数据中心供配电设计规程 [优化数据中心供配电系统设计]

很多中国用户在建设数据中心时，缺乏整体的规划，过分关注供配电系统的单一技术指标，而不注重整体的可靠性、安全性等指标的平衡，从而导致过多的能源损耗和谐波污染等。“用户在设计数据中心之初，就应该在充分了解数据中心整体应用和运营情况的前提下，提出有针对性的供配电解决方案，这样才能提高数据中心的效率，降低电力损耗。”西门子IT解决方案和服务集团数据中心解决方案部经理程应军表示。
各主要品牌的UPS在可靠性、整机效率、可 *** 控性以及监控等方面均有很大提高，输出电流谐波失真指标小于3%。因此大多数用户认为，购买好的UPS设备就能得到高可靠性，从而忽略了数据中心供配电系统可靠性的木桶效应。一些数据中心在设计供电系统时，虽然UPS采用双供电，但是空调却是单路供电。如果断电后，UPS仍在供电，而空调却停止工作，那么整个数据中心正常运作所能维持的时间将大大缩短。诸多类似问题表明，目前一些数据中心的供配电系统由于在建设之初缺乏整体设计，因此在实际应用过程中出现木桶效应的短板现象。也就是说，如果空调制冷的可靠性不高，即使UPS供电系统保持了高可靠性，也同样会造成数据中心整体效率的降低。
程应军表示，一套可持续发展、良好的数据中心供配电系统，是保证数据中心所有设备安全运行的重要条件。为保证计算和存储设备的供电安全，需要独立的配电系统、双源互投系统和UPS组成统一供电防线。
西门子北京数据中心一期占地面积超过490平米，拥有100个机柜和630台服务器，是一个融合数据中心、通信中心和供电中心功能的新型数据中心。西门子数据中心机柜配电模式采用了母线到机柜的形式。其中，母线槽为密集型系统，是一种典型的三明治结构，也是一种灵活可靠的配电系统。母线槽为密集型系统，具有稳定可靠，配电效能高，散热好，电压降低，耐机械冲击和安装简便等特点。此种形式的配电模式不仅大大提高了机柜配电分配的灵活性、扩展性，同时也大大增强了整个系统的可靠性和安全性。西门子北京数据中心配电断路器具备监控功能，不但可实现对整个电力系统的集中监控，便于维护管理人员准确快速地发现问题，而且可以对数据中心核心指标之一的PUE值（数据中心能源利用效率指标）进行实时测量，从而不断进行优化配置，实现能源利用的最大化。
在进行数据中心供配电系统设计时，要将故障容错、可维护性、可增容性、防止故障扩散和可管理性考虑在内。西门子北京数据中心的布局采用了分舱设计。该设计与船舶的船舱分舱技术的概念类似，可以提高整体系统的安全性和可靠性，无论任何一个区域出现任何火灾等异常情况，都不会殃及其他区域，从而最大程度地降低局部风险对整个系统的影响。
分舱式设计可以针对数据中心内不同区域的功能和设备的特点，进行分区温度控制，并可根据配电室、电池室、装配间、数据磁带备份室及IT主机房的不同要求控制不同的温、湿度，从而达到更佳的节能效果。

随着信息化应用的普及和深入，企业的运营、管理越来越依赖于信息系统的支撑。但是，大部分企业的信息系统载体――数据中心正在面临数据量急速膨胀、场地严重不足、运营成本高昂、能耗大、安全性差、业务连续能力低等一系列挑战。因此，构建新一代数据中心势在必行。
在即将到来的数据中心20时代，新一代数据中心将被赋予虚拟化、绿色节能、灵活性、高可用、高连续性、模块化、自动化等诸多优势。

一、传统数据中心的困惑

数据量的爆炸式增长以及信息化应用的不断深入，正在促使IT与业务的不断融合，同时也在促使传统的数据中心不断进行升级、改造。但是，即使扩容、改造后的数据中心，仍然无法跟上时代的步伐。传统的数据中心正在面临一场巨大的挑战，这些挑战主要来自以下几方面：

1、数据量急速膨胀

几年前，企业的数据量也就在几TB，但是随着信息化应用的不断深入，以及数据、应用系统的逐步大集中，几百TB、PB级数据量的企业正在逐步增多。而且，由于很多法规都要求业务数据保存周期要长达数年，甚至有些行业企业的业务数据需要保存几十年，庞大的数据量和未来增长需求使传统数据中心场地、设备面临非常大的压力。很多企业的数据中心场地中已经塞满服务器，但远远不能满足未来需求。

2　能耗压力

Gartner一项针对CIO的调查显示，70％的被访者认为。电力和制冷问题是其数据中心面临的最大问题。能源花费占IT预算的比例已经从8％激增到48％。在美国，3年的纯能源成本消耗已经等同于设备购置成本；在欧洲，3年的纯能源成本消耗甚至已经两倍于设备购置成本。
目前，国内数据中心的运营成本中，电费通常占到数据中心实际运营成本的70％以上，而在电费成本中，大部分是被无效的空调用电消耗的。在国外，数据中心的总用电量和IT用电量比值为18左右，国内一般为25，甚至达到3，高耗电量带来运营成本的急剧攀升。
2008年底，《数据中心决策2008采购库存调查研究》的结论显示，84％的受访者表示降低数据中心能耗将是CIO们优先考虑的问题：40％的受访者表示，他们所在的部门将为电力费用买单。

3、管理压力

目前，除金融、电信等行业外，其他行业的大部分企业的数据中心面积都在几百平方米，上千平方米的数据中心非常少，上万平方米的数据中心更是寥寥，而且大部分都是紧邻办公区域，对办公环境进行简单装修而成的。但为了保证这些小型数据中心的正常运行，企业同样需要配备发电机组、UPS、灭火器、精密空调设备、724小时运行、监控服务等，这种数据中心的运行成本非常高。
业内专家指出，如果数据中心面积只有几百平方米，那么每平方米的建设、运营成本可能高达数万元甚至更高：而如果数据中心面积达到上万平方米，则可以享受到规模效益带来的单位面积成本的大幅降低。
因此，从长远来看。企业将数据中心外包给专业数据中心服务提供商将是未来发展的必然趋势，专业化数据中心服务通过共享发电机组、UPS、灭火器、精密空调设备、运行服务人员等，可以帮助企业大幅降低在数据中心方面的投资，并且提高运营、服务质量。

4、高可用性压力

目前，有些企业的数据中心服务器虽然很多，但是利用率非常低，有观点甚至认为，传统数据中心服务器的平均使用率还不足30％。另外，对于大多数企业的数据中心来说。都无法根据业务部门需要做到快速、灵活、动态调配，因此，来自业务部门的压力以及数据中心本身的可用性压力与日俱增。

5、合规压力

传统数据中心大都基于1993年颁布的数据中心标准进行建设，但是，该标准早已不符合新的发展形势和需要。GDS万国数据高级副总裁何政指出，如果按照现在正在起草的新的数据中心标准衡量的话，国内90％以上的数据中心都不符合标准。
国际上比较公认的TIA／EIA-942标准将数据中心分为四个等级，即从最低级T1级基础性数据中心一直到最高的T4级容错数据中心，如果以该标准来衡量的话，国内大部分数据中心都处在T1级和T2级，电力保障、可用性非常低。

6、业务连续性压力

企业数据中心承载着大量的服务器、存储设备、应用系统和数据，而且，数据和业务、应用系统正在呈现集中化发展趋势。但目前除了金融、电信、航空行业外，其他大部分行业的企业在灾难恢复时间目标和灾难恢复点目标上并没有严格的规定。也没有进行必要的信息系统灾难恢复建设。即使在那些已经进行信息系统灾难恢复建设的企业当中，很多企业也都只做了同城的灾难备份，缺乏预防、应对大规模、大范围灾难的能力。并且，部分企业缺乏专项的应急演练和灾难恢复预案的变更、维护，无法真正反映信息系统和数据中心的灾难恢复能力。
如果遭遇地震、海啸、洪水、火灾、电力中断等突发灾难，这些企业的数据中心和信息系统能否快速恢复令人十分怀疑。

二、数据中心20时代的标志与趋势

对20时代的数据中心，业界虽然还没有一个很明确的划分界限和标准，但是从现有情况看，新一代数据中心与现有数据中心有着几方面差异：首先。现有的数据中心基本上是基于比较低的标准进行建设的，这跟过去标准制定偏低有一定关系。其次，原来企业往往把数据中心建设工作看成是一个装修工程。新一代数据中心则是把数据中心建设看成一个系统工程，而且主要是关于机电设施建设的系统工程。评判新建数据中心是否先进、优秀往往只看：它是不是有一个足够强壮的供电系统、制冷系统以及动态分配系统：是否节能、环保能否满足IT高可用性、高连续性、高灵活性要求：在IT不断飞速发展的今天，这些系统是不是具有一定的d性和自动化能力。这是我们评判现有数据中心和新一代专业化数据中心的主要区别。
从这些差异中，我们可以窥见20时代数据中心的主要发展趋势：

1、绿色环保
能耗是数据中心主要的运维成本。建设绿色数据中心。可以达到节省运维成本、提高数据中心容量、提高电源系统的可靠性以及可扩展的灵活性等效果。理想状态下。通过虚拟化、刀片服务器、水冷方式等多种降耗方式，在满足同等IT设备供电情况下，绿色数据中心可以降低空调能耗20-45％，同时增加IT设备容量达75％。
因此，绿色数据中心是新一代数据中心发展的重要方向之一。至于如何实现数据中心的绿色环保，从芯片、服务器、存储到网络设备厂商。甚至是软件厂商，都在通过更优化的设计，力图在提升产品性能的同时，推出更为节能的产品，以帮助企业数据中心实现节能降耗。

2、虚拟化和云计算
虚拟化是影响新一代数据中心发展的重要技术之 一。虚拟化的优势在于有效地提高了数据中心的利用效率，降低了投资成本，整合、优化了现有服务器的资源和性能，可以灵活、动态地满足业务发展的需要。虚拟化让数据中心所承载的基础设施资源可以像水、像电一样让企业随意取用。
另一个与虚拟化紧密相连的商业模式是云计算，云计算的核心就是虚拟化资源共享。因此，云计算对未来数据中心的发展模式影响非常大。
虚拟化、云计算作为一种新兴的技术和商业模式，由于都要面临颠覆传统IT应用理念的挑战。因此，还处于推广阶段。但两者带来的成本优势和效率优势却是显而易见的，而且，已经有不少企业开始勇尝“虚拟化”这只螃蟹。

3、整合
整合是现有数据中心时代，以及未来20时代数据中心领域都需关注的重要管理手段。企业可以通过重新设置服务器，提高服务器利用效率或者采用新型刀片服务器。提高数据中心单位密度利用效率等多种方式提高数据中心的利用效率。甚至，企业可以通过采用虚拟化技术以及关闭高能耗、低效率数据中心等手段整合数据中心资源。
实际上，已经有很多企业开始这么做了，比如：近期，某大型数据中心服务提供商就整合、精简了不少数据中心。

4、模块化
数据中心采用模块化方式构建将更灵活，更适应未来数据中心发展的需要。我们完全没有必要再将数据中心看成一个单一整体，我们可以将数据中心按应用、服务类型和资源耗费率将数据中心分成多个功能区域。各个功能区域在不影响其它区域运行的情况下，可以动态升级和维护。比如，按照密度可以分为高密度区和普通密度区。在高密度区。地板承重、冷却系统以及电源供给配置都更高，可以满足更高要求的数据中心服务需求。当然，还有很多其他分类方式，比如按照应用类型，可以将数据中心分为生产中心、测试中心、灾备中心等等独立区域。

5、灵活性
灵活性是新一代数据中心的重要指标之一，同时也是企业业务变更过程中的必然需求。企业在扩展、增加业务时。必然要对IT资源做出动态调整。业务增加时资源不能及时提供。或者业务减少时资源不能及时收回，都会对企业经营带来不良影响。
这就是为什么很多数据中心服务提供商，都会将灵活性作为新一代数据中心发展演进中的重要一环的原因。其中，HP把模块构建、加快实施IT变更的速度写进了HP对新一代数据中心的理解中：在IBM的路线图中，动态为其全新企业级数据中心的最终阶段，而“动态”的含义不外乎更灵活，只是表达方式不同而已。
绿色环保、虚拟化、整合、灵活性、模块化以及自动化、云计算等等技术趋势，必将引领数据中心20时代的发展。

三、站在数据中心20时代起跑线上

几年前，新一代数据中心的理念就已经出现，但当时的技术和产品并不能很好的解决传统数据中心的弊端，所以，相关市场一直不温不火。2008年，这种情况发生了根本性转变，数据中心技术、管理方面获得了重大突破，这使得越来越多的数据中心服务提供商站在了数据中心20时代的起跑线上，展露新一代数据中心宏图：
2008年1月，Sun Microsystems公司公布了Sun Modular Datacenter(Sun MD)S20，该产品是全球第一款虚拟化的数据中心，被称为“黑盒计划”。它提供了一个高密度、高能效、可快速部署的解决方案，能满足数据中心扩展和移动的多种需求，可在异构环境中提供每秒18万亿次浮点运算的计算性能或者3PB的磁盘存储能力。与传统的数据中心相比，Sun MD只需十分之一的时间和几分之一的成本即可完成设计、构建和部署。采用了创新的水冷设计技术后，Sun MD的冷却成本比普通的数据中心低40％。
2008年5月，惠普公司宣布其新一代数据中心体验中心在北京正式落成。作为中国首家面向客户开放的新一代数据中心的真实体验环境，它将帮助客户降低数据中心的运行成本，获得更大的灵活性，并提高数据中心的能源效率。惠普新一代数据中心体验中心展现了业内非常全面的节能技术解决方案，以及数据中心改造服务，这些解决方案将为业务提供诸多技术和工具，包括自动化、虚拟化、数据中心整合、业务连续性及节能解决方案等。
2008年6月，IBM承诺每年支出10亿美元用在该公司一年前宣布的“大绿色计划”，以改善IT能效。作为该项目的一部分，IBM还推出了一项新的企业级模块化数据中心，即一个装在盒子里的，占地大约5000到20000平方英尺的数据中心。IBM表示其产品有助于减少成本和运营开支。
2008年12月，成都通信枢纽项目――万国数据成都数据中心动工。该数据中心采用高起点、高标准的设计，整体系统符合国际公认的数据中心标准ANSI-TIA-942-2005中最高等级Tier4的要求：采用模块化、动成长的设计理念。电力、制冷、网络等关键性资源可按需提供、灵活调节；应用多项节能环保技术，符合国际节能标准，降低运营成本：从基础设施、技术和管理上进行立体安全控制，采用智能化的安防系统和严格的安全管理体系，保障信息安全。未来3年内，GDS万国数据还将在15个城市建设19个数据中心，以满足政府、企业日益增长的灾难恢复服务、数据中心服务需求。
数据中心20时代的起跑哨音已经吹响。数据中心服务提供商们正在发力，抢占数据中心20时代的先机。

称：互联网数据中心（InternetDataCenter），属于网络IT行业。

IDC服务的主要对象包括：大型跨国企业机构、互联网服务供应商、互联网内容供应商、电子商务服务供应商、应用软件服务供应商、系统集成供应商、多媒体服务供应商、网站设计及托管供应商。

IDC的发展经历了三个不同阶段：第一代的数据中心只提供场地、带宽等基础托管服务；第二代的数据中心则是以增值服务和电子商务作为其服务的核心。

第三代的数据中心能够提供融合的托管服务，可以实时地将互联网信息、电话信息、传真信息等集成在一起，再以客户最容易接受的方式提供给客户。这样，第三代的数据中心其实变成了一个网络服务中心。

扩展资料：

一个优秀的IDC应具备如下特点：

1、具备满足网站系统托管和外包服务需求的基础设施，包括稳定可靠的宽带互联网接入和安全可靠的电信级机房环境。

2、提供高质量的增值服务，包括系统维护（如系统配置、软件安装、数据备份、故障排除等）；管理服务（如带宽管理、流量分析、入侵检测、系统漏洞诊断、数据备份、负载均衡、缓存服务等）；支持服务（如技术支持热线等）；综合服务（如提供数据中心、综合通信和IT专业服务等）。

3、具备提供高速网络互联的能力，允许任何网络的用户高速接入其他运营网络。同时，通过提供优质服务，基本冲淡了IDC用户的地域限制（例如，位于上海的网站也可以在北京跨区域开展IDC托管业务）。

4、使用户能够通过IDC服务大大降低自己的运营成本。

5、与用户签订完整的服务水平协议（sla）。

谈到数据中心的“绿化”，人们更多会提到动态电源调节、水冷机柜、服务器的摆放等硬件因素。实际上，软件才是数据中心“绿化”方案的大脑和灵魂。 张宾是北京一家网络数据中心的CIO，每到夏天就会被机房服务器的频频宕机和巨额电费问题搞得焦头烂额。张宾所在企业的数据中心有一个50个机柜的机房，能放500台左右的服务器，前期投入了近400万元的建设成本(不算服务器)，但每个机柜平均每月电费却高达1500元，每年光电力开支就花费90多万元，占到了机柜总运营成本的1／4，一到夏天，这个数字更是像油价一样飞速飙升。
随着数据中心的扩容，电力消耗、散热和场地正成为数据中心CIO最头疼的问题。Gartner预测，至2008年年底，全球近一半的数据中心将无法拥有足够的能源和冷却装置，用以支持高密度的服务器和存储设备，而到2011年，数据中心1／3以上的预算将是环境成本。
“北京网通的皂君庙机房，就因为供电不足的问题，不仅无法扩容，而且出租机架的绝大部分收入都用来付了电费。”北京网通数据中心檀君普直言不讳地说：“北京绝大部分机房的供电都不足。”
降低能耗成为了数据中心最迫切的需求，而放在整个大的背景下，节能减排更是当前整个国家最迫切的任务之一。对于很多部门领导来说，它已经不再是 口号 ，而是压在身上不得不完成的硬性指标。
这时候，绿色数据中心开始悄然兴起，并迅速成为数据中心领域最热的话题。但是，说到数据中心，人们想到的就是一排排的机柜、空调、UPS；谈到“绿化”，人们更多会提到动态电源调节、水冷机柜、服务器的摆放等硬件因素，软件因素往往被忽略。实际上，在数据中心的“绿化”过程中，软件可以说是所有解决方案的大脑和灵魂。“在数据中心的‘绿化’方案里，所有智能化的手段都离不开软件的指挥。”惠普公司服务器及存储产品事业部产品经理蔡建华告诉记者。

虚拟化是绿化的有效手段

当前数据中心主要面临着两个方面的挑战，首先是能耗，在数据中心电量消耗不断增大的同时，资源的利用率却持续降低。据调查，数据中心中IT设备的有效利用率只有20％。
其次就是复杂性，数据中心的日益庞大使得硬件和软件的维护越来越困难，同时消耗的费用也在不断增加。蔡建华指出在数据中心的运营开支中，维护的费用占到了65％，迁移、升级的费用占了25％，剩下只有10％的费用用来创新。创新的投入不足使得数据中心的运营长期停留在低水平上，无法获得高质量的客户满意度。
虚拟化为应对这两方面的挑战提出了有效的解决手段，通过整合，多个 *** 作系统、多个应用被整合在一个服务器上，结束了一台服务器只能运行一个 *** 作系统，承载少量应用的局面，大大提高了服务器的利用率。
同时，应用方面的整合使得系统更加集中，管理也更加方便，而虚拟化之前所进行的标准化改造也大大降低了系统的多样性。另外，虚拟化解决方案为一致全面地管理物理和虚拟环境提供了有效的管理工具，帮助管理人员有效掌控数据中心不断增长的复杂性。
数据中心的虚拟化可以分为垂直虚拟化和水平虚拟化两个方面。垂直虚拟化是硬件层面的虚拟化，它把服务器、存储、网络等硬件资源纵向地整合在一起，构筑了一个IT服务的资源共享池，在统一的管理工具下，可以对资源进行动态调配，从而根据负载实现资源的合理分配。
水平虚拟化是应用层面的虚拟化，它把同一类应用需求整合在一起。例如一个企业中多个系统都有自己的身份认证，通过水平虚拟化，他们被整合成一个。
而在虚拟化技术中，最核心的就是分区技术。蔡建华介绍HP分区技术分为具有完全电气隔离的硬分区、软分区和资源分区。
硬分区都有自己专用的CPU、RAM和I／O资源，同时带有硬件故障隔离功能的 *** 作系统映像，也就是说每个硬分区的物理故障都不会影响其他硬分区。
而在硬分区上可以再进行软分区。每个软分区有专用的CPU、RAM，同时能实现 *** 作系统和软件故障的隔离。
软分区以后，用户可根据自己的需求，在软分区里面用工具锁定CPU资源的不同百分比，供不同业务使用。目前，惠普可以细分的最小粒度是5％。
在惠普的虚拟环境中，HPux资源管理软件工具是其中的核心。通过这个工具，系统管理员可以制定关于系统为用户、用户组及应用分配处理器、实际内存及I／O资源的策略。另外，管理员可以根据应用状态指定服务级别，根据优先级，来动态分配资源从而实现业务目标。
“虚拟化可以帮助降低成本、提高灵活性、提升服务质量。”蔡建华说，在提高灵活性上，惠普下一代虚拟化解决方案中可以为多台物理服务器设置一个逻辑服务器，它后面的物理映射可以随时切换。如此一来，只需在逻辑服务器上配置一次，就可以在多个物理服务器上使用。
另外在保证高可用性方面，以前只能在不同的服务器之间做集群，经过虚拟化后，一个服务器上也可以做集群，这样就大大提高了每个服务器的容错性。

硬件方案同样离不开软件

数据中心的绿化方案中，有大量的硬件方面的策略，但是它们都离不开软件的统一指挥。
首先是服务器的散热和机柜的散热。这里面涉及了多种智能方案：主动式散热风扇、智能电源管理和并行的企业散热架构。
一般的风扇接上电源后只是恒速的转动，但是服务器和机柜内不同位置的温度并不相同，例如CPU的温度会高一些，而主板的温度会较低。同时不同时间热度也不一样，这对风扇的需求就不同。在主动式散热风扇中，利用软件来决定不同位置、以及不同时间的风扇功率，从而有效利用电力，把浪费降低到最小。
而在智能的电源管理中，通过软件来判断系统当前的负载状况，从而决定当前所需的电源功率，进一步调节UPS电源使用。惠普最新推出的服务器甚至可以根据CPU当前负载来动态调配对CPU的供电功率。
还有冷风在服务器和机柜内的走向也是可以调节的，这些看似是根据机械的原理，但是根据温度变化及时调整冷风走向也会离不开软件控制。
另外在整个数据中心中，传统的数据中心经常会出现过度制冷的现象，因为数据中心内部不同位置温度并不相同，但是为了让高温地区能够降到合理温度，整个数据中心的冷气就被调到最大。而通过智能化的控制手段，每个服务器旁边的传感器所收集的温度和空气流动信息都会被传送到中央控制台，中央控制台就根据既定的策略来调节冷气的排放。从而有效避免过度制冷现象出现，又能解决冷热不均的状况。
“未来的数据中心是智能化的数据中心，而这根本离不开软件这个大脑。”蔡建华说。

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