朱 宇

（中時訊通信建設(shè)有限公司，廣東廣州 510030）

0 引言

數(shù)據(jù)中心中涵蓋了大量的數(shù)據(jù)信息，其中不乏巨大商業(yè)價值、研究價值的信息內(nèi)容，鑒于此,應(yīng)保證數(shù)據(jù)中心運用的安全性和可靠性。為確保數(shù)據(jù)中心電能供應(yīng)的穩(wěn)定性，應(yīng)擬定、選用可靠性強(qiáng)、安全性高的供電方案，低壓配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心最為常見的配電辦法。

1 數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能機(jī)房電氣設(shè)計的需求分析及設(shè)計思路

1.1 需求分析

綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心機(jī)房電氣設(shè)計的主要要求包括3 個方面：（1）數(shù)據(jù)中心電氣系統(tǒng)應(yīng)急電源的選擇應(yīng)考慮柴油發(fā)電機(jī)，開關(guān)應(yīng)根據(jù)實際情況靈活操作；（2）配置不間斷電源時，應(yīng)以2N 為標(biāo)準(zhǔn)。在選擇應(yīng)急備用電池時，請確保其使用時間大于15min。（3）在配置數(shù)據(jù)中心電氣系統(tǒng)時，應(yīng)以容錯系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。在電氣系統(tǒng)運行過程中，應(yīng)避免各種外部因素，如外部電源的停止、設(shè)備的故障、電氣系統(tǒng)的錯誤操作和拒絕運行。

1.2 設(shè)計原則與思路

在電氣系統(tǒng)設(shè)計工作中，應(yīng)嚴(yán)格遵循電氣設(shè)計行業(yè)的要求，此外，還應(yīng)充分考慮計算機(jī)軟硬件的發(fā)展趨勢，通過電氣設(shè)計的優(yōu)化和調(diào)整為企業(yè)數(shù)據(jù)信息的保存、傳輸和集成提供全面的保障。同時，按照環(huán)保節(jié)能的理念使機(jī)房達(dá)到綠色節(jié)能的要求[1]。因此，在設(shè)計綠色節(jié)能機(jī)房時，應(yīng)嚴(yán)格遵循安全可靠、靈活運行、節(jié)能發(fā)展的原則，確保數(shù)據(jù)中心機(jī)房符合我國可持續(xù)發(fā)展、綠色建筑發(fā)展的理念。

2 智慧城市數(shù)據(jù)中心組成

2.1 硬件基礎(chǔ)設(shè)施

智慧城市的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、伺服系統(tǒng)存儲、負(fù)載均衡等組成。在此基礎(chǔ)上，以IRSAN 為核心的局域網(wǎng)系統(tǒng)具有快速、安全、方便的特點。首先，對用戶基本數(shù)據(jù)、主題數(shù)據(jù)、協(xié)同數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和過濾，實現(xiàn)合理高效的局域網(wǎng)、服務(wù)器存儲、負(fù)載均衡等功能。其次，對相關(guān)硬件進(jìn)行測試驗證，對服務(wù)器的存儲進(jìn)行檢查，并對系統(tǒng)的負(fù)載進(jìn)行測試，最后對系統(tǒng)進(jìn)行加載，完成智慧城市信息系統(tǒng)的日常運維[2]。智能數(shù)據(jù)中心的合理設(shè)計，將實際需求、狀態(tài)評估、設(shè)計實施、運維等多種因素結(jié)合在一起，設(shè)計指標(biāo)和參數(shù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的實時監(jiān)控，為數(shù)據(jù)中心的工作提供了良好的保障。

2.2 中央數(shù)據(jù)庫

智慧城市的本質(zhì)是對大量信息的智能處理、收集、存儲、分類、重組和重用。數(shù)據(jù)存儲技術(shù)是數(shù)據(jù)存儲、建模、分析等技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，能夠以永久的形式存儲和分析大量數(shù)據(jù)。通過對數(shù)據(jù)模型的重構(gòu)，建立雪花型和星星型數(shù)據(jù)的分析邏輯，實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)的高效集成。通過使用數(shù)據(jù)模型技術(shù)，可以使不同維度的多維數(shù)據(jù)直接或間接地與實際相關(guān)聯(lián)。可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模，為實時分析、統(tǒng)計分析等工作提供強(qiáng)有力的支持。

2.3 大數(shù)據(jù)中心

在分析和應(yīng)用數(shù)據(jù)時，需要充分考慮數(shù)據(jù)的時空演變特征，從多個角度分析數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。在智慧城市建設(shè)中，需要的數(shù)據(jù)主要包括互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、行業(yè)應(yīng)用、政府信息等。智慧城市建設(shè)是政府發(fā)揮自身職能的重要體現(xiàn)。因此，基于政府內(nèi)部網(wǎng)和外聯(lián)網(wǎng)，充分利用數(shù)據(jù)交換平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，建立統(tǒng)一的支持各種智能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的有效處理，為用戶提供全面的數(shù)據(jù)服務(wù)和數(shù)據(jù)安全。

3 數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能

低壓配電系統(tǒng)由UPS (Un-interruptible Power Supply)配電系統(tǒng)、防雷接地分系統(tǒng)和安全分系統(tǒng)組成。

3.1 UPS 配電系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)中心的不間斷電源由UPS 配電系統(tǒng)提供。該系統(tǒng)采用雙母線技術(shù)，由2 臺UPS 組成。該系統(tǒng)的主要功能是為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、機(jī)柜設(shè)備和監(jiān)控中心計算機(jī)提供足夠的電力。2 臺UPS 均采用獨立的主電源。在供電正常的情況下，UPS 能夠提供穩(wěn)定的供電和負(fù)載。此外，它還可以利用機(jī)器中的電池來儲存電能。當(dāng)電源中斷時，UPS 在第一時間通過逆變器將存儲在蓄電池中的電轉(zhuǎn)換成電能，不間斷地向負(fù)載提供電能，保證負(fù)載正常穩(wěn)定運行，避免電源中斷造成硬件損壞。當(dāng)系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)低壓、瞬態(tài)高壓、電涌等問題時，UPS 系統(tǒng)也能在第一時間發(fā)揮其保護(hù)價值。鑒于此，在設(shè)計節(jié)能綠色電氣系統(tǒng)時應(yīng)科學(xué)使用UPS 系統(tǒng)，保證其工作狀態(tài)的穩(wěn)定和安全[3]。數(shù)據(jù)中心機(jī)房有2 個PDU(Power Distribution Unit)。確保每個機(jī)箱有2 個獨立的UPS 電路為機(jī)箱供電。機(jī)柜通過地板下的走線槽向機(jī)柜供電。安裝插座時，請注意防止漏電，以保證安全運行和持續(xù)可靠的電源供應(yīng)。

3.2 數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能機(jī)房照明系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計照明系統(tǒng)時，應(yīng)主動與施工方溝通，詳細(xì)分析數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的規(guī)劃布局。在溝通過程中，建設(shè)者應(yīng)主動引進(jìn)低消耗、高效率的服務(wù)器，并根據(jù)不同模式劃分服務(wù)器類型，以保證電氣系統(tǒng)設(shè)計的合理性，使其能夠滿足系統(tǒng)的實際要求，并確保UPS 的設(shè)計和配置在滿足實際使用要求的同時還要有足夠的剩余量。此外，在設(shè)計過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范中提到的照明要求，控制和優(yōu)化機(jī)房不同區(qū)域的照明。以信息機(jī)房的室內(nèi)照明設(shè)計為例，其亮度應(yīng)控制在500lx 以上，機(jī)房輔助區(qū)域的照明度也應(yīng)大于300lx，以滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。此外，應(yīng)急照明的亮度應(yīng)大于50lx。

3.3 數(shù)據(jù)中心機(jī)房綠色節(jié)能防雷接地系統(tǒng)設(shè)計

防雷接地系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心機(jī)房最關(guān)心的對象。根據(jù)實際情況，兩級防雷節(jié)點系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)的運行中發(fā)揮著重要作用。一級防雷接地系統(tǒng)(60kA)一般布置在數(shù)據(jù)中心主電源附近，二級防雷接地系統(tǒng)布置在配電柜電源電纜附近。避雷器、接地設(shè)備、引下線、接地電阻是整個防雷系統(tǒng)的組成部分。在日常生活中最常見的裝置是避雷針，避雷針是由金屬制成的，接地設(shè)備由接地體和相關(guān)線路組成；下引線的主要功能是導(dǎo)出連接器中的累積電流，接地電阻是判斷接地設(shè)備性能好壞的關(guān)鍵。

3.4 空調(diào)配電系統(tǒng)設(shè)計

為了充分保證機(jī)房內(nèi)部溫度處于平衡狀態(tài)，則應(yīng)配置空調(diào)制冷系統(tǒng)。一般采用浸沒式冷卻或直接液冷來保證機(jī)房內(nèi)溫度的穩(wěn)定。與其他環(huán)境不同，數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境具有較強(qiáng)的特殊性，這也對空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。數(shù)據(jù)中心不應(yīng)中斷，否則會影響機(jī)房的穩(wěn)定性。因此，應(yīng)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以保證系統(tǒng)能夠長時間運行，系統(tǒng)本身也能充分發(fā)揮其作用和價值，為機(jī)房溫濕度平衡提供基本條件。

3.5 低壓配電及線路敷設(shè)設(shè)計

低壓配電線路敷設(shè)的安全性和可靠性不僅關(guān)系到供電的連續(xù)性，而且對保證線路的正常運行、提高輸電效率具有不可忽視的價值。它憑借自身的作用，可以全面提高電能質(zhì)量。在進(jìn)行電力設(shè)備的線路配置時，應(yīng)積極采用阻燃電纜，并采用輻射方式完成線路敷設(shè)。在推進(jìn)普通電力設(shè)備的敷設(shè)時，應(yīng)積極采用低煙特性的無鹵電纜完成工作。在這個過程中，工作人員可以以輻射式或混合樹干的形式完成工作。低壓電線，應(yīng)鋪設(shè)ZR-BY 阻燃銅芯，如照明和空調(diào)系統(tǒng)。配電室(箱)的分支電纜，如果有電纜溝，應(yīng)敷設(shè)在電纜溝內(nèi)；如果沒有電纜溝，應(yīng)采用金屬管保護(hù)線路，并應(yīng)加裝在長管箱上，通過管道沉降縫和橋架沉降處理工作。

3.6 電氣保護(hù)及接地系統(tǒng)設(shè)計

科學(xué)全面的接地系統(tǒng)可以避免外界干擾的侵入，在為電子電氣設(shè)備安全可靠運行提供堅實保障的同時，也避免了系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)干擾問題，使數(shù)據(jù)中心機(jī)房的電源系統(tǒng)始終保持穩(wěn)定的零電位。當(dāng)潛在漂移問題發(fā)生時，會對數(shù)據(jù)讀取的效果產(chǎn)生非常嚴(yán)重的負(fù)面影響，甚至降低其性能。鑒于此，工作人員應(yīng)優(yōu)化數(shù)據(jù)中心電氣的保護(hù)策略，確保電源連接系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效。機(jī)房一般采用TN-S接地系統(tǒng)[4]，因為TN-S 接地系統(tǒng)具有操作簡單、故障敏感等多種優(yōu)點。此外，數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)的電源插座要安裝漏電保護(hù)開關(guān)，并仔細(xì)檢查機(jī)房內(nèi)小于2.4m 的燈具是否連接地線。同時，在數(shù)據(jù)中心機(jī)房與地面系統(tǒng)的連接過程中，應(yīng)對各部分進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)控。為數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運行提供全面保障。

4 數(shù)據(jù)中心電力電子技術(shù)的發(fā)展方向

隨著以碳化硅(SiC)、氮化鎵(Gal-lium Nitride)為代表的第三代半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)和成熟，數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)將呈現(xiàn)以下特點。

4.1 設(shè)備層

第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的帶隙、更高的熱導(dǎo)率、更強(qiáng)的抗輻射性、更大的電子飽和漂移率等特點，可以實現(xiàn)更好的電流和電壓開關(guān)控制，更適用于產(chǎn)生高溫、高頻、抗輻射的大功率電子設(shè)備。目前，5G 基站、新能源汽車、光伏系統(tǒng)都是第三代半導(dǎo)體的重要應(yīng)用領(lǐng)域。目前，數(shù)據(jù)中心采用硅基igbt 和mosfet 作為電力電子器件，但對電力器件的能效、體積和重量要求越來越高。傳統(tǒng)的硅基電力電子器件存在開關(guān)頻率低、開關(guān)損耗大等缺點，已達(dá)到技術(shù)瓶頸，難以進(jìn)一步改進(jìn)。以碳化硅和氮化鎵為代表的寬帶隙半導(dǎo)體功率器件的出現(xiàn)和發(fā)展，使電力電子變換器實現(xiàn)更高的效率和功率密度成為可能。與傳統(tǒng)硅器件相比，SiC 器件和GaN 器件可滿足更高溫度、更高電壓、更高頻率的要求，其開關(guān)損耗較硅基電力電子器件可降低50%以上，使轉(zhuǎn)換效率實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。由于耐高溫特性，可大大降低空調(diào)系統(tǒng)的容量要求，進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)的能耗。

4.2 電路與設(shè)備層

數(shù)據(jù)中心電力電子設(shè)備的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括整流電路和逆變電路。主流電路改造類型有二極管整流加PFC、圖騰柱電路、維也納電路、同步整流、巴拿馬電路等。這些電路類型的缺點是無法實現(xiàn)電力雙向傳輸、電力電子轉(zhuǎn)換和儲能功能，只能應(yīng)用于低壓環(huán)節(jié)。制約著數(shù)據(jù)中心電源設(shè)備向更高的效率和更高的應(yīng)用水平發(fā)展。隨著電力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在電力電子轉(zhuǎn)換電路方面將越來越多地采用雙向轉(zhuǎn)換電路，并按照高壓接入系統(tǒng)和高壓儲能系統(tǒng)的需求進(jìn)行集成設(shè)計，例如，將基于模塊化多電平變換器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性高壓直流輸電系統(tǒng)、高壓儲能系統(tǒng)與通信電源系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計，該方案避免使用工頻變壓器，而一套整流或逆變設(shè)備即可實現(xiàn)高壓直流傳輸、高壓儲能、通信系統(tǒng)供電等功能，節(jié)約了大量電力電子設(shè)備[5]。結(jié)合碳化硅、氮化鎵等第三代半導(dǎo)體器件，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的成本、體積和重量，將進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)中心供電設(shè)備的整體效率，擴(kuò)大數(shù)據(jù)中心電源參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓功能，為未來以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)提供支持。

4.3 系統(tǒng)層面

直流供電技術(shù)在高壓直流網(wǎng)絡(luò)中逐步成熟，數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)可以直接接入高壓直流電源甚至輸電網(wǎng)，從而省去了交直流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，與大容量高壓儲能系統(tǒng)的結(jié)合更加靈活多變。例如，未來數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)可以與大型新能源站的高壓直流供電網(wǎng)絡(luò)和高壓直流儲能電站集成，參與新能源站的綜合控制，成為虛擬電廠的一個單元。通過對新能源電站集群的協(xié)同控制進(jìn)一步提高了新能源發(fā)電的時空互補(bǔ)性，提高了新能源發(fā)電、電網(wǎng)接入和消費的整體穩(wěn)定性，降低了新能源發(fā)電隨機(jī)性和波動性帶來的供電風(fēng)險，提高了數(shù)據(jù)中心的供電可靠性，數(shù)據(jù)中心的發(fā)展速度也有了很大的提高。

5 結(jié)論

數(shù)據(jù)中心包含大量的數(shù)據(jù)，這也對配電系統(tǒng)的安全性提出了更高的要求。數(shù)據(jù)中心供電雙電源自動投切系統(tǒng)硬件設(shè)備和軟件功能的優(yōu)化，提高了數(shù)據(jù)中心供電電源自動控制的有效性和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[6]。