1、2015/4/241第二部分数据中心供电系统规划分析目录1Emerson Confidential数据中心数据中心电力需求电力需求部分电气名词介绍标准、规范负荷计算电源规划2015/4/242 供电系统规划n 市电供电系统n 备用发电机系统n 低压配电系统n 电缆及电缆路由n 列头柜配电系统散热系统规划n 服务器机柜n 机房空调容量n 室外机布置n 局部高密度 管理系统规划 安全管理 运营管理负荷密度级别每机柜3KVA（2.7KW）每机柜4KVA（3.6KW）每机柜5KVA（4.5KW）每机柜6KVA（5.4KW）部分区域1012KVA（910.8KW）/机柜容量增加，负荷密度增加的在线扩容一
2、、一、数据中心数据中心电力需求电一、一、数据中心数据中心电力需求电200028, 2U Servers2kw Heat Load200642, 1U Servers6kw Heat Load20106 Blade Centers24kw Heat Load2014?机架内的服务器密度呈现加速集中的趋势，单个机架的热密度也越来越高高热密度发热2015/4/243一、一、数据中心数据中心电力需求电1.供电结构直接决定供电系统的可靠性2.动力平台扩容陷阱99.0000%99.2000%99.4000%99.6000%99.8000%100.0000%系统1总可用度 系统2总可用度系统1总可用度 99
3、.9999% 99.9999% 99.9990% 99.9900% 99.9999%系统2总可用度 99.9999% 99.9900% 99.9000% 99.9000% 99.0000%设计阶段 开通调试 运行 扩容 更新改造扩容场地不足扩容过程、扩容后系统不可靠，事故频发3.供电系统的灵活性面临前所未有的考验4.传统配电系统的“边缘地位”导致实际使用中50以上的故障无法预料，无法监测，难于及时处理。5.电池系统，人为故障供电可靠性5q数据中心的电力消耗在过去10年增长了5倍q一台1U服务器的使用成本高达采购成本的2倍，并且还在继续增加q能源价格飙升导致更加困难的局面q用于空调冷却的的电力等
4、于或超过了计算用的电力不断扩大的IT需求和能源效率之间的尖锐矛盾一、一、数据中心数据中心电力需求电2015/4/244一、一、数据中心数据中心电力需求电HP ProLiantSL160z HP ProLiantSL170z HP ProLiantSL2x170z规模扩大、功率密度增高造成供电总容量的提高。 单机柜负荷：2kW/台3kW/台4kW/台更高； 单位面积平均负荷：0.5kva/m21kva/m21.5kva/m22kva/m2更高；可靠性要求供配电系统的可靠性要求相应提高。 供配电系统可靠性：99.0099.9099.9999.999%更高；数据中心供配电系统的发展趋势一、一、数据中
5、心数据中心电力需求电2015/4/245一、一、数据中心数据中心电力需求电传统设计可扩展设计负载计划几乎从来达不到预期一、一、数据中心数据中心电力需求电按需配置容量可节约维护它的成本它耗用的能源成本没有使用的容量带来浪费并增加总体拥有成本整合和再增长时2015/4/246一、一、数据中心数据中心电力需求电11二、部分电气名词功率密度的概念与定义：为便于参数的计算与比较，通常会建立和引用功率密度的概念单位元素（面积、机架、空间、U位等）上所配备或产生的电或散热量，即： 平面功率密度（kw/m2或kcal/m2h）、 机架功率密度（kw/架或kcal/架h）、 空间功率密度（kw/m3或kcal/
6、m3h）、 U位功率密度（kw/U或kcal/Uh）。功率密度随着机房应用技术的不断发展而演变，其含义也经过了从平面到立体、从宏观到微观的演变进程。建立不同概念的初衷，是随着机房功耗的逐步上升到不同的阶段，为便于空调系统的研究与应用而延伸的2015/4/24712二、部分电气名词平面功率密度：概念：在某一特定机房环境下，均摊至该环境单位面积（每平方米）上所配备的有效电力容量（或能耗），其单位kw/m2或kcal/m2h。早期热密度较低，空调冷量配比的重要性尚未凸现，人们习惯以机房单位面积上的电功率配备或散热量（即平面功率密度）来核算机房环境条件，。如：某机房面积为500m2，其配备的UPS系统
7、为400*（2+1），按功率因数0.9、安全系数0.8计，则其可用的平面功率密度为：0.9*0.8*400*2/500m2=1.152kw/ m2或990.72kcal/m2h缺点：平面功率密度忽略了机架密度以及空间高度，缺乏机架密度和空间的概念。随着机房散热量的增大，利用平面功率密度概念计算时，将和实际的温度梯度和特性产生较大误差，所以以该概念在评估机房环境时具有一定局限性。13二、部分电气名词机架功率密度：概念：在某一特定机房环境下，均摊至该环境内每个机架上所配备的有效电力容量（或能耗），定义为机柜的功率密度，其单位为（kw/架或kcal/架h）。如：某机房面积为500m2，装配机架数量为
8、250只，其配备的UPS系统为400*（2+1），按功率因数0.9、安全系数0.8计：其可用的平面功率密度为：1.152kw/ m2或990.72kcal/m2h；其可用的机架功率密度为：0.9*0.8*400*2/250m2=2.3kw/ 架或1981.44kcal/架h；缺点：该概念在一定程度上对机房环境的实用性上进行了定义，但忽略了机架自身高度及可用空间方面的问题，对于高能耗、高发热密集度的现代服务器设备与机房环境的关系缺乏微观的衡量，一定程度上也具有局限性。2015/4/24814二、部分电气名词空间功率密度：概念：在某一特定机房环境下，均摊至该环境内每单位体积上（m3）所配备的有效电
9、力容量（或能耗），定义为空间功率密度，其单位为（kw/m3或kcal/m3h）。如：某机房面积为500m2，装配机架数量为250只，机房高4.5m，其配备的UPS系统为400*（2+1），按功率因数0.9、安全系数0.8计：l 其可用的平面功率密度为：1.152kw/ m2或990.72kcal/m2h；l 其可用的机架功率密度为：2.3kw/ 架或1981.44kcal/架h；l 其可用的空间功率密度为：0.9*0.8*400*2/(500m2*4.5)=0.256kw/ m3或220.16kcal/m3h；缺点：该概念在一定程度上对机房环境在空间的能量密度上进行了定义，但忽略了机架密度和机
10、架可用性方面的问题，在对机房可用性的微观计算上具有一定的片面性，同时也具有局限性。15二、部分电气名词 U位功率密度：概念：U位是IDC机架上的基本单元，U位宽为19英寸机架的标准宽度，高为4.45厘米。U位功率密度是上述三种功率密度的一个延伸，是综合了机房空间概念和可用性的一个综合参数，其含义为：一是指在某一特定机房环境下，均摊至该环境内每U位空间上的有效电力容量（或能耗），单位为（kw/U或kcal/Uh）；二是指在某一特定机房环境下，均摊至每单位空间（m3）上的U位数量，即U位空间密度，其单位为（U/ m3）；如：某机房面积为500m2，装配机架数量为250只，每机架的有效空间为42U，
11、机房高4.5m，其配备的UPS系统为400*（2+1），按功率因数0.9、安全系数0.8计：l 其可用的平面功率密度为：1.152kw/ m2或990.72kcal/m2h；l 其可用的机架功率密度为：2.3kw/ 架或1981.44kcal/架h；l 其可用的空间功率密度为：0.256kw/ m3或220.16kcal/m3h；l 其可用的U位功率密度为：0.9*0.8*400*2/(250架*42)=54.9w/ U或47.18kcal/Uh；l 其可用的U位空间密度为：250架*42u /(500m2*4.5m)=4.67U/m3；优点：U位是IDC机房可用性的最小计算和衡量单位。它不但
12、在宏观上可全面衡量机房在电力和空调系统配置上的平衡性，在微观上可衡量机房电力和空调系统的可用性，还可衡量机房建设在空调和电力系统配置的统一性，同时，它也可从某种程度上对研究机房建设的经济性具有一定价值。2015/4/249明确密度二、部分电气名词同样500 kW 数据中心依据不同的计算有不同的“平均密度”:746 watts/ft2179 watts/ft2119 watts/ft2189 watts/ft25 kW/机柜 = 消除了面积法的模糊概念 watts/ft2允许数据中心不同区域的不同负载密度模糊的是否包括机柜周围的工作空间?是否包括保密事空间?是否考虑总的功耗?总IT功耗机柜数量好
13、的方法传统方法指定在行级水平机柜级: 细枝末节不足以前瞻参考房间级: 粗枝大叶缺乏灵活性和变化行级: 正合适!环境类型 平均负载密度watts/机柜 典型峰值与平均值比率实验室 中(2-6 kW/机柜) 高(2 较好情况2PUE1.5IT负载制冷与供电功率 制冷与供电功率IT负载二、部分电气名词2015/4/24121 国家标准、规范供配电系统设计规范（GB50052-1995）10kV及以下变电所设计规范(GB50053-94)低压配电设计规范(GB50054-95)建筑物电子信息系统防雷技术规范(GB50343-2004)电子计算机机房设计规范（GB 50174-93）电子信息系统机房设计
14、规范(征求意见稿)2 行业标准、规范通信局(站)电源系统总技术要求（YD/T 1051-2000）通信电源设备安装工程设计规范（YD/T 5040-2005）通信局(站)防雷与接地工程设计规范(YD/T 5098-2005)民用建筑电气设计规范（JGJ16-2008）3 企业标准、规范通信运行商互联网企业三三、标准、规范、标准、规范三三、标准、规范、标准、规范数据中心等级标准建议建议等级项目 国标 UPTIME 备注建议等级标准 A TIER IV线路冗余 2N 2N冗余部件 UPS 2N 2N柴油发电机 N+1 2N 柴发机房需另行建设空调设备 N+1 2N面积功率KW/m2NA 1.6年宕
15、几时间 NA 0.4小时可靠性 NA 99.995%电源 UPS+柴发 UPS+柴发 柴发机房需另行建设应急通道支持NA 自动成本/ft2 NA 1100+2015/4/2413三三、标准、规范、标准、规范一级：单路径的电源和散热分配，无冗余组件，99.671%的可用性。二级：单路径的电源和散热分配，冗余组件，99.741%的可用性。三级：多个电源和散热分配路径，只有单路工作，冗余组件，可同时维护，99.982%的可用性。四级：多个工作状态电源和散热分配路径，组件冗余，容错，99.995%的可用性。四、负荷计算 UPS系统负荷(输入)：UPS系统负荷(输入)供电负荷充电负荷UPS电源系统负荷(
16、输出)及蓄电池组容量明确时，供电负荷=UPS系统输出负荷UPS系统主机效率；充电负荷=蓄电池10h率充电电流充电电压UPS整流器效率UPS电源系统负荷(输出)及蓄电池组容量不明确时：供电负荷=N台主用UPS主机额定输出容量负荷率UPS主机整机效率；充电负荷(N+X)台UPS电源主机额定输出容量(0.150.25) ； 机房空调机组负荷：N台主用空调机组额定负荷容量需要系数(0.70.9)。 照明及其它负荷：按建筑电气常规方法统计。变配电系统负荷统计2015/4/2414四、负荷计算UPS电源系统负荷统计 具体负荷设备明确时，按设备计算负荷数据统计。 具体负荷设备不明确时，按机柜平均负荷统计。机
17、柜数量也不明确时，可按机房面积平均负荷估计。 需了解负荷设备的功率因数COS，分别统计有功功率Pj（kw）和视在功率Sj（kva）。需注意三相负荷平衡的情况，有大容量单相负荷设备时应按相分别统计。五、电力规划数据中心电力系统的规划原则机房电气系统建设标准建议机房UPS系统架构、负荷和配置的建议机房柴油发电机系统架构、负荷和配置的建议精密空调配电建议防雷接地系统规划建议机房电气系统所需外部条件2015/4/2415五、电力规划序号 负荷名称 等级1 常规照明用电 负荷等级为二级2 机房日常维护用电负荷等级为二级3 机房空调系统用电负荷等级为一级4 重要保障区间照明用电负荷等级为一级5 应急照明用
18、电 负荷等级为特别重要负荷级6 计算机用电设备负荷等级为特别重要负荷级7 消防紧急照明用电负荷等级为特别重要负荷级电力能源金字塔管理原则示意图数据中心电力系统的规划原则电力能源金字塔原则机房电气系统整体性规划建议机房电气系统高可靠性规划建议表LEVEL 与负荷等级的对应关系表按需供电,分级保障保障级别 供电方式 负荷等级 负载分类LEVEL 1 市政电力双路输入，互为备份 二级 机房常规照明/普通空调/日常维护用电LEVEL 2 柴油发电机备用电源系统对市电供应提供备份 一级负荷 机房空调系统用电/重要保障区间照明用电LEVEL 3 不间断电源UPS提供可靠的电力供应 特级负荷计算机IT设备用
19、电、消防系统用电、应急照明用电LEVEL 4 UPS输出母排，到楼层配电柜 特级负荷 同上LEVEL 5 从“楼层级PDU”到各区域级配电柜 特级负荷 同上LEVEL 6精密空调配电建议机房空调配电系统图市电AA路ATS市电BB路ATSATS/EPS精密空调室内机冷冻水循环泵ATS/EPS消防动力、应急照明电精密空调室外机普通照明 普通空调、插座ATS发电2*2000KVA发电2000KVA五、电力规划五、电力规划接地与防雷1、在建筑物发生直击雷时，降低或消除雷电流危害-地电位反击2、发生直击雷时，降低或消除其电磁场感应危害3、建筑物外雷击导致的雷电流传递到楼内时，降低或消除其危害4、减小和防
20、止建筑物附近落雷产生的电磁场感应危害将直击雷发生时雷电流沿金属物（含电线、信号线）侵入低压电气系统和电子系统的效应称为雷电波侵入，同时，雷电具有高电压、大电流和瞬间性特点，强大的闪电产生静电场、电磁场和电磁辐射，将雷电空中磁场对电气系统和电子系统的磁感应效应称为雷电感应，还有地电位反击，可合并统称为雷击电磁脉冲（LEMP）。LEMP是在电子时代的一大公害，严重干扰无线电通讯和各种电子设备的正常工作，在一定范围内造成许多微电子设备损坏。由于雷击发生的时间和地点以及雷击强度的随机性，因此对雷击的防范，难度很大，要达到阻止和完全避免雷击的发生是不可能的。国际电工委员会标准IEC一61024和国家标准GB 50057均明确指出，建筑物安装防雷装置后，并非万无一失的。2015/4/2430五、电力规划五、电力规划接地数据中心应采用联合接地方式，将围绕建筑物的环形接地体、建筑物基础地网及变压器地网相互连通，共同组成联合地网。建筑物底层应设置环形接地总干线。 应设置两根及以上垂直接地主干线。 各楼层应设置水平接地干线，并宜与两根及以上垂直接地主干线联结。 设备接地可采用网状、星形或网状-星形混合方式。 应采用分级保护方式，并综合考虑供配电系统的分布情况。 当存在不利因素时，应提高交流电源第一级SPD的最大通流容量。平均雷暴日应按当地气象部门最新数据为准。供配电系统防雷
