2018数据中心行业配电系统应用手册.docx

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1、数据中心行业配电系统应用手册全集成能源管理2022目录数据中心一定义45配电模型665.1如何细分数据中心的能耗661数据中心供配电系统架构65.2数据中心模型的基本概念661.1数据中心供电存在的挑战75.3基于Tier-IV的配电模型681.2数据中心的能耗85.4设计观点721.3数据中心的直流电81.4电源故障及其商业后果106全集成能源管理与数据中心典型系统图案例介绍766.1数据中心业务介绍762设计人员的任务126.2数据中心模型举例772.1设计规范126.3数据中心模型的供电元器件与一次系统图介绍792.2性能规范136.4使用SIMARISDesign进行设计规划822.3

2、供配电规划工具146.5西门子供配电产品解决方案853数据中心供配电系统设计的基本原则187附录923.1电压质量197.1参考文献9232电Ia那:谷TkN67.2缩略词表943.3可用性、冗余性和Tier分类293.4电能需量估计354主要电源部件384.1中压开关柜404.2配电变压器474.3后备发电机组504.4UPS系统524.5低压配电盘554.6分配电系统584.7低压保护与开关装置604.8能源管理系统62简介数据中心一定义DlDQlDXoxoioioiiiioixd QIi ullllllllllollol数据中心一定义1941年，成功发起了数据处理（DP）领域的革命，继而

3、带来 了数据中心（DaC）的发展。有史以来第一次，德国工程师康 拉德楚泽（Korlrad Zuse）创造了一台自动计算装置-Z3 其仅通过电信领域中的电磁开关，便实现了四则基本运算 和求根运算C该自动化装置被置于“计算室”（康拉德 楚泽父母的起居室），重量超过吨，电力需求惊人，高达 4000瓦。1967年，西门子整合了 Zuse公司先进的技术知 识，直至现在，也依然反映了西门子在推进数据处理技术及 其相关基础设施方面孜孜不倦的努力。电/管、磁存储装置和后期的半导管器件进步推动了信息 和通信技术QeT）的发展，使得全球各地出现了众多科研、 工业和管理数据中心。这推高了相关基础设施在安全性和 性能

4、等方面的相关要求。电子数据传输、电子传媒网络化的 扩张以及因特网（且不限于因特网）的蔓延，尤其是欧洲核 子研究理事会（CERN）在20世纪80年代末期开发的“万维 网”催生了数据中心领域的服务性行业。该行业的成长令世 人瞩目，并对信息的整体可用性和安全性提出了越来越高的 要求。维基百科将数据中心定义为“用以存放计算机系统及其相关 部件（例如，远程通信系统和存储系统）的设施。其通常包 括冗余或后备电源、冗余数据通信连接、环境控制（如，空 调和消防）设备以及安全设备等。”1 SearchDataCenterxom甚至在其定义中纳入了该设施的 虚拟化：”一种真实或虚拟的集中式场所，用以存储、 管理和

5、分发数据和信息，该数据或信息围绕知识的特定主体 或者相关的特定业务而组织” 2。Cremer等人3对数据中心的狭义和广义的定义进行了区 分。狭义上，数据中心指服务器群，“其中的数据和服务为 因特网的应用而储存并执行；广义上，数据中心指“建筑 或部分建筑，其用以容纳服务器和类似的ICr设备、且不直 接位于用户的工作场所”。大量不同特性，例如，IcT设备总占用总面积和建筑面积、 Icr设备电力需求量，或者，年度完成的算术运算量等，都 用于数据中心的分类。相对常用的分类方法是ICT设备的存 储量，特别是服务器的存储量。然而，标志数据和规格信息 可能存在差异，如下表所示。美国环境保护局4第国联邦环境署

6、5IZE,TU柏林6互联网数据中心7服务罂柜1-2台服务器,无外部存储器系统3-10台服务罂1-2台服务落服务器室最多可有几十台服务器，无外部存储器系统Il-IoO台服务器3-10台服务器小型数据中心几十台到几百台服务黯，适度使用外部存储器系统101-500台。务器11-50台服务器350-500台服务器数据中心51-250台服务器中型数据中心数百台服务器，大量使用外部存储器系统501-5000台服务器251-800台服务器1,500-1700台服务器大型数据中心5000多台服务器2.000-2500台服务器超大型数据中心/大型计算机中心/企业数据中心成千台服务器，大量使用外部存储器系统800

7、台以上服务器最多可达250介服务器我.11：不同来源的以IcT设备进行的数据中心分类第1章数据中心供配电系统架构1.1 数据中心供配电面临的挑战71.2 数据中心的能耗81.3 数据中心的直流电131.4 电源故障及其商业后果141数据中心供配电系统架构数据中心是一个核心设施。该设施应提供数据处理和通信等领域中的相关服务，例如，数据传输、数据存储、数据处理和数据转换等。在此情况下，以下要求需要满足：提供适当的房间、适当的ICT硬件、根据规定格式运行该ICT应用或将数据、结果传输至用户的适当软件或执行指令。数据中心可建立于商业企业的组织结构内部：也可从外部数据中心操作人员处获得相关服务。11.1

8、 数据中心供配电存在的挑战无论如何必须考虑的常规用户要求如下:能源效率冗余性.安全性.可扩展性运营管理电能质量供配电是所有数据中心设备（即，计算机、显示器、硬盘、网络部件和数据链路等）正常工作的前提条件。不仅是ICT设备要求电力供应必须可靠，其它包括冷却、空调、消防监控和消防灭火、安全和访问控制、照明、电梯、驱动、电机等大量设备的基础设施，也需要稳定的供电方可正常运行。对于供配电系统的方案设计，以下性能指标至关重要： 可用性 成本效率 可靠性 环保性 速度设计人员应对供配电系统进行优化，同时必须同时兼顾用户规范和相关法律、指令、法规和规程。对供电进行规划设计时，因受调度和环保要求的影响，目前这

9、些因素的某些特定特性影响着性能指标，因此，必须基于这些特定特性来规划、设计配电基础设施。例如，配电中集成的额外冗余可提高数据中心的可用性和可靠性。但是，冗图.1:电源是数据中心基础设施不可或缺的组成部分余部件相关的成本上升可能对成本效率带来负面影响；运行期间，如果未能很好地利用冗余部件，还可导致效率下降，并因而推高相关能耗和本N避免的环保压力。1.2 数据中心的能耗 发电的成本的改变 人力和材料成本的改变 环境问题的影响作用，其关系到发电和能耗 用于数据中心的IcT和基础设施部件的发展趋势.与数据中心服务（例如，云计算、网络应用和安全需求）相关的用户行为变化趋势全球数据中心的能源需求基本上可预

10、期将会继续上升。例如，根据微软公司2007年的设想8,能源消耗预计将会出现连续、快速的上升（见图1/2）O前几年能源消耗增长率将会继续保持不变，同样，电源使用效率（PUE）指数也会保持为2.0（即，数据中心的总能源需求量与数据中心IeT部件的能源需求量之比，见9）。根据欧盟委员会的要求10，在西欧，能耗量在2007年至2020年之间几乎将翻倍，从56太瓦增加至104太瓦。即便如此，能耗量也与图1/2中的值相互关联，因为，可以预见，中国、印度或俄罗斯等新兴国家在今后数年中的加速发展将相当显著。可能导致对今后发展速度的评估出现偏差的其它不确定因素包括，例如： 全球经济的发展及竞争 保护主义、市场监

11、管或者市场自由化I.1/2:数据中心能源消耗的发展趋势8考虑到数据中心对环境的要求非常高，例如： 要求具有配电网络连接和数据传输线路 要求适宜的环境气候条件 要求避免交通枢纽和工业工厂所带来的危险.要求远离军事设施、垃圾填埋场、垃圾焚烧厂 自然灾难的发生概率必须极低在绿地（“绿地投资”）为新数据中心寻找合适的建设场所变得Fl益困难。因此，数据中心的改型和扩展（“褐地投资”）以及对于利用模块化系统可扩展性的考虑也就变得愈加重要。同样，数据中心的规划设计也可能越来越多地考虑和利用厂内发电方案。在此情况下，能耗和冷却需求之间的一致性对于所要求的计算和通信能力十分有利。1.3 数据中心的直流电近年来，

12、IT专家一直在探讨针对ICT部件使用具有直流应用的供配电系统。劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）据此预测这种数据中心的效益将比普通数据中心高出28%以上，W为这种方案无需直流（DC）和交流（AC）电流之间的相互转换11必须注意：如果未对用来构建这些值的观察结论和参数进行更加详尽地分析，此后使用的最新技术很难对效率的提高带来任何益处。在欧洲电网电压条件下，现代UPS系统和IeT部件中的优质电源，其交流和直流系统具备同等的损耗量。IT管理员必须能够直观、安全地处理其设备电源。直流连接器的安全断开和插接必须尽可能和交流连接器系统一样简单、经济、标准化。由于带电断开直流系统将会引起问题，因此，必须确保

13、直流连接器与供电端安全隔离。高压直流电网出现故障停机的另个原因源于配电网络中电弧放电。传统的过电流保护装置（OPD）在此处的应用极其有限。一方面，限制电弧故障电流可能导致过电流保护装置无法脱扣；另一方面，即使检测到故障，过电流保护装置中仍然存在未灭弧的风险，从而带来火灾危险。此外，需要指出的是，以上考虑仅仅出现在通过高直流电压供电的ICT部件中，而针对其它电能用户，必须保持完整的交流供电设备。因此，不难想象，除了直流供电以外，还需要为计算机和远程通信室提供交流电。在不考虑技术细节的情况下，可以假定，鉴于服务器、存储系统和网络设备的当前市场情况，这样的情形不太可能出现,即，全面地突然转向直流供电组件的第二条生产线。出于该原因，本手册将介绍400/230V交流电网的最新技术及其在随后儿年中可预见的发展趋势。图.3：西门子开关设备厂（柏林）过电压测试期间出现的内部电弧放电股票和证券交易 信用卡/电子现金 （通过电视的）家庭购物 通过产品目录邮寄购物 服务提供商 加工制造业 商业分行和保险业 建筑业O 5 rr,欧元/小时一图. 1 1： IT系统停机产生的损害费用12尽管供电具备高可靠性，但是一旦出现供电中断，配电系统 运营商（DSO）也必须一再为其负责。这些供电故障的持续时 间绝大部分短于1秒，因此，很难引起