淺談數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與民用建筑的幾點(diǎn)區(qū)別

江 峰 / 楊蕾蕾 / 張 健

(中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100044)

淺談數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與民用建筑的幾點(diǎn)區(qū)別

江 峰 / 楊蕾蕾 / 張 健

(中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100044)

以某金融類數(shù)據(jù)中心為例，從負(fù)荷分級、市電電源選擇、備用柴油發(fā)電機(jī)組選擇、供配電設(shè)備配置等方面與民用建筑供配電系統(tǒng)進(jìn)行對比，供設(shè)計(jì)人員參考。

數(shù)據(jù)中心 供配電系統(tǒng) 容錯(cuò)

0 引言

隨著國內(nèi)大數(shù)據(jù)的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)數(shù)量逐年遞增。供配電系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心所有設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障，成為了數(shù)據(jù)中心建設(shè)的核心部分。數(shù)據(jù)中心作為偏工業(yè)性建筑，其設(shè)備用電需求存在一定特殊性，要求設(shè)備連續(xù)工作，任何情況下不允許核心設(shè)備斷電，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的民用建筑供配電系統(tǒng)存在一定差異。

現(xiàn)以某金融類數(shù)據(jù)中心為例，與民用建筑供配電系統(tǒng)進(jìn)行比較。

該金融類數(shù)據(jù)中心建筑面積32 000m2，地上四層為IT主機(jī)房、地下兩層為變配電機(jī)房及冷源機(jī)房，IT設(shè)備負(fù)荷為9 762kW，設(shè)備總安裝功率為16 989kW。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按照GB 50174-2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》A級機(jī)房執(zhí)行。

1 負(fù)荷分級

民用建筑供配電系統(tǒng)中的負(fù)荷分級主要依據(jù)GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》及JGJ 16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)要求。數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷等級則應(yīng)根據(jù)機(jī)房等級，按照GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》及GB 50174-2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A的要求進(jìn)行分類。

根據(jù)規(guī)范要求，民用建筑中通常除消防負(fù)荷、安防負(fù)荷、客梯電力、重要的給排水設(shè)施外，大部分用電設(shè)備均屬于三級負(fù)荷(如普通照明、舒適性空調(diào)等)。而在本金融類數(shù)據(jù)中心中，其用電設(shè)備除部分普通照明負(fù)荷外，絕大部分屬于機(jī)房功能性設(shè)備，均屬于一級負(fù)荷甚至是一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，需要由雙路市電+柴油機(jī)進(jìn)行供電保障。

針對本金融類數(shù)據(jù)中心自身的供電要求，將各種設(shè)備的負(fù)荷等級進(jìn)行了明確劃分，詳見表1。除三級負(fù)荷外，將需要由不間斷電源承擔(dān)的設(shè)備劃分為一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，其他為一級負(fù)荷。

表1 某金融類數(shù)據(jù)中心負(fù)荷分級

2 市電電源選擇

GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.0.2條規(guī)定，一級負(fù)荷應(yīng)由雙重電源供電，當(dāng)一路電源發(fā)生故障時(shí)，另一路電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞。因此，在民用建筑供配電系統(tǒng)與此數(shù)據(jù)中心的設(shè)備總?cè)萘苛考壪喈?dāng)時(shí)，以目前國內(nèi)供電部門每路市電所能承擔(dān)的8 000～10 000kW容量計(jì)算，需要從上級降壓站引入兩路市電電源。由于民用建筑中三級負(fù)荷所占比重較大，同時(shí)重要性相對較低，因此當(dāng)其中一路市電電源斷電、切除三級負(fù)荷后，應(yīng)由另外一路市電電源承擔(dān)所有二級及以上負(fù)荷。

該金融類數(shù)據(jù)中心除極少部分三級負(fù)荷外，其他負(fù)荷均為一級負(fù)荷和一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，同組的兩路市電在其中一路斷電的情況下，另外一路市電要求有能力承擔(dān)本組的全部用電負(fù)荷，從而保證本組設(shè)備所需的電源容量。按照該數(shù)據(jù)中心的容量需求，需要從上級降壓站引入四路(兩組：1#和2#，3#和4#)市電電源，并且兩組市電電源之間承擔(dān)的負(fù)荷不存在交集。

GB 50174-2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》同時(shí)規(guī)定 A級電子信息系統(tǒng)機(jī)房內(nèi)的場地設(shè)施應(yīng)按容錯(cuò)系統(tǒng)配置，在電子信息系統(tǒng)運(yùn)行期間，場地設(shè)施不應(yīng)因操作失誤、設(shè)備故障、外電源中斷、維護(hù)和檢修而導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷。

按照規(guī)范規(guī)定，同時(shí)滿足A級機(jī)房“容錯(cuò)”的要求，該數(shù)據(jù)中心設(shè)置兩處電纜分界小室，分別命名為電纜分界小室A和電纜分界小室B。1#與3#市電電源作為A路電源引至電纜分界小室A，2#與4#市電電源作為B路電源引至電纜分界小室B；1#與2#市電電源作為同組互備的兩路電源，承擔(dān)一、二層IT負(fù)荷及對應(yīng)的動(dòng)力負(fù)荷，3#與4#市電電源作為同組互備的兩路電源，承擔(dān)三、四層IT負(fù)荷及對應(yīng)的動(dòng)力負(fù)荷。

3 備用柴油發(fā)電機(jī)組選擇

GB/T 2820.1-2009《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組第一部分：用途、定額和性能》中規(guī)定，發(fā)電機(jī)組根據(jù)使用時(shí)間的長短和負(fù)荷率可以標(biāo)定成不同的功率。COP持續(xù)功率、PRP基本功率、LTP 限時(shí)運(yùn)行功率、ESP 緊急備用功率的標(biāo)定方法參見表2。

表2 發(fā)電機(jī)組各種功率標(biāo)定方法

民用建筑中，為保證一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷用電，宜設(shè)自備應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)容量可按電源變壓器總?cè)萘?0%～20%進(jìn)行估算選擇。當(dāng)民用建筑與該金融類數(shù)據(jù)中心的建筑面積量級相當(dāng)時(shí)，按照100W/m2進(jìn)行估算，總的設(shè)備安裝功率為3 200kW，需要柴油發(fā)電機(jī)組提供的容量為單臺(tái)COP 320～640kW。結(jié)合380/220V配電方案及母線規(guī)格，民用建筑中經(jīng)常選用的備用電源為單臺(tái)380/220V柴油發(fā)電機(jī)組。

而在數(shù)據(jù)中心中，選擇柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)要首先考慮負(fù)載特性。數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷按照負(fù)載特性可以分為兩大類，一類是感性負(fù)載(典型設(shè)備為空調(diào)負(fù)載)，另一類是容性負(fù)載(典型設(shè)備為IT負(fù)載)。容性負(fù)載在電壓滯后電流且其充放電時(shí)電壓值無法突變，其功率因數(shù)總為負(fù)值。發(fā)電機(jī)功率因數(shù)總曲線參見圖1。

圖1 發(fā)電機(jī)功率因數(shù)曲線

GB 50174-2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》8.1.13條規(guī)定，后備柴油發(fā)電機(jī)的容量應(yīng)包括UPS的基本容量、空調(diào)和制冷設(shè)備的基本容量、應(yīng)急照明及關(guān)系到生命安全等需要的負(fù)荷容量。

根據(jù)GB/T 2820.1中相關(guān)規(guī)定，確定柴油發(fā)電機(jī)組功率段時(shí)應(yīng)以其70%的PRP功率或者COP功率進(jìn)行選擇，從而滿足8.1.13條的規(guī)定。

本金融類數(shù)據(jù)中心需要備用柴油發(fā)電機(jī)組保障的設(shè)備負(fù)荷量級約為17 000kW，考慮到國內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)組主流產(chǎn)品規(guī)格及母線規(guī)格，選用PRP 2 200kW功率段 12臺(tái)(11用1備)10kV柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)作為該數(shù)據(jù)中心的備用電源。

4 供配電設(shè)備配置

民用建筑10kV配電設(shè)備主要由電源進(jìn)線隔離柜、電源進(jìn)線柜、計(jì)量柜、聯(lián)絡(luò)柜、隔離聯(lián)絡(luò)柜、饋線柜等組成。通常，民用建筑同組兩路市電的配電單線圖參見圖2。

圖2 民用建筑兩路市電配電單線圖

同組的兩路市電有一路斷電后，綜合繼電保護(hù)裝置合閘聯(lián)絡(luò)柜內(nèi)斷路器，由另外一路市電承擔(dān)本組二級及以上負(fù)荷。通常，民用建筑兩路市電控制邏輯參見表3。

表3 民用建筑兩路市電控制邏輯表

注：1為閉合狀態(tài)，0為分閘狀態(tài)

為滿足A級機(jī)房“容錯(cuò)”的要求，該金融類數(shù)據(jù)中心同組的兩路10kV配電設(shè)備應(yīng)設(shè)置在兩個(gè)房間內(nèi)，聯(lián)絡(luò)方式采用“斷路器+斷路器”的方式。其中，一個(gè)母聯(lián)斷路器配置方式與民用建筑供電系統(tǒng)配置相同，與兩路市電的進(jìn)線斷路器進(jìn)行互鎖，任何情況下僅允許其中的兩個(gè)斷路器同時(shí)合閘；另外一個(gè)母聯(lián)斷路器處于手動(dòng)狀態(tài)(平時(shí)處在常閉狀態(tài))，僅供運(yùn)維人員操作，從而保證本房間內(nèi)運(yùn)維人員的安全。同時(shí)，該數(shù)據(jù)中心采用10kV柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源，并在民用建筑10kV配電設(shè)備基礎(chǔ)上增加柴油發(fā)電機(jī)組電源進(jìn)線柜。10kV配電部分的控制邏輯要求如下。

1)電源供電原則：當(dāng)供電系統(tǒng)中有市電電源時(shí)，優(yōu)先使用市電電源；當(dāng)市電電源全部失電時(shí)，才能啟用柴油發(fā)電機(jī)備用電源。

2)系統(tǒng)運(yùn)行原則：當(dāng)兩路市電電源或兩路柴發(fā)電源正常時(shí)，均可采用分段母線供電方式；當(dāng)任一路市電或柴油發(fā)電機(jī)電源故障時(shí)，采用母聯(lián)合閘、單電源供兩段母線負(fù)載運(yùn)行。

3)禁止兩段母線中一段市電供電、一段柴油發(fā)電機(jī)組供電的運(yùn)行模式。

4)市電電源進(jìn)線與柴油發(fā)電機(jī)電源進(jìn)線斷路器設(shè)置二選一邏輯閉鎖關(guān)系。

5)兩路柴油發(fā)電機(jī)供電時(shí)中壓柜的母聯(lián)投切由PLC控制系統(tǒng)完成。

該數(shù)據(jù)中心同組兩路市電的配電單線圖參見圖3。

可以看出，當(dāng)該數(shù)據(jù)中心同組的兩路市電電源中的一路市電斷電后，綜合繼電保護(hù)裝置合閘母聯(lián)斷路器，由另外一路市電承擔(dān)本組全部重要負(fù)荷；當(dāng)備用柴油發(fā)電機(jī)組電源需要投入使用時(shí)，采用PLC控制系統(tǒng)完成市電與柴油發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)要關(guān)閉PLC控制系統(tǒng)以免影響綜合繼電保護(hù)裝置的正常工作。該數(shù)據(jù)中心同組兩路市電控制邏輯參見表4。

圖3 數(shù)據(jù)中心兩路市電配電單線圖

序號場景1#電源進(jìn)線1#柴油發(fā)電機(jī)電源進(jìn)線母聯(lián)柜手動(dòng)母聯(lián)柜2#柴油發(fā)電機(jī)電源進(jìn)線2#電源進(jìn)線備用11#市電正常，2#市電正常10010121#市電失電，2#市電正常001101綜保控制31#市電正常，2#市電失電1011004兩路市電失電，1#、2#應(yīng)急電源正常0101105兩路市電任一失電，母聯(lián)故障1#、2#電源正常010110PLC控制6兩路市電失電，1#應(yīng)急電源正常，2#應(yīng)急電源故障0111007兩路市電失電，1#應(yīng)急電源故障，2#應(yīng)急電源正常001110

注：1為閉合狀態(tài)，0為分閘狀態(tài)

5 結(jié)束語

保障供電安全可靠作為建設(shè)數(shù)據(jù)中心的核心要求，對數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求必定會(huì)在傳統(tǒng)民用建筑的基礎(chǔ)上有所提高。希望本文能對數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起到一定的參考作用，如有不足之處，請予指正。

[1] GB 50052-2009供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社，2010.

[2] GB 50174-2008 電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社，2009.

[3] JGJ 16-2008民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[4] 郭利群.大中型數(shù)據(jù)中心選用柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)需要考慮的幾點(diǎn)問題[J].機(jī)房技術(shù)與管理,2014(1)：25-27.

Talking about the Differences between Data Center and Civil Building in Power Supply and Distribution System

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Taking a financial data center as an example, compared the aspects of load classification, power supply selection, standby diesel generator sets selection, power supply and distribution equipment configuration with the power supply and distribution system of the civil construction, which can be a reference for designers.

data center, supply and distribution system, fault tolerance