在为数据中心设计电力和电气系统时，工程师必须考虑许多因素。

学习目标

· 了解主机托管设施电气设计中的关键设计因素。

· 了解服务水平协议(SLA)在主机托管设施设计中的作用。

· 了解标准数据中心和主机托管电气系统拓扑结构以及选择它们的原因。

提供连续、高质量的电力是托管数据中心所有者最重要的义务之一。电气工程师在为这些协同定位设施设计电力/电气系统时必须考虑许多因素。必须考虑备份、备用和应急电源系统等问题。托管设施略有不同，因为它们可能具有计量/分计量电力系统或基于占用测量的电力。

托管数据中心是将数据中心机架空间出租给需要安全可靠数据中心空间的公司的设施。它们为公司提供安全的计算空间，以便他们可以将时间花在核心业务上，而不是运营数据中心。共址建筑业主的商业模式要求他们推动设计的极限，去除不必要的组件，提高效率，并优先考虑设计决策以满足合同条款。主机托管业主的设计工程师必须了解这些驱动因素，并设计一个支持主机托管业务模型的系统。

图1：使用标准初级过流保护方案难以检测变压器次级故障。由于托管设施的可靠性要求，应在设计中解决这一问题。

项目经济学

主机托管业务竞争激烈，建造新主机托管设施的决定在很大程度上取决于建造和运营成本与主机托管所有者可以向其客户收取多少费用。因此，托管业主知道项目需要花费多少才能实现投资回报(ROI)，以及每千瓦信息技术(IT)空间可以使用多少土地等。

在开始设计之前，找出满足成本指标的关键满意度条件。要回答的问题包括：

·  主机托管的关键财务绩效指标是什么？即，它们的运营成本、首次成本等是否低？

·  业主是否与特定供应商签订了采购协议，您可以将其用作设计基础，还是设计需要与供应商无关？谨防使用技术作为设计基础，使只有一个投标人符合设计。

· 网站大小是多少？这将决定未来的扩展计划，并有助于为现场公用事业建立“禁飞”区。

· 站点位置是什么？这将在很大程度上决定机械冷却方法，这将占非IT负载的大部分。

· 谁是其他租户，他们在总权力中的份额是多少？

· 决定此站点选择的关键成本驱动因素是什么？它们是否包括：

· 电力成本？如果气候需要，低电力成本可能允许使用效率较低的冷却方法。

· 土地成本？如果土地成本很高，这可能会推动采用压缩庭院空间的多层设计。

· 现场人工成本？如果现场人工成本很高，这可能会促使人们决定使用模块化数据中心或模块化预制设备，这些设备在现场装运前大量组装。

· 需要特定通电日期的税收优惠？

· 维护成本和零件可用性？

规范和标准

系统设计人员确定适用于大多数协同定位设计的规范和标准至关重要。直接适用于托管设计的规范和标准包括：

· 当地批准的建筑规范，例如国际建筑规范(IBC)。

· NFPA70：国家电气规范(NEC)。NEC的许多部分将适用于主机托管安装，其中最重要的是第445条（发电机）、第645条（信息技术设备）、第646条（模块化数据中心）、第700条（应急系统）、第701条（法律要求的备用设备）系统）、702（可选备用系统）和705（互连电力生产源）。

· NFPA70E：工作场所电气安全标准。

· NFPA110：应急和备用电力系统标准（取决于发电机的使用）。

关键任务安装：

· UptimeInstitute分类。

· 电信行业协会(TIA)942：数据中心的电信基础设施标准。

· ASHRAE90.4：数据中心能源标准。

服务级别协议(SLA)

在确定主机托管的计划要求时，第一步是了解主机托管所有者的SLA条款。SLA将定义主机托管所有者与其客户之间的合同条款，并将包括将直接影响设计的项目和指标。SLA可能包括以下项目：

· 温度/湿度水平，包括变化、上升率、每年允许的短途旅行。

· 电压服务于机架。

· 组件冗余。

· 可靠性/可用性指标。

· 每年的计划停电时间。

· 每年计划外停机时间。

· 停电响应时间。

· 物理安全。

· 网站安全。

· 可用的网络和网络提供商。

· 功率因数和总谐波失真(THD)。

· 站点支持时间和支持级别。

· 计量位置和计费方法。

· 认证和分类（UptimeInstitute或其他）。

显然，允许每年没有计划中断时间的SLA将导致与设计完全不同的设计。同样，如果SLA详细说明将在何处安装电力监控以进行计费，它将直接影响仪表、电流互感器和电压互感器的位置。了解主机托管所有者与其客户之间的关键合同指标将有助于做出正确的设计决策。

IT负载

通常在设计阶段，托管业主不会有客户签订该空间的合同。在没有明确的客户要求的情况下设计主机托管空间时，确定并记录以下IT负载假设：

· IT负载是双线还是单线？

· 机架需要什么电压？不久前，大多数机架使用208/120Vac配电。然而，415/240Vac越来越多地分配到机架中。

· 设计中是否需要通往未来机架的路径？

· 每个机架或行是否有假设的千瓦数？

· 是否有电气密度更高的机柜/机架？

· 每排多少个机架？

· 机架内冷却解决方案是否需要电源（容纳额外的电源，一些可能在不间断电源或UPS上）？

这些答案将有助于确定从UPS到数据中心空间的配电规模和数量。

暖通空调/机械系统设计

HVAC系统设计超出了本文的范围；然而，一般规则是电气系统设计必须支持机械系统的冗余要求。如果机械系统设计为可同时维护，那么通常支持它的电气系统也是如此。

机械系统可以从关键系统或设计用于服务整个协同定位设施的集中系统馈送。无论使用哪种方法，都需要对机械设计和相关的支持电气设计进行仔细分析，以确保为协同定位提供所需的冗余级别。

安全

虽然开发安全设计肯定需要考虑许多设计因素，但对于电气设计师而言，提前预测电弧闪光缓解至关重要。设计尽可能消除带电功的系统至关重要，并且在不可能的情况下，减少入射能量。

有关消除带电工作，请参阅本文中标题为“冗余要求和拓扑”的部分。电弧闪光研究的经验表明，高入射电弧能量最常见的区域是次级变压器和次级开关设备的相关线路侧，如图1所示。

初级侧过流保护很少能足够快地检测到次级故障以显着降低电弧闪光入射能量。为了缓解这种情况，请确保指定能够减轻或消除弧闪危险的设备。推荐的方法包括：

· 提供变压器断开装置，允许一次对单个变压器断电。这将增加变压器在维护期间断电的可能性。

· 在变压器上集成差分继电器。这将需要在变压器的初级和次级侧安装电流互感器。

· 安装红外(IR)窗口或连续热监测，以避免在对变压器和开关设备终端进行热扫描时暴露在通电的变压器次级。

· 在变压器处使用高电阻接地(HRG)以减少单相故障传播为三相故障的可能性。

· 使用与上游断路器相连的光学传感器来启动断路器的跳闸。

· 避免使用开关/熔断器结构作为初级侧故障中断的唯一手段。使用断路器或真空故障断路器将允许从二次故障更早地启动一次侧跳闸。

网站开发

大多数主机托管设施是大型校园开发项目的一部分，其中将包括几个单独的主机托管。如果这是一个新的站点开发，那么需要解决几个基本问题：

· 是否需要新的变电站？如果是这样，它是否会由客户或服务公用事业公司购买、建造或拥有？

· 客户是否会接受来自公用事业公司的输电或配电电压的服务？

· 什么是供电电压？由于更高电压下的AIS所需的空间，更高的服务电压（例如34.5kV）将使空气绝缘开关设备(AIS)等技术的吸引力降低。

· 最初的扩建和最终的未来校园的预计负荷是多少？这将影响变电站设计以及中压系统中组件的尺寸。例如，如果第1天和最终扩建需求均为66MVA，那么今天很可能会在2+1配置中安装三(3)个33MVA。但是，如果第1天的负载为10MVA，并且在遥远的将来最终扩建到66MVA，那么今天可能会以1+1配置安装两个12-MVA变压器，然后随着设施的扩展进行升级。

· 您正在设计的站点和数据中心需要多少个“与我见面的房间”(MMR)？MMR是多个电信运营商向同一地点提供服务的房间。MMR经常需要一个独立于数据中心配电的配电系统。

中压设备类型和拓扑

本节假设输电层的变电站归公用事业公司所有，或者将由专门从事此类设计的公司设计。不同的主机托管运营商有各种各样的中压拓扑，但它们通常是两种关键类型的变体。

回路系统：回路系统，如图2所示，经济实惠，减少了位于服务处的开关设备部分的总数，并减少了从服务开关设备到数据中心的馈线数量。这种类型的系统通常在变压器上采用开关熔断器结构，以实现回路分段。

回路系统减少了断路器数量并减少了中压馈线的数量。该系统的缺点包括：

· 操作人员切换更复杂。

· 如果使用开关并且需要自动化，则需要带有电机操作器的开关来提供自动切换。

· 在较高电压下，负载断路开关在需要维修之前允许的操作次数非常少（有关更多详细信息，请参阅IEEE标准C37.20.4-2013）。

· 如前所述，在使用开关/熔断器结构时减少变压器次级的电弧闪光可能很困难。

带连接线的径向馈线：为了避免回路系统的一些缺点，许多业主选择使用带连接线的径向系统，如图3所示。电力将通过平局维持。这消除了中压开关设备下游复杂开关的需要，并允许减少变压器次级侧的电弧闪光能量。缺点包括：

· 由于中压断路器和馈线数量的增加，更高的初始成本。

· 变压器的次级侧需要更复杂的开关，以完全停止使用中压开关设备。

发电机

发电机组是协同定位运行的关键。发电机组对于任何数据中心的运行都非常重要，以至于UptimeInstitute将发电机组视为主要的电力来源，而公用事业则是经济备份。生成器选择本身是一个单独的主题；有关更多信息，请参阅在高性能建筑中设计备用、备用和应急电源。

确定数据中心发电机组的关键因素是：

· 额定值：发电机有备用、主要或连续额定值。主机托管运营商通常选择备用发电机，它可以产生铭牌额定输出，但24小时的平均功率输出有限，或者选择连续额定发电机，它可以在没有运行时间限制的情况下为恒定的铭牌负载供电。

· 发电机配置：单发电机系统设计最简单，通常比必须并行运行的发电机具有更短的交付周期。并联发电机系统通常用于使用中压发电机或希望使用大型发电机组以避免在单发电机装置中搁浅发电机容量时使用。有关更多信息，请参阅并行发电机系统（LeslieFernandez，2016年）。

· 是否有关键负载发电机用于服务紧急（NEC第700条）或法律要求的备用（NEC第701条）负载。如果是这样，此安装将有许多代码要求，这可能会使发电机安装复杂化。避免将这些负载置于关键任务发电机上是一个好主意。

不间断电源

UPS技术及其应用发生了显着变化，主机托管运营商推动了这一变化。过去的UPS具有更持久的电池（10到15分钟），并具有千瓦和kVA额定值（通常为0.9功率因数）、低于铭牌额定值的较低效率、更小的框架尺寸和内置变压器。大多数主机托管运营商现在使用较小的UPS电池（2到5分钟），并且系统的额定功率因数为单位或正在探索其他技术，例如旋转UPS。

此外，由于大多数UPS的负载为40%至66%，托管运营商正在推动供应商在部分负载条件下提供更高效的系统。最后，经常与UPS一起供电的变压器现在被下推到配电单元(PDU)。

数据单元

PDU通常是用于在数据中心提供配电的电气设备。它们包括用于降低数据中心机架电压的变压器、用于向机架或远程电源面板(RPP)配电的次级断路器以及计量。与UPS一样，PDU的负载通常低于其铭牌额定值，因此主机托管业主推动了PDU变压器部分负载效率的改进。与UPS一样，PDU尺寸也有所增加。过去，PDU通常为225或300kVA，但现在通常为600kVA或更大。

测光

托管设施将具有广泛的计量——通常比标准数据中心更多的计量或更精确的计量。计量的范围在很大程度上取决于SLA的要求，但至少，该设施将在以下位置提供计量：

· 公用事业的所有服务点。

· 位于变压器二次侧的开关柜。这些将捕获从服务到变压器次级的线路和变电损耗。

· 机械负载和房屋负载的连接点。

· UPS输入和输出板。

· PDU的输出。

除上述之外，根据系统的配置，可能需要额外的计量。所需的其他位置可能包括：

· 远程电源面板。

· 发电机输出板。

冗余要求和拓扑

SLA很可能会定义设计所需的冗余级别。两种最常见的冗余要求是：

· 可同时维护：可以对电力和冷却系统进行计划维护，而不会损失关键负载或关键负载的冷却能力损失。

· 容错：可以在不损失关键负载或关键负载的冷却能力的情况下发生单个计划外事件。请注意，维护期间发生的计划外事件可能会导致关键负载丢失。

避免将这些与UptimeInstitute级别或TIA942级别混淆非常重要。完全有可能拥有一个不满足UptimeInstituteTierIII或TIALevel3要求的可并发维护的系统。避免使用诸如“Tier3compatible”之类的简写术语；它们会导致混淆并且没有技术定义。

与冗余要求密切相关的是电气拓扑。最常用的两种类型是分布式冗余和保留“捕手”方案，分别参见图4和图5。

在分布式冗余系统中，关键负载在系统之间几乎平均分配。当一个系统出现故障时，它所支持的负载会转移到其余系统上。请注意，图4仅显示了两个变压器发电机对，但它是基于静态转换开关故障转换的4+1系统。这种拓扑的主要优点是设备在正常运行条件下使用率很高，当一个系统出现故障时，负载转移到多个系统。

例如，假设图4中的系统满载，所有五个系统的典型负载将为80%。然而，分布式冗余系统一旦安装就很难扩展，并且需要操作人员仔细跟踪负载。在分布式冗余系统上分配负载很容易，其中整个系统都正确加载，但单个系统故障可能导致系统中的一个点过载。

为了克服分布式冗余系统的不足，许多主机托管业主采用了某种形式的捕手系统，如图5所示。在该系统中，备用系统正常卸载并等待接受来自任何单个故障的负载系统。为简单起见，图5中的系统是2+1系统，但许多co-location运营商正在将N增加到6或更高；即，6+1以最大限度地利用他们的设备。在捕集系统中增加N的值相对容易；即从4+1系统扩展到5+1。唯一需要的附加设备是足够的备用断路器和变压器、发电机和低压配电。

随着新技术进入市场，以及主机托管供应商努力削减设计中的多余设备以降低成本结构，主机托管设施的设计正在迅速变化。几年前还被认为是标准的设计随着市场的变化而不断发展。设计将继续变化，但了解完成基本协同定位设计所需的基本设计原则将使设计工程师能够适应市场。

电源使用效率(PUE)仍未在所有客户端和数据中心中统一应用和引用。如果您获得了PUE编号，请要求向您解释计算方法。如需帮助理解此指标，请参阅GreenGrid的白皮书#49，PUE：指标的全面检查。

目标电源使用效率(PUE)

PUE是共址处消耗的总能量与提供给服务器（包括电源调节）的能量之比。在理想情况下，主机托管的PUE为1.0，即100%的电力将用于为IT负载供电。了解为设施预测的峰值和平均PUE对确定最终的中低压设计至关重要。客户将为您提供IT负载，因此大部分剩余负载将位于机械系统中。

对于托管设施，PUE的计算可能很复杂，并且将决定计量的位置。特别是，客户之间共享的UPS、冷却和其他设施系统使计量和计算变得复杂。许多系统可能需要分计量。PUE被主机托管的所有者和客户用作衡量标准，因此在设计之初就询问将在哪里测量PUE以及如何报告它是很重要的。

一些主机托管所有者会同时提及峰值和平均PUE数，但如果可能，请避免使用这些术语而仅使用PUE。请注意，系统的大小必须符合“峰值PUE”，因此平均PUE的讨论主要是营销语言。如果全年使用相同的机械冷却方法，这两个数字可能非常接近。但是，如果气候允许一年中的大部分时间自由冷却，但在高温高湿时期依靠其他冷却方法，则平均值可能会大大低于峰值。PUE值差异很大，在某些位置从接近1.1到1.8不等。主机托管PUE通常低于自营数据中心的PUE。