集裝箱式數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘代華 徐迅 鄭 妍 湖北廣播電視臺(tái)

集裝箱式數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘代華 徐迅 鄭 妍 湖北廣播電視臺(tái)

本文以省級(jí)廣播電視臺(tái)集裝箱式數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為案例，分析了供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則，介紹了供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，給出了負(fù)荷計(jì)算及設(shè)備選型的方法。

數(shù)據(jù)中心 供配電設(shè)計(jì) 負(fù)荷計(jì)算 設(shè)備選型

1. 引言

近年來(lái)，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，許多大型企業(yè)為滿足自身發(fā)展需要，開始建設(shè)自己的數(shù)據(jù)中心。集裝箱式IDC機(jī)房因其占地面積小、布置靈活、建設(shè)周期短，正越來(lái)越多的得到廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合湖北廣電長(zhǎng)江云集裝箱式數(shù)據(jù)中心機(jī)房的建設(shè)，介紹IDC機(jī)房供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2. 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

長(zhǎng)江云集裝箱IDC機(jī)房位于湖北廣播電視臺(tái)彩電中心電視大樓東南角，占地面積僅100平方米，由華為技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)。機(jī)房?jī)?nèi)部安裝有32臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，并配備視頻監(jiān)控、消防報(bào)警等配套設(shè)施。空調(diào)室外機(jī)安裝在集裝箱頂部，UPS電源安裝在獨(dú)立的房間。機(jī)房建成之后，在里面搭建湖北廣電新媒體融媒平臺(tái)，匯聚全省政務(wù)信息，實(shí)現(xiàn)頻道節(jié)目制作、新聞資源共享。

3. 數(shù)據(jù)中心分級(jí)

根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》，數(shù)據(jù)中心機(jī)房可劃分為A、B、C三個(gè)級(jí)別。長(zhǎng)江云集裝箱IDC機(jī)房按照A級(jí)機(jī)房設(shè)計(jì)，機(jī)房?jī)?nèi)IDC設(shè)備用電按照一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷設(shè)計(jì)，空調(diào)用電按照一級(jí)負(fù)荷設(shè)計(jì)。規(guī)范規(guī)定： “A級(jí)數(shù)據(jù)中心機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)應(yīng)按照容錯(cuò)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在信息系統(tǒng)運(yùn)行過程中，場(chǎng)地設(shè)施不因操作失誤、設(shè)備故障、外部電源中斷以及維修、檢修時(shí)誤操作而導(dǎo)致信息系統(tǒng)中斷運(yùn)行”。

4. 設(shè)計(jì)原則

按照數(shù)據(jù)中心和負(fù)荷分級(jí)要求，本項(xiàng)目供配電設(shè)計(jì)遵循以下原則：

(1)安全可靠。數(shù)據(jù)中心安全可靠的運(yùn)行是供配電設(shè)計(jì)的最基本原則。

(2)容錯(cuò)。應(yīng)窮盡一切可能會(huì)發(fā)生的錯(cuò)誤，采用必要措施，防止錯(cuò)誤的發(fā)生。

(3)冗余。應(yīng)充分考慮必要的冗余，保證設(shè)備檢修、設(shè)備維護(hù)不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

(4)接線簡(jiǎn)單。系統(tǒng)接線盡可能簡(jiǎn)潔明了。

5. 供電方案

5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)江云集裝箱數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)江云集裝箱IDC機(jī)房供配電系統(tǒng)圖

5.2 供電電源

5.2.1 10KV供配電系統(tǒng)

長(zhǎng)江云數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電電源取自10KV中心配電室，相距約150米。中心配電室10KV供電系統(tǒng)分別從兩個(gè)不同變電站，沿不同的路徑引入兩路10KV專線至中心配電房的主備電源進(jìn)線柜，10KV母線采用單母線分段運(yùn)行。當(dāng)其中一路市電發(fā)生故障，通過母聯(lián)開關(guān)切換，由另一路市電帶全部一級(jí)負(fù)荷。5.2.2 380V低壓配電系統(tǒng)

10KV中心配電房配置有4臺(tái)變壓器，2臺(tái)500KVA工藝專用變壓器通過單母線分段運(yùn)行，互為備用，專供一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷。2臺(tái)1600KVA動(dòng)力變壓器通過單母線分段運(yùn)行，互為備用，主要供動(dòng)力、照明。4臺(tái)變壓器平常各帶50%的負(fù)荷，當(dāng)其中1臺(tái)變壓器發(fā)生故障，通過母聯(lián)開關(guān)切換，由另1臺(tái)變壓器將全部負(fù)荷帶上。

從2臺(tái)500KVA的變壓器饋線柜各引一回380V電源至IDC機(jī)房，1回路送至UPS電源輸入柜，經(jīng)過UPS電源后送至集裝箱機(jī)房的1號(hào)交流列頭柜，再分別送至各機(jī)架PDU，向設(shè)備供電。1回直接送至2號(hào)交流列頭柜，再分別送至各機(jī)架PDU，向設(shè)備供電。

從2臺(tái)1600KVA變壓器的饋線柜分別引2路獨(dú)立的380V電源至UPS電源室的動(dòng)力進(jìn)線配電柜，再引6回低壓線路至IDC機(jī)房空調(diào)配電箱的ATS切換開關(guān)，向6臺(tái)精密空調(diào)供電。

5.3 UPS電源系統(tǒng)

按照《廣播電視安全播出管理實(shí)施細(xì)則》規(guī)定：省級(jí)廣播電視屬于一級(jí)安全播出保障等級(jí)，一級(jí)主要播出負(fù)荷應(yīng)采用UPS電源供電。本項(xiàng)目配置一臺(tái)模塊化UPS電源，后備時(shí)間30min，向IDC機(jī)房設(shè)備供電。

5.4 自備發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

中心配電房配置2臺(tái)1000KW柴油發(fā)電機(jī)互為備用，發(fā)電機(jī)輸出電源經(jīng)過ATS切換開關(guān)分別接入2臺(tái)500KVA變壓器的進(jìn)線柜。當(dāng)兩路市電同時(shí)停電時(shí)，發(fā)電機(jī)可在1分鐘內(nèi)完成啟動(dòng)，原2臺(tái)500KVA變壓器所帶全部負(fù)荷通過ATS切換開關(guān)切換到發(fā)電機(jī)電源上，由發(fā)電機(jī)供電。

6. 主要設(shè)備選型

6.1 UPS電源

集裝箱IDC機(jī)房?jī)?nèi)部共安裝IT設(shè)備機(jī)架24臺(tái)，每臺(tái)機(jī)架可提供7KW功率輸出，需要系數(shù)取0.8，則計(jì)算額定功率為134KW。

UPS設(shè)備輸出有功功率按公式（1）計(jì)算：

6.2 空調(diào)設(shè)備

空調(diào)的制冷量根據(jù)機(jī)房冷負(fù)荷來(lái)確定，一般依據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用“功率及面積法”計(jì)算。計(jì)算如式（2）：

其中：Qt-總制冷量（KW）；Q1-機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備負(fù)荷，Q1=設(shè)備功率×0.8；Q2-機(jī)房環(huán)境冷負(fù)荷，Q2=（0.12～0.18kW/m2）×機(jī)房面積。

根據(jù)公式計(jì)算得空調(diào)冷負(fù)荷為113KW，按照n+2冗余方式配置6臺(tái)精密空調(diào)，每臺(tái)制冷量35KW，常用140KW，可滿足機(jī)房制冷需求。

6.3 電纜

（1）UPS電源輸入電纜

UPS輸入電流計(jì)算如式（3）：

其中，整機(jī)效率取0.8，輸入功率因數(shù)取0.99。根據(jù)公式計(jì)算得UPS電源輸入電流為：326A。

為提高UPS電源系統(tǒng)的運(yùn)行效率，盡可能延長(zhǎng)UPS電源的使用壽命，用戶負(fù)載一般僅占UPS輸出功率的60%-70%。根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況，安全系數(shù)取：0.9。

同時(shí)考慮UPS的充電電流(一般取UPS電源輸出功率的10%，本項(xiàng)目取30A)，則UPS電源輸入電流計(jì)算得：323A。

查電氣工程設(shè)計(jì)手冊(cè)，環(huán)境溫度25度時(shí)，ZRYJV-4*240+1*185規(guī)格電纜在空氣中敷設(shè)載流量507A，考慮環(huán)境溫度修正系數(shù)、穿管系數(shù)后，允許載流量359A，符合輸入電流計(jì)算要求。因此，輸入電纜選用：ZR-YJV-4*240+1*185。

（2）空調(diào)電源輸入電纜

本項(xiàng)目6臺(tái)精密空調(diào)，每臺(tái)13KW，合計(jì)空調(diào)總功率：98KW。計(jì)算電流為185A。查電氣工程設(shè)計(jì)手冊(cè)，電纜環(huán)境溫度25度時(shí)，ZR-YJV-4*120+1*70規(guī)格電纜，在空氣中敷設(shè)時(shí)的載流量為285A，考慮環(huán)境溫度修正系數(shù)、穿管系數(shù)后，允許載流量228A，符合輸入電流計(jì)算要求。因此，輸入電纜選用：ZR-YJV-4*120+1*70。

6.4 斷路器

開關(guān)額定電流選擇原則如式（4）：

其中，Kx為安全系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取1.1，為計(jì)算電流。

（1）UPS電源進(jìn)線開關(guān)

依據(jù)公式，計(jì)算UPS電源輸入斷路器額定電流為：355A。進(jìn)線開關(guān)額定電流?。?00A，型號(hào)選用：NSX 400 3P。

（2）UPS電源輸出開關(guān)

UPS輸出電流計(jì)算如式（5）

根據(jù)公式計(jì)算得輸出電流為：364A。輸出開關(guān)額定電流?。?00A，型號(hào)選用：NSX 400 3P。

（3）空調(diào)電源輸入開關(guān)

空調(diào)負(fù)荷輸入計(jì)算電流為:185A，開關(guān)額定電流取: 250A，型號(hào)選用：NSX 250 3P。

綜上，本項(xiàng)目主要設(shè)備選型如表1所示。

7. 結(jié)束語(yǔ)

安全、可靠、穩(wěn)定的供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。供配系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)備負(fù)荷計(jì)算要準(zhǔn)確，設(shè)備選型要留足余量；供電方案的選擇要接線簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理，盡可能消除單一節(jié)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)；設(shè)備配置要充分考慮今后維護(hù)管理方便，對(duì)模塊化UPS電源采用n+1配置，對(duì)空調(diào)采用2n配置。

[1]周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華.UPS應(yīng)用與故障診斷.中國(guó)電力出版社, 2008年

[2]張廣明，陳冰,張彥和.數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)與建設(shè),電子工業(yè)出版社，2012

[3]白桂欣，電氣工程常用數(shù)據(jù)速查手冊(cè)，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2007

[4]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》，2009-6-1