搜索
计算数据中心的总功率需求修改1作者VictorAvelar简介2需求评估2确定支持数据中心所需的电源功率容量2昀终电源容量计算4结论9资源10点击内容即可跳转内容白皮书3数据中心的规划和设计工作包括计算IT设备的电源和制冷需求，以符合电力基础设施的容量。本白皮书说明了计算功率和制冷需求的方法，并提供确定支持数据中心（包括IT设备、制冷系统、照明设施和备用电源）所需总电源功率容量的指导原则。摘要计算数据中心的总功率需求APCbySchneiderElectric白皮书3修改12采用可扩展的“按需付费”UPS架构后，系统安装变得更加容易。这样，在数据中心的需求增长时，数据中心管理者只需添加模块就可以了。但是，这样就容易忽略大型机构内数据中心或数据机房未来的电力需求。要估算数据中心或数据机房的电力需求，需要了解制冷系统、UPS系统和关键IT负载所需的电量。虽然这些元素的功率需求彼此之间可能相差很多，但是如果已经确定了已规划IT负载的功率需求，就可以使用简单的方法准确估计出这些元素的功率需求。除了估计电力线路的容量，如果数据中心的负载需要备用发电机系统，这些元素还可以用于估计备用发电机系统的功率输出容量。不论何种规模的数据中心，在准备提高其环境容量前，都必须首先进行需求评估。需求评估基本可以确定由IT设备负责的业务应用的可用性需求。可以将时间不紧迫或分批处理性质的业务流程的负载功率和空调系统设置为“N”配置，没有内部冗余提高可用性。时间紧迫的工作可能需要关键组件系统中有某种程度的冗余，使用“N+1”拓扑结构的配置。每个关键系统元件都有一个冗余设备，这样如果某个单元出现故障，系统仍然可以维持IT关键负载的正常运行。要求绝对可用性(7x24)的昀关键数据中心应用环境应使用2N拓扑结构，这样关键系统就拥有完全冗余。虽然某个关键系统会出故障，但是另一系统会保持负载的正常运行。这也提供了某种程度的可同步维护性，可以在另一系统承担负载时对该系统进行维护。有关不同系统配置类型的详细信息，请参阅APC第75号白皮书“比较UPS系统设计配置方案”。无论实际UPS系统设计是何种配置（N、N+1、2N），其核心问题都是如何为关键负载提供充足电力并对其进行冷却，必须得到很好解决。对所需容量估计不足可能会导致将来被迫中断电力以增加容量，而估计过高则会导致额外的初始安装成本以及高额的运行维护费用。大多数数据中心都位于大型建筑物内。建筑物的一部分会专门作为数据中心或数据机房，下面介绍的确定电源功率的步骤会有助于估计这部分建筑所需的电源功率。在计算功率容量需求时，稳定状态功率和峰值功率之间的差值十分关键，本白皮书始终都在强调这一点。有关电源功率变化原因的详细信息，请阅读APC第43号白皮书数据中心和网络机房中的动态电源功率波动。如果所安装的空调系统、制冷机或备用发电机等关键组件需要共用或需要为数据中心之外的设施提供负载，估算系统容量需要咨询工程师进行更为全面而复杂的分析。图1说明了电力容量在数据中心各种负载间的典型分配比例。该细分图假设数据中心的面积为5000平方英尺（465平方米），初始稳定状态关键负载为50kW，未来稳定状态负载再加50kW。假定制冷系统为直接膨胀(DX)式，并且市电电压为480伏交流电。简介确定支持数据中心所需的电源功率容量需求评估资源APC白皮书75比较UPS系统设计配置方案资源APC白皮书43数据中心和网络机房中的动态电源功率波动计算数据中心的总功率需求APCbySchneiderElectric白皮书3修改13关键负载不论是单机架环境还是完整规模的数据中心，正确规划数据中心的第一步就是确定要为其供电并提供保护的关键负载大小。关键负载是指构成IT业务架构的所有IT硬件组件：服务器、路由器、计算机、存储设备、通信设备等等，还包括保护它们的安全系统、消防和监控系统。这个过程首先需要列出所有这些设备，包括它们的铭牌额定功率、电压要求以及是单相设备还是三相设备。然后必须调整铭牌信息以反映预期的真实负载。铭牌功率需求是指该产品在美国新产品承诺实验室(Underwriter’sLaboratory)要求的昀坏情况下的功率消耗数值，在绝大多数情况下，该值远远高于预期的运行功率水平。著名工程咨询公司和电源制造商的研究显示，大多数IT设备的铭牌额定值至少超出实际运行负载33%。美国国家电气标准(NEC)和类似的国际规范组织都已认识到这一事实，允许电气系统设计者累加预期负载的铭牌数据，再乘以不同的系数，来估计并非所有设备都满负荷运行的情况。另外，还可以使用高级估算器（可以在下面的网址中找到）。诸如此类的计算器收集了各家制造商的功率消耗数据，并进一步指定不同的设备配置。UPSSelector在此网站上，IT专业人员可以根据“品牌”配置服务器的典型机架构造。该工具在后台运行，可以累加给定服务器配置内每个组件的已知功率需求。例如，如果用户指定某台服务器，就会要求在此框内记录CPU的数量和其他详细信息。用户输入信息后，UPS选择器会计算机架所需的总功率。（功率将使用伏安(VA)来表示）工具还包括了有关制造商推荐的输入电压和电源插头的重要信息。有了组成关键负载的预期组件列表，通过使用估算计算器就可以得到基本负载。对于计算器中没有列出来的IT设备以及消防、安全和监控系统的功率需求，应使用下列步骤：1.累加预期负载的铭牌功率。如果设备上没有列出功率，可以将电流（安培）和设备电压相乘得到VA值，该值近似等于设备消耗的功率。2.将预期的VA数乘以0.67以估计关键负载的实际功率（以瓦计）。3.将这个数字除以1000就得到预期关键负载的千瓦级(kW)负载数值。未来的负载数据中心的负载不是一成不变的。建成后，在数据中心的生命周期内，IT设备将几乎一直处于一种不断变化的状态。IT更新至少3年一次循环，到时候会添加新的、功能更强大或效率更高的设备，或者替换初始规划列表上的设备。应该由IT组织对将来变化和升级的范围和时间做出切实的评估，这样可以正确规划昀初确定的功率需求。对于电源和配电图1数据中心电力需求细分图计算数据中心的总功率需求APCbySchneiderElectric白皮书3修改14系统的“下游”元件，可以根据目前和未来的负载情况进行扩展或调整（请参阅APC第37号白皮书避免数据中心和网络机房基础设施因过度规划造成的资金浪费），但是必须充分估算为NCPI组件供电的电力线路的容量以承担已知初始负载和未来负载，或者可以在不造成停机这一严重影响IT客户的期望可用性的前提下增加功率容量。在估算出未来负载量后，将其加到上面算出的基本负载信息上，这样就可以得到以KW表示的电源关键负载量。UPS负载假设需求评估（如上所述）中的可用性确定工作得出需要UPS电源的结论（几乎所有情况下都需要UPS），那么总负载功率必须考虑UPS系统的效率损耗因数以及电池充电所需的额外功率。UPS效率随产品型号不同而异，而且受UPS负载的影响很大。UPS很少能够达到其广告中所宣称的效率。实际上，典型安装中的UPS效率约为88%，该值相当准确。电池充电也需要消耗大量电力，但不会连续消耗。在电池已充满电的正常操作状态下，可忽略电池充电负载。但是，当电池已部分或完全放电后，电池充电功率可占额定UPS负载的20%。尽管这样的负载极少出现，但在估算发电机和线路入口容量时必须包含该负载。照明设施负载照明设施负载包括建筑物数据中心部分的全部照明设施，是数据中心地板面积的函数。此类型负载有一个很好的经验公式，每平方英尺2瓦或者每平方米21.5瓦。制冷负载有关数据中心环境中热负载的详细论述，请参阅APC第25号白皮书计算数据中心的总制冷量。使用该白皮书提供的表格可以计算要冷却IT设备所产生热量必需的制冷量。设计者还可以使用该表格创建支持已规划关键负载所需的制冷量。制冷系统在效率上有很大差别，不过可细分为冷冻水系统和直接膨胀系统。冷冻水系统的效率通常更高，功耗值通常为所支持总峰值负载的70%。直接膨胀系统需要大约所支持总峰值负载的100%。注意，制冷负载启动时的峰值负载超过了本计算方法中使用的稳定状态值。本白皮书的表1使用这些规则对制冷系统的电源功率需求进行了估算。这将有助于确定支持整个数据中心所需的电力配电系统的容量。估算电源系统的容量已经确定了两个重要数字，它们可用来估算为数据中心环境供电的电力系统容量：总关键负载和总制冷负载。一般而言，电源供给必须足以支持这两个负载之和，另外加上数据中心的相关照明设施负载。数据中心内负载的稳态功耗决定了用于计算电力成本的功耗。但是，为数据中心供电的电力线路和发电机电源不能按稳定状态值估算。这些电源必须按负载峰值功耗估算，再加上标准或工程惯例所规定的降额系数或裕度。实际上，这会导致电力线路和发电机的设计容量大大高于期望值，将在下一节进行讨论。按照上述过程以千瓦为单位估算出总电源容量后，就可以进行两项关键计算：首先是估算为数据中心供电所需的电力线路的容量，其次是估算为达到预期可用性所需的所有备用发电机的容量。昀终电源容量计算资源APC白皮书25计算数据中心的总制冷量资源APC白皮书37避免数据中心和网络机房基础设施因过度规划造成的资金浪费计算数据中心的总功率需求APCbySchneiderElectric白皮书3修改15确定电力线路的容量电力线路可按照以下方式计算：1.以千瓦为单位获得所需的总电力容量，并乘以125%以满足美国国家电气标准和类似规范组织的要求。2.确定供电公司提供的线路入口三相交流电电压。通常在美国是480伏交流电，在世界上其他大部分国家/地区是230伏交流电。3.使用下面的公式确定为数据中心供电的电力线路容量，以安培为单位：电流（安培）=（功率(kW)x1000）/（电压（伏特）x1.73）这为数据中心提供了支持关键负载、制冷和建筑功能所需的电力线路容量。使用图1的假设，图2通过比较额定（峰值）功率和稳定状态功率的电力线路需求，强调了这二者间的重要区别。必须注意，这仅仅是估计值，而昀终线路容量的确定在很大程度上取决于准确的现场详细信息。强烈建议您聘请有资质的专业咨询工程师核实初始估算数据并设计昀终数据中心电力供给。本白皮书末尾的数据表1总结了上面讨论的内容。关键负载UPS负载UPS负载空调负载空调负载050100150200250300350400电力线路额定值电力线路稳定状态kW关键负载照明设施负载UPS负载空调负载电力线路降额估算发电机备用电力系统的容量确定了电力线路的容量后，就可以考虑估算相应备用发电机的容量，以便在市电故障时能够提供备用电源从而提高数据中心的可用性。典型发电机安装如下面图3所示：图2典型100kW关键负载的额定与稳态电力线路功率。电力线路额定值几乎是稳定状态关键负载值的4倍计算数据中心的总功率需求APCbySchneiderElectric白皮书3修改16UPSIT首先要注意上图中假设数据中心是唯一的负载，而且该负载受到备用电源的完全保护。“市电”供给可能只是标准商业电力配电系统的一部分，所以该图只是更大电力系统的一个子集。该子集是为关键IT负载供电的数据中心部分。要估算关键负载所需的发电机容量，请使用表1底部的计算公式。但是有些负载通过转换开关附加到发电机上，必须考虑这些负载的电力特性。例如，机械负载需要高启动电流，而且还会产生谐波电流，这会影响发电机提供所需电力容量的能力。如果UPS没有在高输入功率因数下运行，其本身可能会导致这样的问题，而且如果它将超前功率因数施加到发电机上，还可能导致发电机出故障。如何针对运行特性选择有利于发电机可靠运行的UPS系统涉及的内容很多，本白皮书没有进行讨论。为了获得端到端的可靠性必须谨慎选择UPS，了解这一点就已经足够了。避免使用在低负载条件下表现出高电容特性的UPS系统。某些UPS拓扑结构（如delta转换）对于发电机供电的系统是十分理想的，而且不会产生使用输入过滤电容的传统双转换系统的不良运行特性。在选择UPS时，仅是拓扑结构选择就会对所需的发电机容量产生重大影响，通常系数为3（典型双转换UPS的发