1 電力負荷的分級及其意義

根據(jù)國標GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》的要求，電力負荷應根據(jù)對供電可靠性的要求及中斷供電時，對人身安全、經(jīng)濟損失所造成的影響程度進行分級，負荷分級主要是從安全和經(jīng)濟損失兩個方面來確定，安全包括了人身生命安全和生產(chǎn)過程、生產(chǎn)裝備的安全。為此，國標GB50052-2009將負荷進行如下定義與分級：

（1）符合下列情況之一時，應視為一級負荷

①中斷供電將造成人身傷亡時；

②中斷供電將在經(jīng)濟上造成重大損失時；

③中斷供電將影響重要用電單位的正常工作時。

一級負荷應由雙重電源供電，即負荷的電源是由兩個電路提供的，這兩個電路就安全供電而言，被認為是互相獨立的，當一路電源發(fā)生故障時，另一路電源不應同時受到損壞。

在一級負荷中，當中斷供電將造成重大設備損壞或發(fā)生中毒、爆炸或火災等情況的負荷，以及特別重要場所的不允許中斷供電的負荷，應視為一級負荷中特別重要的負荷。

給一級負荷中特別重要的負荷供電，應符合下列要求：

①除應由雙重電源供電外，還應增設應急電源，并嚴禁將其它負荷接入應急供電系統(tǒng)。

備用電源與應急電源是兩個完全不同用途的電源。備用電源是當正常電源斷電時，由于非安全原因用來維持電氣裝置或其某些部分正常運行所需的電源；而應急電源，又稱安全設施電源，是用作應急供電系統(tǒng)組成部分的電源。此條是從安全角度考慮，其目的是為了防止其它負荷接入應急供電系統(tǒng)。

②設備的供電電源的切換時間，應滿足設備允許中斷供電的要求。

（2）符合下列情況之一時，應視為二級負荷

①中斷供電將在經(jīng)濟上造成較大損失時；

②中斷供電將影響較重要用電單位的正常工作時。

二級負荷的供電系統(tǒng)，宜由兩條線路供電。在負荷較小或地區(qū)供電條件困難時，二級負荷可由一路6kV及以上專用的架空線路供電。

（3）不屬于一級和二級負荷的，應視為三級負荷

通過上述用電負荷分級，可正確地界定不同等級的負荷對供電可靠性的要求，以便恰當?shù)剡x擇符合實際水平的供電方式，提高投資的經(jīng)濟效益，保護人員的生命安全。有必要強調(diào)的是，規(guī)范中對特別重要負荷及一、二、三級負荷的供電要求是最低要求，工程設計中，用戶可以根據(jù)其本身的特點確定其供電方案。

2 數(shù)據(jù)中心負載的供電分級與UPS配置

數(shù)據(jù)中心作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要而特殊的負荷之一，其供電保障方式的配置必須既符合GB50052-2009的要求，又必須滿足GB50174-2008的定義及條款要求，其對應關系如表1所示。數(shù)據(jù)中心通過UPS供電的負載一般分為三類：無人區(qū)機房的IT設備、有人區(qū)機房的IT設備及機房基礎設施設備等。其中：

①無人區(qū)機房的IT設備包括小型機、服務器、存儲、網(wǎng)絡通信和介質(zhì)存儲等；

②有人區(qū)機房的IT設備包括總控中心機房設備、研發(fā)機房設備、測試機房設備及OA系統(tǒng)設備等；

③UPS供電的應急照明系統(tǒng)、消防控制及撤離指示系統(tǒng)、機房空調(diào)風機、樓宇監(jiān)控系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)等。

無人區(qū)機房IT設備的UPS供電可參照GB50174-2008的分級標準來配置，有人區(qū)和基礎設施區(qū)負載的UPS供電通常參照B級或C級來配置。此外，UPS配置還應滿足：

①除主機房外，輔助區(qū)、支持區(qū)和行政管理區(qū)IT設備，宜單獨計算與配置，避免多區(qū)域共用一套UPS系統(tǒng)；若不得不共用時，應為非主機房外的設備設獨立回路，并采取完全選擇性保護的措施；

②調(diào)水泵、空調(diào)風扇等非IT設備的UPS，應單獨計算與配置；

③消防、監(jiān)控、安防等與生命安全相關設備的UPS或EPS，不屬于備用電源范疇，應列入應急電源單獨計算與配置。

3 數(shù)據(jù)中心IT負載的供電特性

（1） IT負載的相關供電指標

數(shù)據(jù)中心IT負載具有什么樣的供電特性，這是我們在數(shù)據(jù)中心UPS備用電源配置時，需要首先考慮的問題。而服務器是數(shù)據(jù)中心IT負載中占比最大的設備，所以服務器電源的供電特性是整個數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)建設的出發(fā)點和歸宿點。

與UPS供電系統(tǒng)相關的服務器電源指標主要包括輸入電壓、輸入頻率、輸入電流、輸入功率、輸入功率因數(shù)等輸入數(shù)據(jù)以及輸出功率等。典型的輸入電壓范圍為AC100～240V，輸入頻率范圍為45～65Hz；隨著服務器電源技術的發(fā)展以及節(jié)能要求的提高，PFC技術（PowerFactorCorrected）越來越廣地被采用，輸入功率因數(shù)約為0.9；輸入電流、功率及發(fā)熱量視具體服務器而定。

在實際計算服務器功率時需要注意的是，服務器電源上標注的，例如INPUT（輸入）：220VAC /4A50Hz，容易讓人誤解為服務器的輸入功率就是220V×4A=880VA，就是該服務器的額定視在功率。需要特別強調(diào)的是，INPUT（輸入）中，220V是服務器電源額定輸入電壓，而4A指的是最大額定輸入電流能力，表征服務器電源在最低輸入工作電壓時的最大輸入電流能力。因此，直接用輸入額定電壓×輸入額定最大電流來表征額定輸入功率是不合適的，也是不正確的。

正確計算服務器功率的方法應該用INPUT（輸入）功率，例如600W（MAX），這個參數(shù)才是該服務器電源的最大輸入功率，但很遺憾的是，通常服務器廠家不一定將這個參數(shù)標識在服務器外殼上，這個參數(shù)通常只有在服務器電源銘牌上才能看到。

那么，接下來的問題是負載的容量是否直接等同于服務器電源的最大功率？答案依然是否定的。

對應服務器有三種工況：

①銘牌功率：指的是服務器電源銘牌功率；

②最大工況設置：指的是服務器系統(tǒng)工作在最大用電負荷時的耗電功率；

③CPU100%利用率典型工況：CPU工作在100%利用率時的耗電功率。

通常服務器最大的功率消耗是銘牌額定值的80%，這是因為服務器廠家在選擇電源時，放寬了大約20%的裕量。而CPU的100%利用率典型工況是銘牌額定值的67%.事實上服務器正常工作時的能耗還要小于這個值。因此，在具體的設計工作中，這種裕量和工況差異也建議設計者納入考慮之中。

對于不同負載持續(xù)率下的額定功率或額定容量，應換算為統(tǒng)一負載持續(xù)率下的有功功率，即設備功率Pe.IT設備功率Pe的確定，可詳參ChinaDCC發(fā)行的《數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)技術白皮書》第3章“數(shù)據(jù)中心IT設備電源用電特性”。

（2） IT負載電源的工作原理介紹

當前IT負載內(nèi)部的輸入電源模塊基本采用兩種制式，即ATX標準和SSI標準。

無論是ATX電源還是SSI電源，UPS輸出的220V交流電進入IT負載內(nèi)部后，都必須經(jīng)四級變換，最后轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的12V、5V、3.3V的直流電壓，提供給IT負載內(nèi)部的CPU、內(nèi)存、存儲設備、網(wǎng)絡通信芯片等“真正的負載”使用。這四級變換分別為：
       第一級：橋式整流器，將220V交流電變?yōu)榧s200～300V的直流電；

第二級：高頻逆變器，將直流電再轉(zhuǎn)換成幾十到幾百kHz穩(wěn)壓的高頻交流電；

第三級：高頻隔離變壓器，將高頻交流電降壓并隔離；

第四級：高頻整流器，將穩(wěn)定的高頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流12V（或5V、3.3V）輸出。

了解服務器電源的具體工作原理，對于我們后續(xù)進行正確的供電系統(tǒng)設計是非常必要的。