关(ATS)，转换开关(ATS),当市(ATS)当市电断(ATS),当市电断系统转换当市电断电时.切换电断电时.切换至柴油电时切换至柴油电时.切换至柴至柴油发电机发电机发电机油发电机固定的框架断路器或固定的塑壳断路器.插拔式框架断路器或插机械联锁:任何配电拔式塑壳断路器.机械现场开关装置无无联锁:任何配电系统的系统的开关维护时能够旁路.不影响重要开关维护时能够旁路.不影响重要负荷负荷根据UPS安装容量正确配置是是是是发电机容量柴油发电机8h油量(如果 UPS 有 8min24h72h96h备用时间.柴油发（满负荷）电机没有要求）UPS 冗余方式 NN+1N+12N 或 20+1）单机或非冗余冗余并联或分布冗余并联，分布式冗冗余并联，分布式冗余UPS拓扑结构并联式冗余余或模块化冗余或模块化冗余旁路取自同一路旁路取自同一路旁路取自同一路市电主回路,旁路取自不同UPS维修旁路市电或UPS市电或UPS或UPS母线的UPS专用供电UPS最小满载后备时间 5min]0min]5min]5rain初始设置功率<lkW/机架1〜2kW/机架1〜2kW/机架1〜3kW/机架最终功率<；lkW/机架1〜2kW/机架>3kW/机架>4kW/机架单点故障点很多+人为错误很多十人为错误一些+人为错误无+人为错误年宕机时间 28.8h22.Ohl.6hO.4h可用性 99.671%99.749%99.982%99.995%24■ ■■一！j84设备制造商会采用IT设备总用电量和IT设备的占地面积f仅指机架放置所占面积.不包括通道等面积）比值来计算.这个功率密度值般偏大：IT技术人员往往采用IT设备总用电量和IT设备的所占总空间面积比值来计算.这 是最常使用的方式.平 均每个机架占用2.6m2, 对决定制冷和供配电需 求比较有效:建筑师喜 欢按照IT设备总用电 量和总的数据中心所占 面积（包括IT设备， 配电房，制冷房等所有 空间面积）比值来设 计.这种方法在早期规 划时常被采用:第四种 是采用所有设备用电量 （包括IT设备用电量， 制冷用电量，照明用电 量等）和总的数据中心 所占面积比值来考虑. 上述四种不同的考 虑角度.得到的数据最 大值和最小值会有7~8 倍的差距.如果没有一 个详细的说明.如用电 量包含哪些内容.面积 包含哪些内容.会让人 产生误解现在出版的 有关功率密度确切含义 的着作往往完全忽略这 些信息对于功率密度最确 切的描述应该是"每个机架''消耗的电量.这要负荷36%图1传统数据中心内部用电负荷比例Fig.lPropo-ionofelectricityloadsintraditionaldatacenter UPS损耗，电池充电数1据1中1心J设1计』专1栏1(上)般数据中心内各种设备产生的热量所占比例见 图3.图3数据中心内部设备等产生的热负荷比例Fig.3Proportionofheatloadsbyintemalequipments etc.ofdatacenter 要负荷%4各级数据中心配电系统图2采用高效冷却方式的数据中心内部用电负荷比例Fig.2Proportionofelectricityloadsindata centercooledefficiently可以清晰地对电气和制冷提出需求.对于IT设备. 机架所消耗电力(W)等同于制冷的需求(W).这 也是目前能够说明数据中心功率密度变化的最有效 方法.数据中心冷却系统的作用就是把所有产生的热量 带走.在数据中心里.产生热量的设备包括IT设备， UPS(不间断电源),配电设备照明，人，空调设备 等IT设备在数据线上的传输能量几乎是可以忽略 的.所以IT设备所消耗的能量几乎全部转换成热 量.由此IT设备散发的热量值(W)可以很简单 地等同于它所消耗的电量(W):UPS和配电设备 产生的热量为设备的固定损耗及与运行功率成比例 的运行损耗.这些损耗可以根据设备的铭牌参数等获得:照明和人员的热量同样可以根据标准值来估 算:制冷系统中,风扇和压缩机也会产生热量，但 这部分热量大都排到室外.不会增加数据中心内的 热负荷数据中心的IT系统是由计算机及网络等电子设 备组成.这些电子设备对电源系统有着严格的技术标 准和要求特别是4级数据中心要求实现接近零故障 的供电.必须是一个有高度容错功能的冗余供电系 统，这是保障数据中心高可用性的关键设施.为了达 到上述要求.供电系统一般由2路市电组成冗余式市 电系统+备用发电机组+自动切换开关(ATS)+ 防雷击抗瞬态浪涌抑制器和UPs供电系统来共同 组成满足一个”永远不会停电''的配电系统.允 许执行"不停电"的维护和检修操作.可将其可用 性提高到大于99.999%.每年网络机房停机时间低 于 5.26min 根据各级数据 中心对电源的各项 要求.对每级数据 中心的配电系统提 出如下推荐性接线 方式：a.l级数据中心供电电源可以 由1路市电及1路 柴油发电机组成. UPS单机没有冗余.见图4.b.2级数据图41级数据中心供电系统Fig.4Powersupplysystemfordatacenter,tier 1浅谈数据中心电源的基本要求（王晔潦强蕾承属 建获电乞.—??•.BUILDING2 □□ 9年第11期1拦1.EC辩1中心供电电源可以由1路市电及1路柴油发电 机组成，柴油发电机有备用.UPS单边冗余.见图5.3级数据中心供电电源可以由2路市I!皇皇芒 电及2路柴油发电机组成,UPS单边冗余.见 图6.d.4级数据中心供电电源可以由2路市电及2路柴油发电机组成,UPS双边冗余，见 图7.图52级数据中心供电系统Fig.5Powersupplysystemfordatacenter.tier2 市电配电盘）柴油发电机（柴油发电机配电盘柴碧鲁机配电盘lr输盘IL_『一I〜-:lL_rN+1IIL——｛动力设备十1rIL —UP。