《科学与生活》杂志论文发表范文-影响数据中心供配电系统安全的因素
摘 要：供配电系统作为数据中心的“心脏和动脉”，其稳定性与安全性将直接影响数据与设备安全。本文从分析数据中心供配电系统的典型构成出发，分析了当前数据中心对于供配电系统的安全需求，并从三个方面多角度梳理了影响数据中心供配电系统安全的主要因素。
关键字：数据中心，供配电系统，安全，因素
数据中心是网络数据的集散地，是为数据集中接收、存储、分发、处理等设备提供基础设施服务的专用场地。近年来，随着大数据、云计算等广泛兴起，数据中心对于网络服务的“生命线”地位也愈发凸显。供配电系统作为能量供给者，在数据中心起到“心脏与动脉”的作用，其稳定性与安全性将直接影响数据与设备安全，同时，数据中心规模的快速扩大也对供配电系统安全稳定提出了更高要求。
一、数据中心供配电系统概述
1.1 数据中心供配电系统组成
数据中心供配电系统是指从接入市电经过高低压配电系统为负载设备提供能量输入，并保持负载设备安全稳定运行的一整套系统[1]，其典型结构主要包括市电引入系统，高低压配电系统、不间断供电系统、应急电源及管理系统、电源分配系统（PDU）、布线系统、接地与防护系统等[2]。其中，高低压配电系统、不间断供电系统和应急电源用于传输分配电能，是系统运行的核心，也是影响供配电系统安全的关键设备，是进行系统安全性设计时应重点考虑的部分。
1.2 数据中心对于供配电系统的安全要求
数据中心电气结构复杂，各类系统用电量大且负载密度高，各类安全隐患多，加之其对确保数据服务持续稳定运行、数据信息安全无虞的特殊要求，对于供配电可用性及电能质量也提出了更高的要求，总的看，主要的安全要求主要是4个方面。一是运行连续，能够为数据中心大型数据存储服务器提供不间断供电，能够有效应对大时间尺度的外部供电异常，保证应急供电的无缝转换，对于小尺度（毫米至分钟级）市电异常，要确保无电压扰动和供电中断等问题，顺变响应恢复时间应小于20毫米；二是供电稳定，为保证数据存储处理正常，要确保提供的电能质量，根据GB/T 12325-2008标准相关要求，供电一类数据中心输出波形失真度应小于2%（阻性负载），并机负载电流不均衡度小于5%[2]；三是相电平衡，即保持三相电源平衡，尽量做到相角平衡以及电压和电流平衡；容错性强，具备冗余设计，确保能够在一次或多次严重外部环境冲击、内部设备故障或人为操作失误等情况后，仍然可以满足数据中心负载设备正常运行的基本需求。
二、影响数据中心供配电系统安全的因素分析
影响数据中心供配电系统安全的因素较多，从国外Uptime Institute等机构提供的实测数据看，主要包括外部环境影响、人为因素影响和设施架构自身可用性影响3个方面，其中，人为操作失误和管理落差距占到影响供配电系统安全比重的70%以上[3]。
2.1 外部环境因素
外部环境是数据中心供配电系统安全的主要制约因素之一，特别是对于高海拔、高温湿度和电力条件不佳等特殊地区，外部环境对系统安全的冲击尤为明显。主要影响因素包括：①温湿度影响，温度过高将加速供配电线路的老化速度，甚至会造成短路烧毁电路元件，造成设备运行瘫痪，据统计，配电设备环境温度比平均温度每上升10℃，相关安全风险将提升5%；湿度过大会腐蚀设备，在电路元件针脚形成水膜造成飞弧和细小电涌，导致元件劣化，影响数据传输安全。②空气洁净度影响，粉尘、腐蚀性气体可能随着数据中心新风系统进入，造成配供电系统运行异常，其中，粉尘对电气设备危害较大，若未及时进行清理导致粉尘堆积，可能造成电路元件短路或散热不充分，腐蚀性气体可能会侵蚀针脚或敏感元件，影响供电质量甚至引发安全事故。③海拔环境影响。近年来，国内数据中心逐步向云贵川等高海拔地区发展建设，高海拔带来空气密度不足等问题对于供配电系统安全影响不容忽视，数据显示，海拔每增高1千米，空气介质绝缘强度将下降8%-13%，变电器散热能力下降5%，可能造成电气击穿或散热不良，形成安全隐患[4]。④市电质量影响，各地区市电供电质量不尽相同，若提供市电污染严重，造成谐波过电流等现象，可能导致供电系统电容器鼓包、漏液，甚至发生爆炸起火。⑤静电影响，供配电系统发生静电放电现象可能对电路正常运行产生干扰，产生电磁脉冲噪音，造成元件受损、数据丢失等问题。⑥谐波污染影响，市电供电可能谐波过大，以及数据中心非线性设备产生大量谐波可能造成谐波污染，在输电线路产生噪声，增加设备损耗，引发设备运行不稳定，甚至产生故障。此外，雷击、停电等特殊外部环境也是影响供配电系统安全运行的重要因素。
2.2 人为因素
制度落实不力、管理水平不足、人工操作失误、维护保养不及时等人为因素是影响数据中心供配电系统安全的核心因素，也是危害最大的因素。主要影响因素包括：①知识性因素。主要是由于设备管理维护人员基础理论知识不足造成，比如，在装配UPS电源时对环境温度等因素考虑不够，放置位置选择不合理，使用前没有对蓄电池等进行核对性或测试性放电试验，运行时缺少对设备实时健康监测，导致设备寿命大幅缩减，而相关管理人员依然按照全额定寿命运行使用，致设备故障引发数据丢失。②操作性因素。主要是设备维护人员在操作维护过程中不遵循标准规程、不参照使用规范，擅作主张违规操作导致引发安全隐患，比如，在对不间断供配系统维护时，执行“误关断”操作引发服务器宕机瘫痪，进行市电线路维护时将相序弄错，导致变压设备受损，UPS加电后未启动逆变器，导致市电断电时未能及时启动应急设备，造成大量数据损失等。③制度性因素。主要包括相关制度制定不合理，设备采购参数不达标、管理落实不到位，应急处理流程不明确，对相关操作人员培训和演练不充分等。④延误性因素。主要是维护人员对设备巡检不够，隐患排查不及时，导致安全隐患累加蔓延，发生安全事故，此类事故在应急和不间断供电系统蓄电池使用维护上较为常见[4]。
2.3设计架构因素
数据中心供配电系统较为复杂，其系统设计架构也是影响设备运行安全的重要因素。主要影响因素包括：①配电设计。数据中心配电设计必须充分考虑业务需求，确保配电架构与成本和安全效益相均衡，由于在配电设计时存在的问题往往需要3-5年才能充分暴露，因此配电设计环节安全隐患往往初期较为隐蔽，一旦出现问题会造成硬件设备损坏等较严重失误[5]。②不间断电源配置。主要包括采购参数选用不合理、蓄电池电力技术不到位、双路供电设计有缺陷等因素，对于数据中心来说，必须保证24小时不断电，不间断电源配置不合理将导致平时与应急切换异常，严重影响数据安全。
三、结束语
数据中心供配电系统对于数据安全和设备平稳运行意义重大，必须综合各方面因素加强安全风险评估，本文从环境因素、人为因素、架构因素3个方面浅析了12种因素对系统安全运行的影响，为加强和改进数据中心供配电系统设计与维护提供了有益借鉴。
参考文献：
[1] 大型数据中心供配电系统规划设计[D].西南交通大学,2017.
[2] 陈友意.数据中心供配电系统架构[J].引文版：工程技术,2016:282.
[3] 数据中心供配电系统可用性设计[D].哈尔滨工业大学,2015.
[4] 陈建;.数据中心供电安全能力提升[J].通信电源技术,2019:60-64.
[5] 陶赟恺.浅议数据中心供配电系统设计[J].科技风,2017:211-211.