银行数据中心解决方案和关键技术

数据中心供配电系统是数据中心关键设施的支持系统，在数据中心建设中占有重要地位。不但其可靠性、合理性直接影响数据中心的品质，其规划布局的合理性也直接影响数据中心的全局。因此，在数据中心的前期规划、设计、施工、运行维护的整个生命周期内，需要重点考虑。

数据中心的供配电系统的设计，大致可遵循以下工作流程：确定用户需求的机房建设等级；确定数据中心的供配电负荷及当地供电条件；确定市电电源的电压等级及供电方式；结合电源条件、现场条件、用户需求及机房的级别等因素，综合考虑，确定配电系统主接线及供配电系统。下面对数据中心供配电系统的几个重要步骤、重点技术及解决方案做简要的说明。

1.供电电压的选择

市电电压的选择，需结合当地电网情况、工程的规模及用电需求量、近期和远期发展等因素，综合评估进行确定。

数据中心主要涉及35kV、20kV、15kV、10kV、6kV、3kV，其中最常见为10kV电压等级的市电接入，35kV及以下交流三相系统标称电压及电气设备的最高电压值见表4⁃1。

建设单位需在确定数据中心项目规模及用电量需求后，尽早咨询当地供电部门，由当地供电部门给出供电咨询意见，以确定工程的可行性。避免出现因当地电网条件不足，而造成选址地点不具备工程实施条件的情况。

具体供电方案，包括电源来自何处、电源电压等级、电源回路数、电源电缆敷设方式等，可咨询当地供电部门确定。

表4⁃1 交流三相系统标称电压及电气设备的最高电压值

2.配电系统主接线

电气主接线是由电器设备通过连接线，按功能要求组成接受和分配电能的电路，又称为一次接线或电气主系统。

电气主接线代表了变电所电气部分的主体结构，是电力系统网络构成的重要组成部分。它直接影响系统运行的可靠性、灵活性，对电器选择、配电装置布置、继电保护、自动控制方式的拟定等具有决定性作用。

电气主接线的基本形式，按其结构可分为有汇流排和无汇流排两大类。汇流排即汇集电流的母线。在变配电所中进出线较多时（一般超过4回），为了便于电能的汇集和分配，设置母线作为中间环节，可使接线简单清晰，运行方便，有利于安装和扩建。

由于无汇流排接线（包括单元接线、桥型接线、多角形接线等形式）多采用回路很少、电压很高的户外高压设备，因此数据中心很少采用，在此不详细阐述。对于数据中心，其高压配电设备一般采用户内高压设备，故多数采用有汇流排的方案。下面对有汇流排电气主接线形式进行简要分析。

（1）单母线接线形式 单母线接线形式如图4⁃12所示，E1、E2表示电源；L1、L2表示出线；QS1、QS2、QS3表示隔离开关；W表示母线；QF1、QF2表示断路器。设置一条母线，可使两个电源并列工作，这样任意一条出线都可获得来自两个电源的电能。

单母线接线的优点：系统简单清晰，设备少，投资少，运行操作方便。主要缺点：可靠性、灵活性差。当母线及与母线相连的隔离开关故障或检修时，必须断开电源，所有出线回路（即馈线）均需停电。

（2）单母线分段接线形式 为了避免单母线故障造成全面停电的情况，在单母线中用断路器QF5进行分段。两段母线同时出现故障的情况很少，因此可提高供电的可靠性。分段的数量取决于电源的数量和容量，段数越多，故障停电的范围越小，但断路器的数量越多，且系统运行也更为复杂。单母线分段接线形式如图4⁃13所示。

单母线分段接线的优点：对于可靠性要求高的用户，可从不同母线段引出两个馈线，有两个电源供电，这样当一段母线发生故障或检修时，仅一段停电，另一段仍可继续工作。缺点是：当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，接在该段母线上的回路必须全部停电；馈线断路器检修时，该馈线也必须停电。

（3）单母线带旁路母线接线形式 馈线断路器故障或需要检修时，为使不至于中断回路供电，可增设旁路母线，如图4⁃14所示。当需要检修断路器QF1时，可通过倒闸操作，由断路器QF5及旁路母线替代。当电源侧断路器故障而不允许停电时，旁路母线还可以与电源回路连接，如图4⁃14中虚线所示，但因保护不完备，一般很少采用。

图4⁃12 单母线接线形式

图4⁃13 单母线分段接线形式

（4）双母线接线形式 双母线接线形式如图4⁃15所示。每个回路都经过一台断路器和两组母线隔离开关分别与两组母线连接，母线之间通过联络断路器连接，每个电源回路也是通过一台断路器和两个母线隔离开关接在两组母线上。

图4⁃14 单母线带旁路母线接线形式

图4⁃15 双母线接线形式

双母线接线的优点：有了两组母线，其运行的可靠性加强，可轮流检修母线及母线上的隔离开关，只需倒闸操作，即可继续供电。

双母线接线的缺点：倒闸操作比较复杂，容易发生误操作；当母线出现故障时，需要切换较多的电源和负载；当检修断路器时，仍需要停电。

为进一步减少停电范围，还有双母线分段接线方式。如图4⁃16所示，这种接线具有很高的可靠性和灵活性，但增加联络断路器和分段断路器，系统更为复杂。

以上介绍的配电系统主接线方式，各自都有其优缺点，需要根据具体情况确定。在运用时因选用设备不同，使用条件和系统要求不同，会有很多变化。在实际应用中，可将各种接线方式结合，利用联络线、双回路等方式，同样能达到使用的要求。

在进行数据中心建设时，如遇到需采用35kV及以上高压电源时，因供电部门一般会有比较严格的要求，建议遵循当地供电部门的要求。

图4⁃16 双母线分段接线形式

3.配电方式

根据负荷性质的不同，结合供电经济性、可靠性的要求，配电系统可采取多种配电方式，以满足不同种类用户的需求。主要包括放射式、树干式、环式及其相互组合的方式。

（1）放射式 放射式是指由供电电源直接引一条专用线路至供电对象的供电方式。

其特点是：供电可靠性高、故障发生后影响范围单一，线路继电保护设置相对简单。放射式配电如图4⁃17所示。

（2）树干式 树干式是指由供电电源引出供电一条干线，供电对象采用干线并联T接引出分支线路、干线并联π接等方式，从干线取电的供电方式。此种供电方式，一条电源侧引出的配电干线，可为下级多个负荷供电。

其特点是：线路和开关等相对放射式少，节省建设投资，经济性好。但供电可靠性差，故障发生后影响范围大。树干式配电如图4⁃18所示。

图4⁃17 放射式配电

图4⁃18 树干式配电

（3）环式 环式分为闭路环式和开路环式两种。为简化保护，一般采用开路环式，其供电可靠性较高，运行比较灵活，但切换操作较繁。开路环式配电如图4⁃19所示，闭路环式配电如图4⁃20所示。

图4⁃19 开路环式配电

图4⁃20 闭路环式配电

根据不同的供电需求，还可对上述配电方式进行组合，得到灵活多样的配电形式。以下列举几种典型的常用配电方式。

1）双侧供电双回路放射式。其特点是：供电可靠性非常高，由两条专用线路为一个负荷供电，不会因任何一条线路的损坏，影响对负荷的供电。再结合双电源自动转换装置或类似的多电源选择开关，可实现电源切换的自动化，从而大大提高供电的可靠性。双侧供电双回路放射式如图4⁃21所示。

2）双侧供电双回路树干式（链式）。其特点：供电可靠性较高，但因采用树干式供电方式，线路故障影响面相对较大。双侧供电双回路树干式（链式）如图4⁃22所示。

图4⁃21 双侧供电双回路放射式

图4⁃22 双侧供电双回路树干式（链式）

3）双电源供电有公共备用干线的放射式。其特点：供电可靠性要求较高。此种方式结合了放射式与树干式配电的特点，是一个折中的解决方案。缺点是，负荷的两个电源采用不同的配电形式，给运维管理人员带来不便。双电源供电有公共备用干线的放射式如图4⁃23所示。

图4⁃23 双电源供电有公共备用干线的放射式

实际应用中，应将配电方式与配电系统主接线综合考虑使用，以达到最佳的效果。对于数据中心项目，既要满足供电连续性、可靠性要求，又要考虑建设成本，因此选择哪一种配电形式，显得尤为重要。

对于中压侧电力干线，因其影响范围广，建议优先采用放射式供电方式。对于低压配电系统，因其影响范围相对小，建议采用放射式与树干式结合的配电方式。

4.交流电力线的选择

数据中心变配电系统中，通常采用电缆、母线等作为电导体。它是数据中心电能的通路，由于线路长、分布广且导体电阻损耗，使得电缆和母线成为电能损耗的主要因素之一，也是电气火灾等事故的主要源头。因此，合理选择电缆及母线，是数据中心配电系统设计的关键环节。(www.xing528.com)

为保证电力电缆的可靠运行，选择交流电缆截面积大小时，应符合如下要求：

1）线路电压损失应满足用电设备正常工作及起动时端电压的要求。

2）按敷设方式及环境条件确定的导体载流量，不应小于计算电流。

3）导体应满足动稳定与热稳定的要求。

4）在三相四线制配电系统中，中性线（以下简称N线）的允许载流量不应小于线路中最大不平衡负荷电流，且应计入谐波电流的影响。

5）当保护线（以下简称PE线）所用材质与相线相同时，PE线最小截面积应符合表4⁃2的规定。

表4⁃2 PE线最小截面积与相线芯线截面积对应关系

注：1.安全接地线为同设备机壳相连的安全接地线。

2.安全接地线截面积应当为相线电缆截面积的0.5～1.0倍，但截面积不小于6mm²。

一般情况下，电缆截面积大小选择方法是按长期允许电流（即发热电流）选择电缆。电缆制造厂商对各种导线连接发热的容许温升都做出了明确规定，并根据散热条件制订了各类导线的持续容许电流及各种敷设条件下的修正系数。因此，在数据中心建设过程中，应按照具体电缆选型所对应的载流量以及敷设条件确定其截面积。此外，还可以按电压损失、机械强度、经济电流选择电缆截面积等方法进行校验。

5.电力系统可靠性保障系统

随着银行IT需求的不断增长，数据中心正朝着高密度、大容量、大规模方向发展。为保证数据中心IT设备供电的连续性，就需要为其服务的电力系统满足系统安全、可靠、灵活和可维护的要求，从而导致数据中心的电力系统构架趋向复杂。

传统民用电力系统较数据中心电力系统，其系统构架相对简单，且对供电连续性要求相对不高。在系统运行过程中出现外电源故障或系统故障，一般由运维人员人工判断系统运行状况及故障信息，根据操作规程结合自身技术经验，得出反故障方案，通过手动控制，手动或电动操作的方式，完成倒闸操作等反故障措施。但对于复杂的关键设施中的低压电力系统，此种方式存在明显的弊端，主要表现在以下几个方面。

1）传统系统及其运行方式，对运维人员的技术水平要求高，存在人为判断操作失误，造成系统二次故障的风险。安全性、可靠性难以保障。

2）对于复杂系统，系统故障时，进行人工判断、人工操作耗时较多，再加上系统庞大、操作点多，以及电气设备在不同场所需要多地点操作等情形，可能造成反故障措施操作时间过长。如单路外电源故障需要切换电源的情形，如操作时间超过不间断电源供电时间，就会造成关键设施的电力中断。

3）复杂故障情形，人工难以判断。例如，外电源故障情形下，实施反故障措施操作过程中出现另一系统故障，此时判断难度成倍增加，人工很难在短时间内做出正确判断，可能造成关键设施的电力中断。

数据中心的电力系统，具有系统结构复杂，系统安全性、可靠性、可维护性要求高，以及系统故障需快速响应、快速恢复的特点。传统运行方式显然难以胜任，需要电力系统可靠性保障系统来保障电力系统的可靠运行，从而充分发挥电力系统构架的能力。

电力系统可靠性保障系统应具备的主要功能：

1）电力系统外部故障及故障解除，系统自动响应。

2）电力系统内部故障及故障解除，系统自动响应。

3）进行有计划维护前，系统自动切换。

4）柴油发电机组起停控制及供电切换控制。

5）配电系统（含UPS系统）综合管理控制。

电力系统外部故障主要是市电电源侧开关、线路等故障引起的市电电源故障。例如，一路市电停电、两路市电停电等。外部故障恢复是指恢复供电。对于数据中心而言，因市电问题所导致的系统切换，是运行中最为常见的现象。因此必须要求电力系统能自动做出响应。

数据中心电力系统内部故障主要包括继电保护系统响应故障和电力系统设备故障。

继电保护系统响应故障包括开关保护跳闸、继电保护报警等，此类故障继电保护系统可使相应开关做出反应，使故障控制在一定范围，但并不能从电力系统上做出响应，因此还需要可靠性保障系统控制做出正确的系统响应。

电力系统设备故障主要包括开关拒动、开关偷跳、开关越级跳闸、柴油发电机组故障造成并机起动失败等。

在有计划的情况下进行系统在线维护，有时因为倒闸操作复杂，很容易出现误操作引起事故。因此也需要电力可靠性保障系统来完成操作，提高系统可靠性。

柴油发电机组起停控制及供电切换控制，是数据中心电力系统必不可少的要求。

配电系统（含UPS系统）综合管理控制是指电力可靠性系统对整个电力系统的统一控制和管理。包括系统电力自动调配、低压联络投切控制、UPS系统控制等，是对数据中心电力系统的综合控制管理。

电力系统可靠性保障系统控制主机及控制线路2N冗余配置，控制器采用工控级双活控制系统，保证控制系统可靠，无单点故障。

电力系统可靠性保障系统能够使系统产生外部故障及内部故障时，能够根据情况对电力系统自动做出响应和处理，减轻运维人员的工作强度和工作压力，减少人为因素的影响，使得系统动作快速准确，为系统供电连续性提供可靠的保障。

特别是对于AA级数据中心要求系统达到容错要求，即要求故障自动响应、自动排除，电力可靠性保障系统更是必不可少的选择。

6.电力系统架构设计

银行数据中心都具有较高的可靠性要求，且电气设备占投资的比例很大。如何找到一个安全可靠且经济合理的配电系统构架，就成为数据中心建设最为迫切需要解决的问题。

A级银行数据中心要求配电系统可满足在线维护的要求，AA级需要达到容错要求，这些要求在一般工业与民用建筑中是罕见的。因此，这些级别的机房配电系统构架就有别于传统配电系统。

上面对数据中心变配电系统中的电源、电气主接线、配电方式等问题做了阐述，下面就针对银行业常用的A级及AA级机房，介绍几个应用较为成熟的电力系统构架，供读者参考选用。

（1）2N冗余系统 所谓2N冗余系统，简单地说就是由两套相互独立的配电系统，同时为IT负载供电的配电系统，其中一套配置的N，可以满足全部IT负载的供电需求，如图4⁃24所示。一般系统采用热备方式，即平时两套系统同时工作，通过IT电源模块负载均衡，使两套系统各自负担1/2的负载，当其中一套需要检修或出现故障时，由另一套承担全部负载。该系统变压器、UPS等容量设备、配电设备、线路都按照2N配置。

优点：两系统独立或相对独立，系统控制简单，运行维护相对简单，可靠性高。

图4⁃24 2N冗余系统示意图

缺点：2N配置，系统造价高。

另外，由于银行业的特殊性，可以考虑设置差异化的2N冗余系统，其优点是可靠性要高于普通2N冗余系统。

（2）分配冗余系统 系统配置如图4⁃25所示，两个配电列头柜的电源，来自不同的上级配电系统。平时系统运行采用热备方式，当其中一组变压器及UPS短时间退出工作时，由另外两组承担全部的负载。

图4⁃25 分配冗余系统示意图

优点：配电系统配置少，系统相对简单。

缺点：运行维护较2N冗余系统复杂；系统相对大，且相互联系性强，分期建设不灵活。

（3）模块冗余系统 系统配置如图4⁃26所示，每组IT负载由专用组配电设备（UPS和变压器配电组）和公用备份组配电设备，通过STS（StaticTransferSwitch，静态转换开关）共同供电。任何一个专用组配电设备退出工作时，STS快速转换为由公用备份组供电。

图4⁃26 模块冗余系统示意图

优点：配电系统配置相对少。

缺点：系统复杂，需要配置大量STS设备，增加了系统的复杂性。运行维护难度相对大。

（4）设备冗余可维护系统 设备冗余可维护系统如图4⁃27所示。此系统最大的特点就是变压器、UPS等主要设备冗余，并可通过开关转换实现有计划的在线维护。

图4⁃27 设备冗余可维护系统

优点：系统简单，设备数量少。

缺点：虽然主要设备冗余，但系统仍存在单点故障，只能进行有计划的在线维护。

上述4种配电系统构架的比较分析见表4⁃3。

表4⁃3 配电系统构架的比较分析