电子信息机房建设.ppt

电子信息机房建设,目 录,机房建设概述 机房等级划分 机房建设发展历程 机房建设发展趋势 机房建设内容,机房建设重点 机房建设通病 机房供配电的几种典型设计 UPS工作原理,一、机房建设概述,我们将计算机机房、通讯机房、互联网数据中心IDC(Internet Data Center)机房、屏蔽机房等统称为电子信息系统机房，简称机房。 机房系统工程是一项集建筑装饰学、电工学、美学、环境保护、安全防范技术，空气调节技术，暖通净化技术，计算机专业技术，消防技术，弱电控制专业，抗干扰技术，防雷防过压技术。智能化管理等综合学科的系统工程，并涉及到综合布线，网络系统集成等技术领域的专业化学科。 机房是数据大集中而形成的集成IT应用环境，是各种业务的提供中心，是数据处理、数据存储和数据交换的中心。数据中心实现了IT基础设施、业务应用、数据的统一、安全策略的统一部署与运维管理。 机房建设工程是随着信息化系统对环境的要求越来越高而出现的新兴行业，涉及到电子工艺、建筑结构、空气调节、给水排水、电器技术和消防安全等多种专业，它是为解决诸如温湿度、洁净度、电磁场强度、防静电、供配电、接地与防雷、消防安全等综合技术问题，为电子计算机系统稳定可靠运行和工作人员提供良好的工作环境。,二、机房等级划分,1 电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失； 2 电子信息系统运行中断将造成公共场所秩序严重混乱。,1 网络运行中断将造成较大经济损失； 2 网络运行中断将造成公共场所秩序混乱。,不属于A级或B级的电子信息系统机房为C级。,A级 （容错型）,C级 （基本型）,B级 （冗余型）,机房等级划分主要是按照电子信息系统机房设计规范规定，主要体现在供电等级的划分，是根据计算机的工作性质及其重要性来划分，分为三级 A级负荷计算机房。此类机房是指如国防建设、生产、交通运输、金融财政、航空管理等部门的机房。这些部门的机房如遇突然断电使计算机中断工作的话，将导致严重的人身伤亡等恶性事故，造成无法弥补的重大损失。所以这类机房应采用一类供电不间断供电系统。 B级负荷计算机房。此类机房是指如科研单位和一些应用计算机控制系统的生产单位的机房，这些单位的机房一旦突然中断供电将使生产、运输、通信等受到一定程度的影响，给国民经济造成一定的损失。这类机房一般采用二类供电需建立带备用的供电系统。 C级负荷计算机房。此类计算机房是指应用计算机做些一般的统计、查询、情报检索工作单位的机房。这些机方如突然中断供电虽会使工作受一定影响，但一般不会引起太大的损失。这类机房一般采用三类供电常规供电系统。,供配电主要配置指标,供配电主要质量指标,为单台计算机(大、中、小型机) 专门建设 没有标准、摸索建设 只有降温措施、没有温度控制 风道送风 没有温度控制，也没有测试和指标 稳压器供电 没有对电力干扰（尖峰、浪涌）的防范 没有对除尘措施，限于换鞋、穿白大褂 系统稳定工作时间只有几十分钟到几个小时,三、机房建设发展历程,早期机房(19601980),早期机房(19601980),为单个计算机系统设计 专用的机柜（大、中、小机柜） 开始逐步制订标准 机房的集中冷却到恒温恒湿专用空调机 UPS的引进和应用 防静电概念的引进和防静电地板的使用 单个指标的测试和监控 大机房面积、宽设备运输通道 自动和半自动消防系统应用 新风系统和机房正压防尘 系统稳定工作时间为几天,中期机房(19801990),中期机房(19801990),IT设备小型化 服务器逐步成为主体，多台计算机服务器联网 网络设备大量使用 对数据存储介质，对数据的严格保护 制订了标准，用许多教训得到的标准 广泛使用恒温、恒湿空调 供电系统的完善 防雷标准的完善 综合监控系统 专门的机房装修设计 IT稳定工作时间为几十天,近期机房(19902000),近期机房(19902000),IT设备的进一步小型化 所有设备进机架，机架成为机房主体 合理的可用性设计 实用性、先进性 安全可靠性 灵活可扩展性 标准化 可管理性，可维护性 更加重视数据的保存环境 更加严格的机房建设、检测与监督 IT工作时间基本上连续的（365*24) 系统稳定几个月或连续稳定,现代机房,现代机房,现代机房,现代机房,大功率的小型机 刀片式服务器 5KW/个机柜 重视气流组织的运行 国际上出现相关建设标准 机房根据安全性和可用性分级 容错性设计 模块化 重视检测和评估,高密度机房,高密度机房,高密度机房,高密度机房,随着相关技术的研究开发、规范标准、系统结构、功能应用、产品特性、材料工艺以及管理要求等诸多方面的衍变与发展，涉及机房工程的技术演变与发展趋势呈现多维多态特性，由此形成了新一代机房工程建设的理念(绿色、环保、节能、安全、可用）与策略NCPI（网络关键基础设施）,四、机房建设发展趋势,现代机新理念设计的当代机房,新理念设计的当代机房,新理念设计的当代机房,NCPI四个基本要素,新理念机房建设架构,新理念机房建设规划与设计、工程实施、工程验收,机房规 划设计,机房供 配电,UPS供 电系统,机房空 调制冷,机房布线,机房安全,机房装修,机房妨雷,系统管理,数据中心UPS供电系统典型结构示意图,智能管理系统： 自诊断及保护功能、通信功能、管理软件,企业管理: 中央管理器 容量管理器 变化管理器,物理威胁管理: 环境及安全,分布式软件: UPS监控及操作系统安全宕机,设备管理 : 监控管理 电池监控,MGE UPS管理产品,服务器访问: 远程服务器操作-KMM、KVM,NCPI设计理念的形成过程 -供电系统设计理念的变化,近5年来对网络基础物理设施提出的问题,生命周期成本问题：优化投资问题、装配速度问题、服 务费用问题、投资风险问题,适应性和扩展性问题：系统和部件的标准化与规范 化、不可预测的功率密度问题、如何适应不断变化的其他需求,系统可用性问题：人为操作失误问题、如何把UPS与关键 负载之间的故障点减至最少、减少大面积断电的故障点、谐波干扰 问题、信息共享问题,管理性问题：分路管理问题、监控负载机柜的电源状态、线 缆管理的问题、预防性故障分析的问题,维护服务问题：降低系统的复杂性问题、减少平均维修时 间MTTR的问题、带电操作的问题、供应商之间的相互推诿的问题,一个完整的系统中除了UPS系统外，还可能有变压器、瞬态 电压浪涌抑制器、电网进线开关柜、负载配电柜、柴油发电机、 交流稳压器、变压器、电池系统、各种开关、断路器、保险、转 插，上百乃至几百个级连接点和相应的传输线。由于这些部件和 环节在可靠性模型中的串联特性，以及它们之间的相互影响，就 使得系统可靠性大幅度降低。,研究工作从单台UPS设备向整个供电系统变化,设计理念变化(一),对系统研究的问题包括,系统中各种设备和环节的相互匹配和可靠性问题； 系统可靠性和冗余配置问题； 可修复和降低修复时间问题； UPS设备的模块化冗余系统结构问题； 各种设备和环节连接技术的研究和规范化问题、 供电系统的布局（集中式、区域式、分散式）问 题等,对设备的研究要适应系统研究的变化,设计理念变化(2),越来越多的厂商和用户已经形成这样一个共识：在UPS性能指标已完全满足计算机网络设备要求的情况下，真正能为用户带来价值的是其可用性。,对系统可靠性的研究向可用性研究变化,系统在使用过程中，可以正常使用的时间与总时间之比。可用平均无故障工作时间MTBF和平均修复时间MTTR表示，在概念上它包含了系统中设备的可靠性、可管理性和可维护性。可用性高意味着给用户更多的正常使用时间，把故障后不可用时间降到最低限度。,可用性定义为：,“不停电”观念的变化,市电故障后延时1015分钟供电，保证计算机数据存储并安全关机。 系统要求可靠性,不停电保护系统,市电故障后保证系统不间断继续供电。 系统要求可用性,不停电供电系统,提高设备的可靠性措施,提高设备的MTBF- 提高功率器件的规格和档次（IGBT等） 改进控制技术，提高逻辑控制电路规格和档次（CPU,DSP） 采用更先进的主电路结构 严格生产工艺，加强质量管理（ISO9000）,此方法有效，但是困难大，效果有限 因为：组成UPS主机的上千个元器件和几千个接点，在可靠性等效图上是串连的，整个系统的可用性是这上千个元器件和几千个接点可用性的乘积 受其它元部件工艺和技术革新和发展的限制,系统不可用时间比例,提高可用性的措施之二-冗余配置,系统运行总时间=1,系统可用时间比例A,两个系统串联,两个系统冗余并联,（空间状态图）,保证计算机和网络IT设备正常运行的条件除了配置UPS供电设备外，还必须有与之配套的完整的供电系统、空调及通风系统、机架及IT设备线缆的支撑系统、消防及门禁系统、基建及装修装饰等，统称为网络关键物理基础设施，即NCPI（NetworkCriticalPhysicalInfrastructure），这些设施都会在一定程度上影响信息系统的可用性，所以研究工作自然地就由单纯的电力供应扩展到空气调节（包括IT机架微环境）、IT设备机械支撑、系统的集中管理。 从UPS设备到一体化供电系统，再到NCPI，是供电系统设计思维模式的重大变化。,从对单纯的供电系统研究向 整个IT基础物理设施（NCPI）变化,设计理念变化(三),-系统：相互关联 -实质：IT微环境是终极目标,IT系统对NCPI的终极要求,IT微环境状态 是衡量NCPI质 量的最终标准,Decoration 装修 空调,Ceiling 天花板,Grounding接地,RaisedFloor地板,Shielding 屏蔽,消防,动力配电,机房,机架、微环境 系统管理,IT设备 厂商,NCPI,NCPI与整体机房,机柜（架）-数据中心中与IT设备直接发生联系的基础物理设施要解决的问题： 对不同厂家不同型号设备的兼容； 机架级电源分配和线缆管理； 机架微环境通风散热问题； 机架电源状态和环境（温度、湿度、烟雾等）状况的监测和管理。,提高UPS供电系统的“适应性”,设计理念变化(四),当经济环境的变化周期小于设备的生命周期时，就会对设备的适应性提出要求。由于技术发展和经济环境的不确定性和不可预测性，要求一台设备能够自动而有准备地适应新的需求是根本不可能的。,经济形势的变化； IT设备技术革新和功率密度的变化； 维护人员操作水平的变化、组织管理模式的变化； 设备运行场地的变化等。,五、机房建设内容,保障计算机及网络设备可靠运行 延长计算机及网络设备的使用寿命 保障管理人员的身心健康、方便管理和维护 特殊的业务需求,机房使用要求,机房区环境工程,辅助区环境工程,办公区环境工程,土建工程,空调工程,专用空调系统,新风系统工程,舒适性空调系统,弱电工程,设备集中监控系统,KVM管理系统,结构化布线系统,漏水检测系统,安防系统,监控中心控制系统,不间断电源配电系统,电气工程,照明配电系统,动力配电系统,电源防雷系统,柴油发电机配电系统,机房接地系统,自动报警系统,辅助分区水喷淋系统,机房区气体灭火系统,消防工程,工 程 内 容,六、机房建设重点,供配电系统,机房的设备属计算机系列设备，供电质量的好坏，将直接影响信息机房设备的正常运行，当电网处于过度状态时，数据会出错，电网扰动在工频一周内，会引起错误的打印输出。电网扰动时间较长则计算机设备就要停机。频率的改变，造成同步感应电动机的转速变化，磁盘机中磁盘主轴的角速度随之变化，引起信号存取频率改变，产生错误，甚至丢失信息。 由此可见，供电系统提供电能的质量对计算机及其附属设备的正常运行是非常重要的，为确保信息机房的设备可靠运行，必须建立良好的供配电系统。,供配电系统-市电负载,依据机房建设等级确定供电级别后，选择一个切合实际的供电方式。对供电方式的选择应在了解各种供电方式的特点基础上，根据设备、场合、环境和供电条件等实际情况进行设计与施工。,机房供配电系统需要向以下设备提供电源 不间断电源（UPS） 空调、新风（包括机房专用精密空调、普通空调、新风） 照明 维修电源插座及办公等其他电源负载,供配电系统-UPS负载,而不间断电源系统（UPS）又需要向以下设备提供电源 小型机（甚至更高级别的计算机） 服务器 存储设备 核心信息设备（交换机、路由器、防火墙等） 应急照明 消防系统 动环监控系统 机房门禁、安防监控等系统,供配电系统-B级机房,B级机房配电系统框图,供电设备：精密空调、新风机、市电照明等市电设备,供电设备：精密空调、新风机、市电照明等市电设备,UPS输入配电柜,供配电系统-A级机房,A级机房配电系统框图,末端精密配电示意图,精密配电柜,机架式PDU （同一网络机柜内）,防溅防尘工业接插件 （安装于机柜下方）,双路电源,供配电系统-机柜末端配电,七、机房建设通病,“设计缺陷”带来的问题 “管理缺陷”带来的问题,机房电气系统的常见问题,谐波大的问题（电网或原因） 零地电压高的问题 不是自动旁路的问题 不是真正的双路供电系统 柴油发电机组的容量不够 ATS切换时间设定不合理 UPS 电流整定不合理,机房空调系统的常见问题,气流组织设计的问题 漏水问题 加湿的问题 缺少备机或运行模式不合理 室外机的安装条件不合理的问题 室外机的运行条件与环境条件不匹配 新风系统不能保证机房正压的问题,机房其他的常见问题,网络系统不是真正的冗余 尘埃指标超标 局部温点高 能耗浪费,机房维护管理的常见问题,人员管理 网络系统的线缆 UPS电池,八、机房运营维护,为保证机房的业务连续性和信息安全性，应制定有效的运行维护策略来保证服务的质量，兼顾运行维护过程（及时和规范）和运行维护结果（可用和安全），实现“事前防范，风险前移；事中控制，快速响应；事后改进，持续评估”的原则。,机房运行维护内容包括例行操作、响应支持、优化改善、调研评估等四部分内容 机房运行维护涉及的对象包括：机房基础设施环境、网络及网络设备、基础服务器系统环境、应用环境四大类，具体包括机房基础设施、网络及网络设备、服务器、存储、数据库、中间件、数据、应用软件等等具体对象。,机房基础设施技术支持人员要求分供配电、空调、消防、安防、弱电智能配备相应的专业技术支持人员。熟练掌握机房基础设施相关设备的安装、调试和维护，拥有相关设备系统的培训和认证。,九、机房供配电的几种典型设计,单机双总线供电系统,并机双总线供电系统,2N模式供电系统,2（N+1）模式供电系统,UPS输入配电柜,十、UPS工作原理,负载,逆变器,电池组,充电器,175264V,220±4±10V,功率等级0.25-3KVA左右,后备式UPS基本原理（一）,- 市电正常时，它向负载提供的是抽头变压器稍 加稳压处理的“低质量”交流电，逆变器不工 作，蓄电池由独立的充电器充电。 - 当市电超出规定范围时，负载由继电器转为电 池逆变供电。,后备式UPS基本原理（二）,负载,低通滤波器,逆变器/充电器,降压绕组,升压绕组,电池组,175264V,150175V,264276V,功率等级0.7-20KVA左右,互动式UPS基本原理（一）,Dalta变换式UPS基本原理（二）, 市电正常时，85能量有市电直接提供，15能 量由一个逆变器提供 当市电异常时，100能量有电池提供。 无法解决市电上的谐波污染，比如：频率 异常、浪涌、噪声等，将直接输入到重要负载。,整流,逆变,充电器,电池组,输入EMI,输出EMI,负载,市电,维修开关,旁路输入空开,市电输入空开,切换开关,1 2 3 4,功率等级0.7-1500KVA左右,在线式UPS基本原理（一）,在线式UPS基本原理（二）,不管电网电压是否正常，输出交流电压都要经过 逆变器，即逆变器始终处于工作状态。,在主路市电正常时，UPS一方面通过整流器、逆变器给负载 在线提供高品质交流电源；另一方面通过整流器为电池充电，将 能量储存在电池中 ，如图：,在线式UPS市电逆变工作模式,当主路市电掉电或不正常时，系统自动无间断地切换到电池 工作模式，由电池逆变出用户所需的三相四线交流电源向负载供 电。市电恢复后系统自动无间断地恢复到正常工作模式 ，如图：,旁路工作方式有两种，一种能自动恢复到正常工作模式；另一种需人工干预才能回到正常工作模式。 在逆变器过载延时时间到、逆变器受大负载冲击等情况下，系统自动无间断切换到静态旁路电源向负载供电。 在逆变器恢复正常后，系统自动恢复正常供电方式。 当用户关机，或主路市电掉电（或不正常）且电池储能耗尽，或发生严重故障等情况下，逆变器关闭，系统会停留在旁路工作模式。此后若需恢复到正常工作模式，则需要用户重新开机，如图：,需要对UPS电源及电池等进行全面检修或设备故障需维修时，可以通过闭合维护开关Q3BP，将负载转向维修旁路直接供电，以实现对UPS不停电维护。维修需要断开UPS内部的主路、旁路输入电源和电池输入开关以及输出开关，实现UPS内部不带电而对负载仍然维持供电的维修工作模式，如图：,UPS高可靠性供电方案,方案一：主从机串联“热备份”方案,适用范围：中小功率机型 优点： 价格便宜，安装方式简单可靠。 缺点： 从机电池寿命缩短。 对单机抗阶跃负载能力要求高。 没有扩容能力。,市电,负载,主路,从机,旁路,从机输出,方案二：直接并机型冗余供电,适用范围：大功率机型 优点： 多台UPS平均分摊负载、可靠性高。 缺点： 控制电路复杂。成本高。 形式较多：直接并机（N+1)、并机柜方式(并机旁路柜） 、导航型方式、热同步方式。,市电,负载,主机,从机,从机输出,并机逻辑控制,并联的目的,1、可以组成很大容量的交流电源系统； 2、可以组成冗余系统以提高系统的可靠性； 3、可以灵活配置系统的容量，便于扩容，并降低用户的初始投资； 4、系统具有很好的可维护性,并联的基本条件：除并机系统各单机必须满足机型和容量相同，软件 和硬件版本需一致外，还需满足以下条件：,电压幅值相等 输出滤波器参数一致 电压频率一致 控制系统稳定 电压相位一致 均流一致,方案三：双母线供电,母线一,母线二,UPS国内外主要品牌,主要有： Eaton 台达（中达）； 梅兰日兰； 艾默生； APC 施耐德 山特（中小功率）,