1.3.3机房供电系统
机房用电属于一级负荷，要有确切的保障措施。有些数据传输系统是不允许断电的，需UPS电源支持，否则，若发生断电事故，会使数据丢失造成重大经济损失。
一个完善的机房供配电系统是保证计算机设备、场地设备和辅助用电设备可靠运行的基本条件。高品质的机房供电系统体现在无断电故障、高容错;在不影响负载运行的情况下，可进行在线维护;有防雷、防火、防水等功能。机房供电设计包括负荷等级和额定容量的确定、电源的可靠性设计、防雷和接地技术措施等。
1.机房供电系统概述
依据《电子计算机场地通用规范》《低压配电设计规范》的规定，数据中心机房供电系统根据计算机的性能、用途和运行方式(联网与否)等情况，划分为A、B、C三级，说明见表1.2。
表1.2 数据机房供电系统
在数据机房建设系统工程中，较为重要且具有一定规模的机房，一般都按A级方案设计。
负荷等级和额定容量:
依据计算机的用途和性质以及负荷分级的规定，采取相应的供电技术。对于一级负荷采用一类供电，重要机房供电属于一级负荷，按一级负荷的供电要求必须保证两个以上独立的电源点供电，采用两条专用干线引进，两路独立电源在末端互投，建立不停电系统，而且要保证供电的质量;对于二级负荷采用二类供电，建立带备用的供电系统;对于三级负荷采用三类供电，按一般用户供电考虑。
机房用电系统要求提供的电源额定容量一般以以下两种方式给出:
(1)确定机房用电系统的总功率大小或机房用电系统的总电流。这是选取电力设备、总断路器、供电电缆、机房的总发热量以及精密空调时都必须考虑的问题。通常，供电总功率应留有不少于25%的余量。
(2)确定各机柜、分机、设备等所要求的工作电流。这对设计计算机房的配电柜、选取合适的传输导线和分路开关也是必需的。针对电气设备额定电流，在整定总断路器和分路开关时要注意电气设备的启动电流值。在进行方案设计时，以下经验数据可供估算时参考:
①UPS功率。主机房可按350～400 W/m2计算;照明用电可按15～20 W/m2计算。
②空调机电功率要根据机房制冷量考虑。主机房制冷量按400W/m2计算，辅助机房制冷量按300 W/m2计算，然后再根据电气设备不同的效率和换算系数确定空调系统用电负荷量。
电源的可靠性:
我国的低压供电系统采用的是三相四线制，相电压为220 V，线电压为380 V。计算机系统一般要求三相五线制，即3根相线、1根零线、1根地线。地线单独接地，不与零线共地。在同一个数据中心供电系统中，送给各部分负荷的电压可以有220 V和380 V。
重要数据中心机房的供电应采用双路电源末端自投，其配电柜(箱)需敷设专用线路。机房的双电源末端自投电源质量应按照A级标准进行设计和施工，即采用三相五线制和单相三线制，在稳态下应达到电压为380×(1±2%)V[220×(1±2%)V]、频率为(50±0.2)Hz、波形失真不大于5%、瞬时断电时间小于4ms，并且根据用电设备对供电的要求增加UPS不间断电源。
消防泵房、排烟设备机房、应急照明配电箱、专用空调等也应按双电源末端自投设计，其供电容量、配电柜(箱)的总开关载流量除满足现有用电之外，应留有余量，各柜(箱)也应留出一定数量的备用出线回路。火灾自动报警系统除主电源外，还应配备直流备用电源。火灾自动报警系统的主电源开关不应采用漏电保护。
安防系统的前端摄像机由安防专线集中供电。距离太远的亦可就近供电，但电源的通、断控制需由安防管理中心操作。当电压波动超出+5%～-10%时，设置稳压电源，其标称功率不得小于系统使用功率的1.5倍。
防雷和接地:
当系统采用联合接地时，接地极的接地电阻R≤19Ω;当采用单独接地时，R≤4Ω。在总配电室要做总等电位连接，各楼层的设备机房、楼层弱电间、楼层配电间的接地采用局部等电位连接。贯穿弱电竖井的接地干线应当是镀锌扁钢，截面尺寸不小于40mm×4mm，如果竖井内放置有源集线器(HUB)机柜，则弱电竖井的尺寸应适当加大，配AC(220 V，50 Hz)电源机房的重要设备和配电柜(箱)必须按GB 50057—1994(2000年版)《建筑物防雷设计规范》6.4条款的规定设计防雷击电磁脉冲的措施，并安装SPD电涌保护器，做好等电位连接。
2.机房常用的供电方式
(1)直接供电。将变电所送来的工频交流电直接送给计算机设备配电柜，然后再分配给计算机设备。直接供电方式具有设备少、投资运行费用低、供电简单、维修方便等优点;缺点是对电网质量要求高，容易受电网及负载变化的影响。一般来说，大、中城市的供电系统可以满足主机及外围设备对电网质量的要求，但设计时要注意避免机房附近有较大负载的启动、电磁干扰等情况。
(2)隔离供电。在交流进线后面加一个隔离变压器，然后再送给计算机。隔离变压器的一次侧和二次侧之间均加屏蔽层，并各引出一个抽头与一次侧、二次侧的零线连接，再经耦合电容接地，这对电网瞬变干扰有隔离和衰减的作用。
(3)交流稳压器供电。50 Hz的工频电源经交流稳压器后，再供计算机使用，可以衰减许多暂态冲击、幅度波动和电压脉冲，但无法纠正电源频率波动。
(4)发电机组供电。某些电网电压不稳定时或在特定环境下，需要外电网交流输入，经整流后驱动直流电机，再带动发电机产生交流输出。若电网停电，可利用蓄电池提供直流驱动，满足一段时间内不停电的需求。通过测速电机和惯性飞轮等装置调整输入/输出电流，使输出电压和频率不随电网的波动而变化。
(5)不间断电源——UPS供电。由于采用了脉宽调频技术、高效功率器件的成熟、微处理器的发展等因素，不间断电源已经成为计算机房供电的主要手段。不间断电源最大的特点在于其不间断性，而且能最大限度地提供稳定电压、隔离外电网的干扰。外电网一旦停电，UPS能在设备所允许的极短时间内(微秒至毫秒级)自动从备用能源经逆变器变换成电压、频率和相位都与原供电电源相同的电，继续向计算机供电。或者平时由逆变器供电，在逆变器发生故障时，由静态电子开关自动将计算机瞬时切换到外电网供电或切换到另一台与之并联的UPS上，实现不间断供电。UPS提供的电源具有较高的电压和频率稳定性，波形失真也较小，干扰更优于外电网，是数据中心计算机系统最理想的供电方式。几乎所有的重要计算机设备都采用UPS供电。
3.电源布置和设计
设计和施工必须充分了解并掌握供电对象。充分搜集机房设备和系统的资料才能做好电源布置和系统设计，从而合理地满足机房用电需要。
机房应设单独电源管理间，用符合防火要求的隔墙与弱电设备隔离，避免电源管理间的噪声、蓄电池酸碱液渗漏和电气火灾等事故传播到计算机设备机房内。计算机设备机房与电源管理间中间设单扇朝电源管理间方向开启的连通门，还可考虑设置玻璃观察视窗。电源管理间应做水泥地面，为了防潮、防湿，可砌高0.3～0.5 m的水泥平台搁置配电柜和UPS电源等。
(1)负荷统计。某机房根据服务器群、交换机、计算机主机、精密空调、各种动力、照明等负荷的统计计算，确定在电源室安装2台300 k V·A全数字型UPS，构成并联冗余系统;电池采用单台30min支持时间;配电柜10台;照明箱2台。
(2)系统构成。根据上述负荷分布状况，分别在楼内两个10 k V变电不同变压器的母线出线柜上，各引两路独立的380/220 V三相四线电源送至UPS配电间。其中两路为UPS配电系统的输入电源，总进线开关延时整定电流为800 A;另两路为空调供电电源。上述电源再由UPS配电间的输出柜将两路UPS电源和两路空调电源分别经两处电气竖井引至主机房配电室，再经相关输出柜配出，反馈给主机房的各终端用电设备和配电箱、照明箱等。
UPS系统的输入/输出配电柜(箱)电器元件均应为优质产品。配电柜(箱)中设置避雷设备和远程电量监控设备，以实现配电柜(箱)防浪涌、防雷击、过流保护，以及对总输入电压电流、频率进行远程监控等功能。
其中，UPS主供主机设备、网络设备、保安监控设备、大屏显示、音响、消防、应急照明等;市电主供空调设备、普通照明和给排风、维修插座、一般动力等。
在考虑到大楼低压配电室与机房UPS间的距离和用电容量后，UPS和机房精密空调、应急照明等还要考虑设置双路进线互投柜，增加供电的可靠性;动力配电柜(箱)为机房其他空调、新风及排气系统、维修插座等配电;照明配电箱为机房区和其他区普通照明配电。各相用电分配要尽量均衡。配电箱采用标准照明箱，暗装于机房区域的墙面上。
机房配电还应考虑系统的扩展、升级等可能性，并应预留备用容量。单相负荷应均匀地分配在三相线路上，并使三相负荷不平衡度小于20%。
4.动力供配电系统
由总配电柜馈出的动力供配电系统采用50 Hz交流电、380/220 V三相五线电源、TNS接地方式，零线和地线分开设置，且零、地线之间电压小于1 V。动力配电柜、照明配电箱采用放射式配电直接配至各用电设备。
机房内所有动力线缆必须设计钢制桥架、线槽或钢管敷设。由于精密空调的供电电流大、负载动态范围宽，为防止干扰，应考虑另选路径单独敷设电缆。
动力配电柜(箱)具有火警联动保护功能，出现火警时可与消防系统联动及时切断电源，关闭防烟防火阀，并且在值班室安装手动电源切断装置。动力柜、照明箱内的开关和主要元器件采用高质量产品，并设置有效的防雷措施。
有条件时，大型数据中心机房最好采用专用电力变压器供电。
5.UPS供配电系统
UPS是一种高质量、高可靠性的独立电源，是一种蓄电池静止型不间断供电装置。它由整流器、逆变器、交流静态开关和蓄电池组组成。平时，市电经整流器变为直流电对蓄电池浮充电，同时经逆变器输出高质量的交流净化电源供重要负载，使其不受市电的电压、频率、谐波干扰。当市电因故停电时，系统自动切换到蓄电池组，蓄电池放电，经逆变器对重要负荷供电。
UPS的不间断特性体现在其“同步切换”工作程序上，当市电与逆变器进行切换时，其控制系统会适时地检测市电的同步范围，在市电不超限时，逆变器实现“先通后断”的供电，从而保证了供电系统的“无间断切换”。
市场上的UPS产品，其容量规格大致有0.5 VA、0.65 VA、1 VA、2 VA、3 VA、4 VA、5 VA、6 VA、8 VA、10 VA、20 VA、40 VA、60 VA、80 VA、100 VA、120 VA、160 VA、200 VA、300 VA、400 VA、500 VA、600 VA、800 VA、1 000 k VA等，并已形成系列化产品。一般都经ISO 9001国际质量标准认证、UL安全标准及CE抗电磁干扰认证和标记。多数采用了PWM脉宽调频技术、PIGBT高效功率器件、微处理器主/从控制技术等，可双机或多机并联。具备电池测试维护、微机监控无人值守、可远程通信等功能;在机器构成上，元器件标准化、模块化、互换性好;有宽电压输入、高效率输出、过载能力强等优良性能。
UPS电源的工作方式根据用电设备对供电可靠性和连续性的要求，可分为单式、并联式、冗余式和并联冗余式等方式;根据用电设备对供电可靠性和管理方便的要求，也可分为分散式、集中式、分散与集中相结合3种方式。分散式UPS供电采用的设备容量都比较小，支持时间较短，适合用于一些办公区和控制室;集中式UPS供电适合一些要求支持时间较长和较大型的计算机网络机房等。应当根据需求来确定采用哪种UPS的供电方式和容量。集中设置的UPS电源容量的统计需由设计方与业主密切配合，并考虑所选UPS产品的转换效率。尤其是功率较大时，UPS转换效率非常重要，效率高就可节省初期投资和长期能源损耗的费用。
一般情况下，机房供电采用“市电+UPS后备电池”相结合的方式较多。正常情况下，市电通过UPS稳频稳压后给计算机设备供电，保证计算机设备的电能质量;当市电停电时，后备电池通过UPS逆变后给计算机设备供电，保证计算机设备的电源。市电与UPS后备电池间通过静电转换开关切换，确保计算机设备无瞬间断电。UPS供电为集中方式时，还应充分考虑UPS机房的设备布置、馈线的敷设、主机柜的散热和整个机房的降噪措施等;对于分散式UPS供电，分散在各处的UPS容量都很小，上述问题可不予考虑。但是，UPS电源都应引自双电源末端互投配电柜(箱)的出线回路，不能从普通插座接引。
UPS主电源应设计单独回路馈送，不得与空调使用同一回路。
6.配电设备的安装及线路敷设
在确定了机房设备布局的前提下，按照电气设备用途和设计图纸进行设备安装和线路敷设。
(1)设备安装。机房配电柜、UPS电源柜落地安装;照明配电箱底边距地1.4 m，墙上安装;根据机房内设备负荷容量和分布情况，机柜(箱)内元器件配置做到排列有序、安装牢固、理线整齐、接线正确、标志明显、外观良好、内外清洁;分设单相、三相回路，配用小型真空断路器，如C65N等线路保护开关;箱内设置辅助等电位接地母排;电源柜及其他电气装置的底座应与建筑楼地面牢靠固定;电气接线盒内无残留物，盖板整齐、严密、紧贴墙面;同类电气设备安装高度应一致;吊顶内电气装置应安装在便于维修处;特种电源配电装置有明显标志，并注明频率、电压;照明箱或开关面板安装在机房出、入口附近墙面的位置;分体空调插座设置在机房内墙面上距地1.8 m处。
主机房内应分别设置维修和测试用电源插座，两者应有明显的区别标志。测试用电源插座应由计算机主机电源系统供电，其他房间内应适当设置维修用电源插座。单相检修电源回路要在电源管理间各墙面距地0.3 m处设置检修电源插座，禁止使用2 kW以上大功率电感型电动工具。确需使用这类工具以及三相检修设备时，应使用施工移动式配电盘从机房所在楼层附近的动力或照明配电箱接取电源。
(2)线路敷设。供电距离尽量短，主要是从供电安全考虑，计算机电源间应靠近主机房设备。主机房内活动地板下部的低压配电线路应采用铜芯屏蔽导线或铜芯屏蔽电缆。机房内的电源线、信号线和通信线应分别敷设，排列整齐，捆扎固定，长度留有余量。从UPS电源配电柜(箱)引出的配电线路穿薄皮钢管或阻燃PVC管，沿机房活动地板下敷设至各排设备桌、机柜和配线架的背面，经带穿线孔的活动地板引上，穿管保护进入金属导轨式插座线槽、机柜或配线架。控制台或设备桌后的敷线用金属导轨式插座线槽并用螺栓固定，安装在设备桌背面距活动地板0.1～0.3 m处。
信号线缆在活动地板下从机柜、配线架至各设备，应采用金属线槽沿设备周围或主机房平面纵横布置敷设。
从设备背面的活动地板穿线孔引入设备(注意，不得与电源线路共用活动地板穿线孔，且间距大于0.1m)，避免信号线缆沿机房墙边敷设，以防与强电线管交叉。活动地板下部的电源线应尽可能远离计算机信号线，并避免并排敷设。当不能避免时，应采取相应的屏蔽措施。
桌上设备之间的信号连线是短线的(长度小于3m)应沿设备背部桌面明敷，但不得悬吊在设备桌背侧空中;是长线的(长度大于3 m)应从活动地板穿线孔翻下(上)穿薄皮钢管在活动地板下敷设。
机房照明负荷和普通空调负荷由电源管理间分别引出动力和照明回路供电。照明和空调负荷线路均沿吊顶内或墙面敷设，避免在弱电机房内活动地板下穿越。
(3)可靠接地。总配电柜、UPS电源柜、动力配电箱、照明配电箱的金属框架及基础型钢必须接地(PE)或接零(PEN)可靠。门和框架的接地端子间用编织裸铜线连接。柜、箱内配线整齐。照明配电箱内的漏电保护器的动作电流不大于30 mA，动作时间不大于0.1 s。接地(PE)或接零(PEN)支线必须单独与接地(PE)或接零(PEN)干线相连接，不得串联连接。
UPS电源柜输出端的中性线(N极)必须与接地干线连接，进行重复接地，对地电阻小于4Ω。
当灯具距地面高度小于2.4m时，灯具的可接近裸露导体必须接地(PE)或接零(PEN)可靠，并应有专用接地螺栓和标示。
外电源进线至机房电源管理间时，应将电缆的金属外皮与接地装置连接;从楼外引入的铠装信号电缆和屏蔽信号线，进入弱电机房前也应注意采取防雷击措施，避免沿建筑外墙或防雷引线引雷入室，否则将引起雷击和高频电磁干扰。同轴电缆的屏蔽层必须与机壳一起接地。
上述线缆进入机房后应设金属接线箱(盒)，并将线缆金属(屏蔽)外皮连接避雷器或浪涌电压抑制器(SPD)。然后与机房等电位接地母排，用截面积不小于16 mm2的铜芯绝缘线连通。这样可以有效地抑制线缆接收到的电磁干扰信号，从而保证信号传输的质量。从机房送出的信号线路应采用金属线槽沿墙并在吊顶内铺设，避免与其他电气管路平行紧贴。尽量避开空调、消防、暖气和给排水等管道，与它们的间距按相关规范执行。
金属电缆桥架及其支架和引入(或引出)的金属电缆导管必须接地(PE)或接零(PEN)可靠，且必须符合下列规定:
①金属电缆桥架及其支架全长应有不少于2处与接地(PE)或接零(PEN)干线相连接。②电缆桥架间连接板的两端跨接铜芯接地线，接地线最小允许截面积不小于6mm2。③接地(PE)或接零(PEN)线在插座间不串联。
工程实施中按上述做法可以较好地处理机房供电的可靠性和安全性，各种不同电压和频率的信号线缆敷设安全，相互隔离度好，整齐、美观，并方便维护管理。
(4)消防系统的要求。消防系统的设备动力电缆及控制电缆、电线应按规范要求选用耐火型电缆、电线。其他弱电系统所用电缆、电线均采用阻燃型。在设备选择及线路敷设时，应充分考虑电磁兼容问题。