任俊達(dá)

REN Jun-da

（北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司）

(Beijing Institute of Architectural Design)

數(shù)據(jù)機(jī)房供配電問(wèn)題的探討

任俊達(dá)

REN Jun-da

（北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司）

(Beijing Institute of Architectural Design)

數(shù)據(jù)機(jī)房的供配電，既需要非常熟悉智能化數(shù)據(jù)機(jī)房功能需求，也需要供配電的知識(shí)，更需要對(duì)UPS有深入的掌握。結(jié)合相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范和實(shí)際情況，論文詳細(xì)論述了數(shù)據(jù)機(jī)房電氣參數(shù)的選定和UPS的容量選擇。

數(shù)據(jù)機(jī)房；數(shù)據(jù)中心；供配電；UPS容量

1 引言

很多設(shè)計(jì)師在建筑智能化設(shè)計(jì)中沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行到位的深化設(shè)計(jì)。由于現(xiàn)場(chǎng)施工的需要，逐漸的對(duì)設(shè)計(jì)單位提出了更高的要求。但設(shè)計(jì)單位的電氣工程師，往往是強(qiáng)電、弱電有分工，做機(jī)房設(shè)計(jì)的弱電設(shè)計(jì)人員不太懂供配電設(shè)計(jì)，強(qiáng)電的設(shè)計(jì)人員不太懂機(jī)房供電的需求和供電參數(shù)的選定。筆者結(jié)合實(shí)際的強(qiáng)電、弱電設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，和大家分享下關(guān)于數(shù)據(jù)機(jī)房供配電的若干思考。

2 數(shù)據(jù)機(jī)房的供配電需求

數(shù)據(jù)機(jī)房需要供電的設(shè)備主要分為3類(lèi)：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、空調(diào)設(shè)備和其他供電設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的供電：為保障數(shù)據(jù)機(jī)房供電的安全性和可靠性，網(wǎng)絡(luò)總機(jī)房的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備按該項(xiàng)目的最高等級(jí)供電（一級(jí)負(fù)荷或二級(jí)負(fù)荷），并且單獨(dú)配備UPS加強(qiáng)電源保障。接入層和匯聚層的網(wǎng)絡(luò)機(jī)房，不需要UPS加強(qiáng)電源保障。

空調(diào)系統(tǒng)僅按該項(xiàng)目最高等級(jí)供電，為減少UPS的負(fù)載，空調(diào)不接入U(xiǎn)PS。

其他供電設(shè)備，包括機(jī)房照明、應(yīng)急照明、門(mén)禁等供電回路。

3 數(shù)據(jù)機(jī)房供配電容易出現(xiàn)的問(wèn)題

3.1 設(shè)備容量的估算

此問(wèn)題相對(duì)簡(jiǎn)單一些，一般按照網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜3kW估算，服務(wù)器機(jī)柜4kW估算即可。

3.2 UPS容量估算

《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174—2008）（以下簡(jiǎn) 稱(chēng)：規(guī)范GB50174）對(duì)UPS容量的規(guī)定：

UPS的基本容量可按式（1）計(jì)算：

式中， E為UPS系統(tǒng)的基本容量，kW/（kV·A）；P為電子信息設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷，kW/（kV·A）。式（1）規(guī)定了UPS基本容量和設(shè)備計(jì)算負(fù)荷的關(guān)系，但如果仔細(xì)考慮，還有以下兩方面的問(wèn)題：

1）kW（功率）和kV·A（容量）是什么關(guān)系？

2）式中的計(jì)算負(fù)荷是不是設(shè)備的額定功率？

帶著以上兩個(gè)問(wèn)題，我們來(lái)看圖集《UPS與EPS電源裝置的設(shè)計(jì)與安裝》（15D202-3）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：圖集15D202）對(duì)UPS容量的規(guī)定：

“UPS電源裝置的容量選擇應(yīng)滿(mǎn)足負(fù)載總?cè)萘?，還應(yīng)考慮可靠系數(shù)及功率因數(shù)。

S＞K×P/ cosφ

式中，S——UPS的容量，kV·A;

P——UPS所帶的全部負(fù)荷之和，kW;

cosφ——負(fù)載的輸入功率因數(shù)；

K——UPS帶 載 率， 一 般 為60%～80%時(shí)，為最佳工作狀態(tài)，因此K一般取1.2～1.6左右?！?/p>

顯然，圖集15D202比規(guī)范GB50174更細(xì)化一了些：

1）考慮了功率因數(shù)cosφ；

2）區(qū)分了kW和kV·A。

但圖集15D202和規(guī)范GB50174還有一個(gè)容易被忽略的區(qū)別：規(guī)范GB50174的公式是“計(jì)算負(fù)荷”，圖集15D202的公式是“全部負(fù)荷”。這是一個(gè)弱電設(shè)計(jì)師很難注意到的問(wèn)題，但熟悉強(qiáng)電設(shè)計(jì)的人一眼就能看出問(wèn)題：忽略了需要系數(shù)Kd！這也是本文想重點(diǎn)論述的。

在筆者經(jīng)歷的工程項(xiàng)目中，按規(guī)范和圖集的要求配備的UPS，實(shí)測(cè)UPS輸出的負(fù)載率僅為34.2%，UPS的負(fù)載率一般為60%～80%為最佳工作狀態(tài)。為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題？經(jīng)筆者和知名UPS廠家詢(xún)問(wèn)，向某設(shè)計(jì)院電氣總工程師請(qǐng)教，確定了問(wèn)題所在：忽略了需要系數(shù)Kd！

需要系數(shù)：也包含了同時(shí)系數(shù)，多臺(tái)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，未必都是滿(mǎn)載運(yùn)行，多臺(tái)用電設(shè)備的效率要小于1，且供電線路有損耗，這幾種情況構(gòu)成需用系數(shù)Kd。

首先，查閱《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》中可以參考的數(shù)據(jù)，“電子計(jì)算機(jī)主機(jī)的需要系數(shù)的取值為0.60～0.70，功率因數(shù)0.80”，這也是上述問(wèn)題的原因所在，如果我們按規(guī)范GB50174或圖集15D202中的公式，算出來(lái)的UPS容量是沒(méi)有考慮需要系數(shù)的，設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，必然存在著需要系數(shù)的問(wèn)題。也就是說(shuō)：設(shè)備不會(huì)100%的按額定功率運(yùn)行，這也是在工程實(shí)例當(dāng)中，UPS輸出的負(fù)載率僅為34.2%的實(shí)際原因。

3.3 UPS電池計(jì)算和荷載

UPS電池容量計(jì)算，可參照?qǐng)D集15D202的方法計(jì)算，在此不再贅述。

UPS電池室的面積估算是設(shè)計(jì)人員必須要考慮的，根據(jù)UPS電池的計(jì)算數(shù)據(jù)，結(jié)合圖集15D202給出了電池架的參考尺寸，估算電池室的占地面積。

GB50174附錄A的技術(shù)要求：電池室活荷載為16kN/m2，是按雙列4層擺放。如因結(jié)構(gòu)條件制約，可將電池架鋪開(kāi)，以減小結(jié)構(gòu)荷載。

3.4 合理選用的斷路器，實(shí)際運(yùn)行跳閘

這應(yīng)該是困擾過(guò)很多施工人員的問(wèn)題，合理選用了斷路器，實(shí)際運(yùn)行卻意外跳閘，這問(wèn)題的原因是UPS在交變-逆變的過(guò)程產(chǎn)生的諧波，導(dǎo)致的零序跳閘。解決此問(wèn)題，可用諧波保護(hù)器予以解決。

另外，為方便檢修，須考慮UPS和ATS開(kāi)關(guān)的旁路。

4 相關(guān)問(wèn)題的解決思路

通過(guò)以上陳述，比較突出的問(wèn)題是計(jì)算UPS容量。

套用電力計(jì)算的基本公式，問(wèn)題主要體現(xiàn)在了需要系數(shù)Kd的取值和功率因數(shù)cosφ的取值。

4.1 需要系數(shù)Kd的確定

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗組成CPU、內(nèi)存、主板、存儲(chǔ)設(shè)備、風(fēng)扇等部件的物理特性，當(dāng)CPU高功率運(yùn)行時(shí)，計(jì)算機(jī)的功耗主要來(lái)自CPU和內(nèi)存，此時(shí)功耗較大；當(dāng)CPU處于空載或低使用率的時(shí)候，計(jì)算機(jī)的功耗主要來(lái)風(fēng)扇等輔助設(shè)備，此時(shí)功耗較小。計(jì)算機(jī)的實(shí)際使用功耗取決于CPU的使用率。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)電源時(shí)，從電源可靠性考慮，均增加了30%以上的余量，也就是說(shuō)，即使當(dāng)計(jì)算機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其實(shí)際功耗也只有電源銘牌功率的70%左右。

根據(jù)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，計(jì)算機(jī)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行功耗一般在電源銘牌功率的35%～65%。以上數(shù)據(jù)是確定負(fù)荷計(jì)算中的需用系數(shù)Kd的依據(jù)。根據(jù)不同行業(yè)的用戶(hù)或不同類(lèi)型的應(yīng)用對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用要求，Kd的取值略有不同，一般典型的Kd取值為0.6，適用于IDC運(yùn)營(yíng)機(jī)房、政府機(jī)關(guān)、金融行業(yè)以及各類(lèi)數(shù)據(jù)機(jī)房。對(duì)于集群應(yīng)用的用戶(hù)Kd取值為0.6～0.7。對(duì)于大量采用刀片式服務(wù)器的集群應(yīng)用系統(tǒng)，其Kd取值按照0.7計(jì)取。支撐特殊日期數(shù)據(jù)高峰訪問(wèn)量的數(shù)據(jù)中心，需要系數(shù)按1.0計(jì)取。

4.2 功率因數(shù)cosφ的確定

根據(jù)最近幾年對(duì)用戶(hù)機(jī)房?jī)?nèi)計(jì)算機(jī)設(shè)備功率因數(shù)的實(shí)際測(cè)量，平均值大約在0.8～0.9?？紤]到不同地區(qū)電網(wǎng)的電能質(zhì)量，建議按0.8計(jì)取。

4.3 UPS容量計(jì)算

普通標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜每臺(tái)柜子額定容量按3kW計(jì)算，服務(wù)器機(jī)柜額定容量按4kW計(jì)算。

機(jī)房UPS全部負(fù)載之和Pe=4kW×機(jī)柜臺(tái)數(shù)

機(jī)房設(shè)備計(jì)算容量Pjs=Pe×Kd

設(shè)備所需UPS容量P=Pjs/cosφ

機(jī)房UPS基本容量E≥K×P(K一般取 1.2～1.6)

推導(dǎo)出 ：E≥K×Pe×Kd/ cosφ

式中，E為UPS的容量，kV·A；Pe為UPS所帶的全部負(fù)荷之和（額定容量，kW）；Kd為需要系數(shù)，一般取 0.6～0.7；cosφ為負(fù)載的輸入功率因數(shù)；K為UPS帶載率，一般取1.2～1.6。

4.4 UPS容量計(jì)算舉例

例如：機(jī)房?jī)?nèi)有服務(wù)器機(jī)柜40臺(tái)，每臺(tái)服務(wù)器機(jī)柜按4kW，Kd取值為0.6，cosφ取值為0.8，K取 1.2。

Pe=4kW×40臺(tái)=160kW

Pjs=Pe×Kd=160kW×0.6=96kW

P=Pjs/cosφ=96kW/0.8=120kV ·A

E≥1.2P=1.2×120kV·A=144kV·A

根據(jù)廠家UPS選型表，選定150kV·A 的 UPS（見(jiàn)表 1）。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，數(shù)據(jù)機(jī)房的供配電，需要考慮很多方面，電氣參數(shù)的選擇是關(guān)鍵。設(shè)計(jì)人員需根據(jù)使用類(lèi)別，合理的選定網(wǎng)絡(luò)機(jī)房或數(shù)據(jù)中心的需要系統(tǒng)和功率因數(shù)。通過(guò)以上論述，UPS容量（kV?A）按照設(shè)備額定容量（kW）的0.9～1.2倍選定比較合理。

表1 常用廠家UPS選型

[1] （GB50174—2008）電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] （GB50462—2008）電子信息系統(tǒng)機(jī)房施工與驗(yàn)收規(guī)范 [S].

[3] （15D202—3）UPS與EPS電源裝置的設(shè)計(jì)與安裝[S].

[4] 劉屏周，任元會(huì).工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四版）[K].北京：中國(guó)電力出版社，2017.

Discussion on Power Supply of Computer Room Engineering

Power supply for data room, both need to be very familiar with the requirements of the data room, but also need the knowledge of power supply, and also need to have an in-depth grasp of UPS. Combined with the design specif i cations and the actual situation, this paper discusses in detail the selection of electrical parameters and the selection of UPS capacity.

data room; data center; power supply; UPS capacity