数据中心设计

汇报内容contents

数据中心定位

数据中心设计理念

数据中心设计实例

数据中心定位

需求评估与定位

规划设计阶段

土建阶段管理运维

阶段

优化调整阶段

设备安装阶段

提出数据中心的目标与建设需求

确定数据中心的定位与建设标准

先进技术与国内实际的有效结合

过往工程经验及教训

合理的机房工艺

适用的建筑及可信度高的机电、制冷、机架及网络设计

外电源等的引入

机房土建及装修

落到实处的工艺设计

供配电、制冷、消防、安防、UPS等

机架安装、综合布线、网络设备、监控系统

完善的管理制度和严格的执行措施

由专职运维团队完成

发现问题

动态优化调整

数据中心规划设计闭环

GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》

TIA942-2005 《数据中心的通信基础设施标准》

YD/T5003-2005《电信专用房屋设计规范》

BICSI 002–2010 《Data Center Design and

Implementation Best Practices（数据中心设计与实施的最佳实践）》

数据中心主要规范

GB50174可靠性、可用性要求

GB50174可靠性、可用性要求

GB50174可靠性、可用性要求

TIA-942 数据中心分级标准

类别 Tier 1 TierII Tier Ⅲ Tier Ⅳ

建造类型 承租 承租 自有 自有

值班 没有值班 1名轮班 1名值班+轮班 24小时值班

可得到的通路数量 只有一路 只有一路 主活被动各一路 二路主活

冗余 实际量 实际量+一路 实际量+一路双系统或二路(实际

量+一路)

区域划分 无 无 无 有

同时可维修性 不能 不能 能 能

对最坏的事件的容错 无 无 无 有

关键的负荷可用度 N的100％ N的100％ N的90％ N的90％

初始用电总量（千瓦／每架） 1kW 2kW 3kW 4kW

最终用电总量（千瓦／每架） 1kW 2kW 3-5kW 大于5kW

连续冷却 没有 没有 或许 是的

场地活动地板的比率 20% 30% 80％-90％ 100%

活动地板的高度(cm) 30cm 45cm 75-90cm 75-90cm

地板荷载㎏／㎡ 380 450 700 700

单点故障 很多+人为错误 很多+人为错误 很少+人为错误 一个没有+人为错误

每年场地引起的IT停机(实际值) 28.8小时 22.0小时 1.6小时 0.8小时

场地的可用性 99.67% 99.75% 99.98% 100.00%

实现累计月份数 3 3-6 15-20 15-20

TIA942可靠性、可用性要求

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数据中心定位

数据中心设计理念

数据中心设计实例

数据中心设计理念

网络关键物理基础设施 NCPI

创新工艺设计理念

智能综合管理

建筑模组化设计

高可信度设计

节能新技术应用数据中心设计

数据中心设计理念

工艺设计理念 Design Concept

数据中心的目标与限制

目标客户

设计标准

建设规模

10kV外电源引入

供电容量限制

供电距离限制

局房前期规划、可研阶段

确定机房用电需求

确定机房功能及使用面积

确定机房空调系统制冷方式

根据用电需求合理确定报装方案，落实局房所在地区供电能力

加强供电方案及外电源引入可研的审查

供电方案中的不合理项

外电缆规格、敷设方式（隧道、直埋、排管）及载流量

电缆管道费用分摊、计量方式等

外电源引入

《国网业扩供电方案编制导则》相关规定

10kV外电源引入

一般每路CT为600:5

采用2根240电缆并联或单根400电缆为宜

单一客户变压器总容量应限制在20000kVA以下

最多安装6～8台2500kVA变压器（视变压器负荷率不同）

IDC、大型通信楼

要求电力公司采用多路10kV引入

能分阶段逐步实施

总体投资较建设110kV变电站更为节省

满足电信行业相关规范要求，不需对选址问题进行丏题论证

必要时争取每路CT调整为1000:5

北京地区10kV外电源引入

供电可靠性要求中压应有足够的联络容量，正常时开环运行，异常时能转移负荷

任何一路线路检修或故障停运时，应能倒闸操作，通过其他线路继续向非检修或故障段供电

任何一个馈电开关检修或故障停运时，应能倒闸操作，通过其他线路继续供电

变电站一段母线检修或故障停运时，应能使其馈出的负荷通过配电网转移，继续供电

20kV电压的可能性中压配电标准电压采用10kV（20kV)

在城市新建高负荷密度区、经济开发区等相对独立区域可使用20kV电压等级供电方式

20kV配电网优势供电能力成倍增加

建设投资远小于35kV、110kV配电网，设备价格为10kV的1.1～1.4倍

运行费用相当，线损率低，节约土地，电费较低

外电源引入的思考

数据中心基础设施设计关键

可用性Availability

应具备高安全性

功率密度Power Density

绿色节能Energy Saving

成本Cost

基础设施设计关键

确定适合市场需求的可用性

适当的功率密度

贯穿整个设计，适当的PUE指标

投资成本CAPEX

运营成本OPEX

数据中心供电系统可信度

可靠性Reliability

应具备高安全性

可维护性Maintainability

可用性Availability

安全性Safety

供电系统可信度

系统实现所需功能的概率

在规定的时间内

完成维护或修复的概率

在给定的条件下、给定的时刻

系统实现所需功能的概率

发生某个局部失效时限制系统发生严重后果的概率

与风险意识相联系；取决于配置方案

数据中心供电系统框图

应具备高安全性

用户需求 负荷大小 系统近期及终期负荷需求 负载的重要程度 负载对配电系统的要求等 对供电条件、机房情况等进行详细的勘察

负荷分类 A类为双电源输入负荷 B类为单电源关键负荷 C类为单电源负荷 三电源负荷可视为A类及B类负荷的组合

系统构成 UPS系统的交流输入部分 UPS系统本身 UPS系统的输出配电部分

要提高UPS供电系统的可用性

需要对系统内的各个环节的设计方案进行优化，尽量减少、消除单点瓶颈

UPS系统构成

局站交流市电应稳定可靠 一类或二类市电 双路市电，后备油机，可手动或自动切换

单路输入 即UPS设备的整流器输入和旁路输入共用1路进线 在UPS系统采用双系统时，可以考虑采取这种方法获得经济性

双路输入 即UPS设备的整流器输入和旁路输入分别使用1路进线或通过ATS

供电 避免单路输入的故障隐患，确保旁路电源可靠

对于N+1冗余的单UPS系统，为提高其可用性，在工程投资允许的前提下应优先考虑采用双路输入 注意ATS、特别是自动转换控制部分的可靠性 不同类型的ATS的选择

UPS系统输入

发电

机组

CB1

MLVS

主低压开关柜

CB2

UPS1 UPS2

SineWaveSineWave

中压低压

变压器

主交流输入

旁路交流输入

中压/低压变压器

Sn, Un, Uscx %(短路电压)

断路器

In (额定电流)、使用分断能力、Ir(过流整定)、Im(短路整定)、Inst(瞬时整定的整定)、脱扣装置的类型

电缆或母线

长度、截面积、压降

母线类型及安装

公共的或分离的主交流输入和旁路交流输入

滤波器

Sn, Un, Qn (对发电机组非常重要)、THDI、功率因数、洁净(PFC)整流器(避免使用滤波器)

发电机组

Sn, Un,

X"d = (亚瞬态电抗，

计算电压失真度)

X'd = (瞬态电抗，

计算短路电流)

在主低压柜母排上

允许的 THDU (总电

压谐波失真度)

变压器

Sn, Un, Uscx % (短路电压)

UPS系统输入

电信行业 一类市电：从两个稳定可靠的独立电源各自引入一路供电线。该两

路不应同时出现检修停电 二类市电：允许有计划检修停电，由两个以上独立电源构成稳定可

靠的环形网上引入一路供电线；由一个稳定可靠的独立电源或从稳定可靠的输电线路上引入一路供电线

国家规范 一级负荷：应由双重电源供电，当一电源发生故障时，另一电源不

应同时受到损坏 特别重要负荷：尚应增设应急电源 二级负荷：供电系统宜由两回线路供电；在负荷较小或地区供电条

件困难时，可由一回6kV及以上专用的架空线路供电

市电输入类别

北京市电力公司特级客户

电源应来自不同的变电站馈出的双路或多路电源，且以上不同变电站上级电源应来自不同方向的220kV变电站，不得串接其它客户

必须配置自备应急电源

一级客户一般由不同变电站或同一变电站不同母线出线的双路电源供电，不串接其他级别的客户

必须配置自备应急电源

二级客户一般由变电站不同母线出线的双路电源供电，可由不同变电站馈出的双路或多路电源供电

可串接同级别客户，一般不宜超过5个应配置自备应急电源

普通客户采用适宜的供电方式

市电输入类别

单总线 对应于单套UPS系统 所有负载均从单套UPS的输出汇流母线并联引接单路输入

双总线冗余 由物理上完全独立的2套UPS系统的输出汇流母线并联引接，向同

一负载供电 在一路供电中断或故障时，另外一路仍然能够保证负载正常运行 既是UPS系统本身的冗余配置（2套物理上完全独立） 又是UPS输出配电上的冗余配置 此大大提高了UPS供电系统的可用性 投资是原有单总线系统的2倍以上。

要提高UPS供电系统的可用性，必须提高UPS到负载设备之间的配电环节的可用性

随着双电源设备的不断增加，双总线冗余系统越来越显示出巨大的优势

UPS系统输出

工业过程处理

CB3

SineWave

PMM

同步

电信、数据中心

UPS1 UPS2

负载

Sn, Un, kIn (启动电流)、PF (功率因数)、cos φ1 (基波电流的相移功率因数)、谐波频谱(IHn, φn)：IHn = n次谐波电流, φn = 第n次谐波的相移

断路器(CB3)

In (额定电流)、Ics (分断能力)、脱扣装置的类型、Ir、Im和Inst的设置

电缆

长度, 截面积, CB3和负载之间的电缆安装方法

静态切换开关(STS)

Un、In、3相或3相＋中线、接地系统、技术拓扑、切换时间

输出隔离变压器或三次谐波滤波器

电源管理模块(PMM)

In (总输入断路器或开关)、输出断路器数量及额定功率、输出断路器的类型：带漏电保护或标准型

UPS系统输出

双总线方案实例

UPS双总线冗余系统的一种变形 每套UPS系统最大承载关键电源功率为Pmax＝2P

整个系统的总UPS容量为9P,其最大可承载关键电源功率为2P*3=6P

大大节省了工程投资 配电比较复杂，不如双总线系统结构简单 适用于投资或电力机房面积有限的情况

分布式冗余方案

确定UPS供电系统的设计方案 确定负载的重要等级及其对配电系统的需求

从整个系统着手，消除单点故障 稳定可靠的外市电电源及有效的长时间后备柴油发电机组

冗余的双总线UPS供电系统

物理上完全独立的UPS系统

高可靠性的冗余的双总线UPS配电系统

在系统可用性及经济性之间找到适当的结合点

建议 精心设计UPS输入输出配电系统

保证从UPS系统直到末端设备机柜全程都可提供双路独立电源

在通信设备采购中，重要数据设备应具有双路电源

单机双总线系统及分布式冗余系统性价比高

UPS供电系统设计建议

负载总线同步控制器 用于调控两套UPS系统输出的同步状态 它与各台UPS进行通讯，保证各UPS的频率、相位一致 对UPS的输出电压幅值则没有影响 使用同步控制器一般应保证系统中的每台UPS的旁路电源均来自同一路市电

同步控制器作用： 市电频率严重异常，频率范围超限； 采用柴油发电机供电时由于频率波动导致UPS逆变器无法与旁路锁相，造成各UPS

逆变器输出相位差较大； 当市电中断，UPS电池放电时，各UPS启用自身晶振时钟造成各UPS逆变器输出相

位随机性漂移。

使用同步控制器对各UPS系统不会产生不利影响 只有在同步控制器故障、同时旁路又超限时，不同UPS系统才会失去同步 由于隔离的UPS系统之间互不干扰，因此其故障对UPS单机运行没有影响

同步控制器保证 转换开关在安全可靠地向负载供电的前提下 具备随时执行安全切换操作的工作条件 不会对负载及转换开关本身产生任何不利影响

负载总线同步控制器（LBS）

静态转换开关（STS） 不包含任何活动的机械部件， 由可控硅整流器(SCR)组成 应用于2路独立的冗余电源间的无间断切换 具有极高的切换速度，包括输入电源故障检测时间和SCR实际动作时间 整个切换过程可在4ms内完成

STS采用先断后合转换技术(Break Before Make) 保证两路电源在任何情况下不会出现并联运行的状态，防止造成事故扩大 MGE公司：Break before Make

SOCOMEC公司：without source overlap

CHLORIDE公司：Switching Break-Before-Making (No power source overlap)

静态转换开关(STS)

正常工作时 在主电源处于正常的电压范围内，负载一直连接于主电源 在主电源发生故障或电压超限时，负载自动切换到备用电源； 主电源恢复正常后，负载又自动切换到主电源

STS装有互锁的维修旁路开关 通过旁路开关不间断地切换到任一路输入电源，以便于用于维修 STS的输入、输出和旁路电源接线端子都可隔离，以便安全维护任何组件

影响STS切换时间最为重要的问题是两套UPS系统输出的相位 当输入电源同步时，切换可在4ms完成 若输入电源之间不同步，一般STS的切换将至少有10ms的延时

静态转换开关(STS)

STS不转换 当感应有冲击电流或者过

载，即使主电源电压超出正常范围

STS恢复到正常工作模式 负载电流恢复到正常值时

过流抑制模式自动复位

静态转换开关(STS)

机架式转换开关(ATS)可以在8～10ms内完成切换 采用继电器(一种由磁力控制开关闭合的机械开关)作为负载转换装置 由于继电器的限制，一般机架式转换开关容量不超过220V/16A，通常占用1U的安装空

间 与STS类似，它也具有监视两个输入电源的控制器，当控制器检测到主电源超出容限后

，将停止向继电器供电，此时弹簧将推动开关接通备用电源 由于机架式ATS的控制器不需要发出每秒数以百计的门极信号,因此与STS的控制器相比

要简单的多

对于同步控制器(LBS)的配置，不同的UPS设备厂家有不同的看法。有些厂家可以承诺在不同步状态下STS切换时间不超过10ms。

TIA-942“Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers”的附录的推荐性表格中，在Tier1和Tier2两个较低等级的机房不需要配置LBS，而在Tier3和Tier4两个较高等级的机房需要配置LBS

机架式转换开关(ATS)

机架式转换开关(ATS) 在负荷末端进行切换 最有利于确保关键设备的供电安全

可以安装在标准的通信机柜中，节省机房空间，便于有的放矢地随电信设备安装工程配套采购安装，不需要额外的电气布线。

STS 往往意味着过度规划以及较高的维护成本

应用情况 由于大型STS进行集中采购，100A/380V的STS的价格在10万元甚至更低 小型ATS没有纳入集中采购，属于分批少量订购，价格偏高 首选小型ATS

当机房内有大量的B类负载时，采用小型ATS的方案，其总投资较高

30~2000A，三相16A，单相规格

分布式负载机架式局部负载应用方向

与UPS相同基本型，超限保护保护电路

DSP控制器PLC控制器控制电路

可控硅切换继电器切换切换的功率器件

典型值：3ms

最大值：8ms

典型值：8ms

最大值：10ms

切换时间

STSATS

30~2000A，三相16A，单相规格

分布式负载机架式局部负载应用方向

与UPS相同基本型，超限保护保护电路

DSP控制器PLC控制器控制电路

可控硅切换继电器切换切换的功率器件

典型值：3ms

最大值：8ms

典型值：8ms

最大值：10ms

切换时间

STSATS

STS和ATS的比较

UPS精密配电柜

UPS精密配电柜——隔离变压器

专门为计算机负载设计，再生一个中性线

彻底解决TNS系统中负载末端的零地电压问题；

三角形 / 星型结构变压器可抵消3次、3n次电流谐波；

可接受的下游总电流谐波失真度：普通双绕组变压器：THDI<25%（100%线性+50%非线性）

K13变压器: THDI<50% （100%线性+100%非线性）

K20变压器：THDI<60% （100%线性+125%非线性）

数据中心等电位连接示意

应具备高安全性

1：装有电子负荷设备的金属外壳

2：混凝土地面上部

3：地面焊接钢筋网作为高频功能性等电位连接基准网

4：高频等电位跨接线（施工地面时预埋好），其长度应不大于0.5m

5：每台外壳应有两根不同长度（相差20％）的等电位跨接线，一根0.5m，另一根0.4m，并设于外壳的对角处

数据中心等电位连接示意

机房专用空调，架空活动地板下送风，建立冷、热气流通道，冷风送至列间冷通道，或送至带冷通道的定制机柜，热风由热通道或回风吊顶回至空调。

数据中心空调

应具备高安全性

根据机房的功率密度，配合机柜形式，选择不同空调方式、气流组织形式。

单机架运行功耗≤5kW

在机柜附近安装局部冷却设备（如Liebert.XD系统、RDHx背板冰水冷却 、列间送风等），消除局部热点。

数据中心空调

应具备高安全性

高功耗机柜（＞5kW）

Liebert.XD系统

（以制冷剂做为冷媒，机房内无空调水管。）

RDHx背板冰水冷却系统

（以冷却水做为冷媒，机房内有空调水管。）

节能效益：

当室外温度低于5℃时，可利用室外冷却塔直接对空调冷冻水进行降温，减少制冷机的运行时间。北京地区室外气温低于5℃的时间累计约为2400小时/年，因此每年有将近1/3的时间可不开制冷机。

数据中心空调－绿色节能

冷却塔供冷

制冷剂

风冷直接蒸发式机房专用空调

制冷剂

制冷剂

风冷冷凝器

制冷剂

风冷直接蒸发式机房专用空调

制冷剂

制冷剂

风冷冷凝器

制冷剂

风冷直接蒸发式机房专用空调

制冷剂

制冷剂

风冷冷凝器

冷却水循环泵冷冻水循环泵

冷冻机

冷冻水

冷却塔

冷冻水

冷却水

冷却水

板式换热器

冷却水

通冷冻水的机房专用空调

制冷剂

风冷直接蒸发式机房专用空调

制冷剂

制冷剂

风冷冷凝器

制冷剂

风冷直接蒸发式机房专用空调

制冷剂

制冷剂

风冷冷凝器

制冷剂

风冷直接蒸发式机房专用空调

制冷剂

制冷剂

风冷冷凝器

冷却水循环泵冷冻水循环泵

冷冻机

冷冻水

冷却塔

冷冻水

冷却水

冷却水

板式换热器

冷却水

通冷冻水的机房专用空调

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数据中心定位

数据中心设计理念

数据中心设计实例数据中心设计实例

案例1：润泽国际数据中心A-1

案例1：建筑模组化设计

优选4模组方案，对称布置，符合T4标准中安全、备份的理念

从建设方考虑，便于灵活经营（销售或出租）

从使用方考虑，各模组功能均好性强，可任意选用

每个模组约7500平米，体量适中,各模组交通组织便捷

模组之间通过连廊、中央大厅有机连接成一整体，做到有分有和，分和有序。

案例1：建筑模组化设计---首层(基础设施)

案例1：建筑模组化设计---二层(动态成长)

案例1：建筑模组化设计---标准层

案例1：高安全性设计---通信管道环形冗余

案例1：通信路由隔离冗余双路由

案例1：高安全性设计---供电多重保障

模组间油机互为备份

油库与加油站相结合，提高利用率

模组分层分区供电，动态成长

每模组独立双路10kV

隔离冗余双总线容错性高

深入负荷中心化繁为简

动态化

独立性

隔离性 综合化

互备性

供电特点

简单化

数据中心建设方案案例1：电源设备及路由隔离冗余

冷冻机1a

换热器1a

分水器1a

集水器1a

一模组

室内机

冷却塔1a

冷冻机1b

换热器1b

分水器1b

集水器1b

冷却塔1b

冷冻机2a

换热器2a

分水器2a

集水器2a

二模组

室内机

冷却塔2a

冷冻机2b

换热器2b

分水器2b

集水器2b

冷却塔2b

案例1：高安全性设计---制冷与空调保障

案例1：空调配置及路由组织---运行方式1

案例1：空调配置及路由组织---运行方式2

案例1：空调配置及路由组织---运行方式3

选择节能UPS

高效率，UPS系统效率>93% 高功率因数，UPS输入功率因数>0.93 低谐波，UPS电流谐波THDi<7%

降低供电系统损耗

配电系统深入负荷中心采用带电抗的电容补偿，提高功率因数，同时可在一定程度上抑制谐波电流

优化UPS供电方案

采用新型分布式冗余方案提高UPS负载率，使UPS效率得以提高节约机房面积

案例2：某运营商IDC机房－电源节能

400kVA

2+1

400KVA

2＋1

400KVA

2＋1

400KVA

2＋1

双电源负载1200 KVA

双电源负载1200 KVA

传统双总线方案：需配置12台400kVA的UPS

新型分布式冗余三总线方案：只需配置9台400kVA的UPS

分布式冗余三总线与双总线比较

9台UPS设备提供容量与原有12台相同，节约机房空间，降低工程造价

每套UPS系统负荷率由原来的40%提高到60%，使得系统效率提高3%～5%

案例2：某运营商IDC机房－电源节能

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