數據中心的負載不是一成不變的。在建成後的數據中心生命周期內,IT設備幾乎一直處於一種不斷變化的狀態。IT 更新至少每3年一次循環,到時候會添加新的、功能更強大或效率更高的設備,或者替換初始規劃列表上的設備。
想要更合理的規劃數據中心,儘可能節省電力設施方面的損耗,應該讓 IT 組織對將來變化和升級的範圍和時間做出切實的評估,這樣可以正確規劃最初確定的功率需求。對於電源和配電系統的「下遊」元件,可以根據目前和未來的負載情況進行擴展或調整。
用戶必須充分估算為 NCPI 組件供電的電力線路的容量以承擔已知初始負載和未來負載,或者可以在不造成停機這一嚴重影響IT 客戶的期望可用性的前提下增加功率容量。在估算出未來負載量後,將其加到上面算出的基本負載信息上,這樣就可以得到以 KW 表示的電源關鍵負載量。
UPS負載
假設需求評估中的可用性確定工作得出需要 UPS 電源的結論,那麼總負載功率必須考慮 UPS 系統的效率損耗因數以及電池充電所需的額外功率。
UPS 效率隨產品型號不同而異,而且受 UPS 負載的影響很大。UPS 很少能夠達到其廣告中所宣稱的效率。實際上,典型安裝中的 UPS 效率約為 88%,該值相當準確。
電池充電也需要消耗大量電力,但不會連續消耗。在電池已充滿電的正常操作狀態下,可忽略電池充電負載。 但是,當電池已部分或完全放電後,電池充電功率可佔額定 UPS 負載的 20%。儘管這樣的負載極少出現,但 在估算發電機和線路入口容量時必須包含該負載。
照明設施負載
照明設施負載包括建築物數據中心部分的全部照明設施,是數據中心地板面積的函數。此類型負載有一個很好的經驗公式,每平方英尺 2 瓦或者每平方米 21.5 瓦。
製冷負載
有關數據中心環境中熱負載的詳細論述,可參考APC等專業公司提供的白皮書「計算數據中心的總製冷量」。使用這些白皮書提供的表格可以計算要冷卻 IT 設備所產生熱量必需的製冷量。設計者還可以使用該表格創建支持已規劃關鍵負載所需的製冷量。
估算電源系統的容量
上述方法中,我們已經確定了兩個重要數字,它們可用來估算為數據中心環境供電的電力系統容量:總關鍵負載和總製冷負載。 一般而言,電源供給必須足以支持這兩個負載之和,另外加上數據中心的相關照明設施負載。
數據中心內負載的穩態功耗決定了用於計算電力成本的功耗。但是,為數據中心供電的電力線路和發電機電源不能按穩定狀態值估算。這些電源必須按負載峰值功耗估算,再加上標準或工程慣例所規定的降額係數或裕度。實際上,這會導致電力線路和發電機的設計容量大大高於期望值。
最終電源容量計算
按照上述過程以千瓦為單位估算出總電源容量後,就可以進行兩項關鍵計算:首先是估算為數據中心供電所需 的電力線路的容量,其次是估算為達到預期可用性所需的所有備用發電機的容量。
確定電力線路的容量
電力線路可按照以下方式計算:
1.以千瓦為單位獲得所需的總電力容量,並乘以 125% 以滿足美國國家電氣標準和類似規範組織的要求。
2.確定供電公司提供的線路入口三相交流電電壓。通常在美國是 480 伏交流電,在世界上其他大部分 國家/地區是 230 伏交流電。
3.使用下面的公式確定為數據中心供電的電力線路容量,以安培為單位:
電流(安培)=(功率 (kW) x1000)/(電壓(伏特)x 1.73)
這為數據中心提供了支持關鍵負載、製冷和建築功能所需的電力線路容量。圖 1 通過比較額定(峰值)功率和穩定狀態功率的電力線路需求,強調了這二者間的重要區別。必須注意,這僅僅是估計值,而最終線路容量的確定在很大程度上取決於準確的現場詳細信息。強烈建議您聘請有資質的專業諮詢工程師核實初始估算數據並設計最終數據中心電力供給。
圖1 典型 100 kW 關鍵負載的額定與穩態電力線路功率。 電力線路額定值幾乎是穩定狀態關鍵負載值的 4 倍 |
發電機備用電力系統的容量
確定了電力線路的容量後,就可以考慮估算相應備用發電機的容量,以便在市電故障時能夠提供備用電源從而 提高數據中心的可用性。典型發電機安裝如下面圖 2 所示:
圖2 典型發電機系統 |
首先要注意上圖中假設數據中心是唯一的負載,而且該負載受到備用電源的完全保護。「市電」供給可能只是標準商業電力配電系統的一部分,所以該圖只是更大電力系統的一個子集。該子集是為關鍵 IT 負載供電的數據中心部分。
有些負載需要通過轉換開關附加到發電機上,必須考慮這些負載的電力特性。例如,機械負載需要高啟動電流,而且還會產生諧波電流,這會影響發電機提供所需電力容量的能力。如果 UPS 沒有在高輸入功率因數下運行,其本身可能會導致這樣的問題,而且如果它將超前功率因數施加到發電機上,還可能導致發電機出故障。
某些 UPS 拓撲結構(如 delta 轉換)對於發電機供電的系統是十分理想的,而且不會產生使用輸入過濾電容的傳統雙轉換系統的不良運行特性。在選擇 UPS 時,僅是拓撲結構選擇就會對所需的發電機容量產生重大影響,通常係數為 3(典型雙轉換 UPS 的發電機會是 Delta 轉換 UPS 發電機的 1.75 倍到 3 倍)。與電力線路功率相同,通過比較額定(峰值)功率和穩定狀態功率的發電機需求,圖 3 強調了這二者間的重要區別。
在選擇發電機時,為了方便,一般根據發電機的額定功率 (kW) 進行選擇,但要注意發電機在設計中是以小於1 的功率因數(通常為 0.8)來運行負載。這意味著電流和電壓的相位會稍微有些不同,發電機必須能夠承受 這個差異。一個 1000 kW 的發電機,設計在運行負載功率因數為 0.8,那麼其額定功率為 1200 kVA。不要將發電機的 kVA 額定值和實際功率容量相混淆,後者總是以 kW 來計算的。
圖3 典型 100 KW 關鍵負載的額定與穩態發電機功率。 電力線路的額定值是 穩定狀態關鍵負載值的 4 倍以上 |
對支持和冷卻數據中心中的關鍵負載所需的電源功率進行評估,這在滿足最終用戶可用性預期的設備開發過程中十分重要。通過使用上述過程,可以做出功率需求的合理估算。這有助於指定網絡關鍵物理基礎設施組件的容量,以達到需求評估所確定的可用性。在做出了初步估算之後,就可以在有競爭力的 NCPI 系統供應商或諮詢工程師(如果數據中心的規模足夠大)的協助下開始概念設計和詳細設計。根據上述功率需求評估過程確定的容量和可用性配置,隨後就可以進行成本估算了。