淺談B級數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設計

熊 慧

(中信建筑設計研究總院有限公司，武漢 430014)

0 引言

隨著信息化技術的高速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)快速普及，全球數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長、海量集聚的特點，各類企事業(yè)單位對信息化的需求持續(xù)增長，促進了數(shù)據(jù)中心的建設。數(shù)據(jù)中心是容納計算機房及其支持區(qū)域的一幢建筑物或建筑物的某個部分，主要設置進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)交換的計算機、網(wǎng)絡設備、電子設備等。

目前國內(nèi)數(shù)據(jù)中心設計主要遵循的規(guī)范為GB 50174- 2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》(以下簡稱“《數(shù)據(jù)中心規(guī)范》”)。由于各行各業(yè)對數(shù)據(jù)中心的要求差別較大，該規(guī)范根據(jù)數(shù)據(jù)中心的使用性質、數(shù)據(jù)丟失或網(wǎng)絡中斷在經(jīng)濟或社會上造成的損失或影響程度，將數(shù)據(jù)中心分為A、B、C三個等級，以滿足不同的性能要求：A級：容錯數(shù)據(jù)中心，可靠性和可用性最高；B級：冗余數(shù)據(jù)中心，可靠性和可用性居中；C級：滿足基本需要，可靠性和可用性等級最低。

綜合考慮數(shù)據(jù)中心可靠性和可用性、投資估算、運維復雜程度以及場地條件等多重因素，越來越多的企事業(yè)單位業(yè)主選擇不設置后備柴油發(fā)電機系統(tǒng)，建設B級數(shù)據(jù)中心。本文基于某市級公安部門數(shù)據(jù)中心項目實例，對B級數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)設計進行介紹。

1 B級數(shù)據(jù)中心對供配電系統(tǒng)的技術要求

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心規(guī)范》附錄A：各級數(shù)據(jù)中心技術要求，將B級數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)技術要求總結如下。

(1)B級數(shù)據(jù)中心供電電源宜由雙重電源供電。當供電電源只有一路時，需設置后備柴油發(fā)電機系統(tǒng)。

(2)B級數(shù)據(jù)中心變壓器應滿足冗余要求，宜N+1冗余。

(3)當B級數(shù)據(jù)中心設有后備柴油發(fā)電機系統(tǒng)時，柴油發(fā)電機系統(tǒng)宜N+1冗余；后備柴油發(fā)電機系統(tǒng)的基本容量應包括不間斷電源系統(tǒng)的基本容量、空調(diào)和制冷設備的基本容量。

(4)不間斷電源系統(tǒng)(UPS系統(tǒng))宜N+1冗余；不間斷電源系統(tǒng)應設置自動轉換旁路和手動維修旁路；當柴油發(fā)電機作為后備電源時，不間斷電源系統(tǒng)電池最少備用時間為7min。

(5)空調(diào)系統(tǒng)配電采用雙路電源，末端切換。宜采用放射式配電系統(tǒng)。

當B級數(shù)據(jù)中心不設后備柴油發(fā)電機系統(tǒng)時，不間斷電源系統(tǒng)電池的最少備用時間在《數(shù)據(jù)中心規(guī)范》中并未提及。當數(shù)據(jù)中心兩路外部電源均失電后，數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)將停止運行，而數(shù)據(jù)中心IT設備由UPS后備電池繼續(xù)供電。這時候UPS電源的作用主要是維持IT設備正常關機或者IT系統(tǒng)正常切換到災備系統(tǒng)所需要的時間。鑒于上述原因，筆者建議，當B級數(shù)據(jù)中心不設柴油發(fā)電機作為后備電源時，不間斷電源系統(tǒng)電池最少備用時間為30min。

2 某B級數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設計實例分析

2.1 項目概況

該數(shù)據(jù)中心由主機房區(qū)、輔助區(qū)(用于電子信息設備和軟件的安裝、調(diào)試、維護、運行監(jiān)控和管理的場所)和支持區(qū)(為機房提供動力支持和安全保障的區(qū)域)組成。

主機房位于新建辦公大樓4層，面積約630m2，由8個機房模塊組成，可容納168臺服務器機柜。主機房平面布局圖如圖1所示。

圖1 某B級數(shù)據(jù)中心平面圖(主機房區(qū))

運營商機房、機房輔助區(qū)(包括拆包區(qū)、維修室、上線測試區(qū)、運維人員辦公室、運維監(jiān)控室)和支持區(qū)(包括配電室、UPS電池間、氣瓶間)均位于該辦公大樓3層，總面積約550m2，平面布局如圖2所示。

2.2 負荷分級與負荷計算

2.2.1 負荷分級

數(shù)據(jù)中心用電負載主要包括4大類，其負荷分級表1所示。

IT設備用電：主要為機房模塊內(nèi)的計算機類負載，如系統(tǒng)服務器、存儲設備、終端設備、網(wǎng)絡通訊設備等，對電源質量要求較高，電源連續(xù)性要求高。該類負荷為一級負荷中特別重要負荷，采用“雙路市電+ UPS供電”。

安防系統(tǒng)用電、應急照明等：該類負荷為一級負荷中特別重要負荷，采用“雙路市電+ UPS供電”。

冷源/空調(diào)系統(tǒng)用電：主要為風冷冷水機組、循環(huán)水泵、機房模塊精密空調(diào)等設備供電。由于機房內(nèi)計算機設備不間斷運行，設備發(fā)熱量較大，設備對機房環(huán)境溫濕度要求較高，因而對機房精密空調(diào)系統(tǒng)運行保障等級要求較高。該類負荷為一級負荷，采用“雙路市電”(末端自動切換)供電。

機房新風系統(tǒng)、照明、插座等其他負荷：該類負荷為二級負荷。考慮到該項目二級負荷容量不大，二級負荷仍采用“雙路市電”(末端自動切換)供電。

圖2 某B級數(shù)據(jù)中心平面圖(機房輔助區(qū)和支持區(qū))

數(shù)據(jù)中心負荷分級表表1

2.2.2 負荷計算

(1)IT設備負荷容量計算

根據(jù)用戶使用需求，每臺服務器機柜容納15臺2U服務器，單臺服務器的使用功率平均按500W考慮，則每臺機柜的容量≥7.5kW。如果采用7U的刀片服務器，每臺服務器機柜容納2臺7U刀片服務器，則每臺機柜的容量≥8kW。考慮到虛擬化及云計算是未來數(shù)據(jù)中心的發(fā)展趨勢，刀片服務器在企業(yè)內(nèi)部已有一定規(guī)模的應用，本項目176臺服務器機柜的容量均按照8kW設計。IT設備功率因數(shù)取0.95，同時系數(shù)取0.9。根據(jù)機房平面布置圖，機房IT設備滿載負荷容量計算如表2所示。

UPS用電負荷計算表 表2

注：由于IT設備開關電源輸入AC/DC變換電路采用了功率因數(shù)校正技術,輸出功率因數(shù)可>0.98,所以計算時將UPS設備輸出功率因數(shù)按0.95考慮。

(2)動力設備容量計算

動力設備功率因數(shù)取0.8，同時系數(shù)取0.8，動力設備負荷容量計算如表3所示。

(3)機房能耗指標PUE計算

由表2～3可知，機房動力總電量為588kVA，機房IT設備總電量為1 327kVA，故機房總設備能耗為 588kVA+1 327kVA=1 915kVA。機房能耗指標PUE=機房總設備能耗÷IT設備能耗=1 915÷1 327=1.44。

該項目機房能耗計算值為1.44，投入運行后該項目實測PUE值為1.56，低于國內(nèi)機房普遍1.8的標準，完全符合現(xiàn)代綠色數(shù)據(jù)中心的節(jié)能標準。

動力負荷計算表 表3

圖3 配電系統(tǒng)圖

2.3 供配電系統(tǒng)

該工程10kV中心配電室高壓系統(tǒng)為單母線分段運行方式，平時兩路10kV電源同時供電各帶50%負荷。當一路10kV電源故障時，另一路10k電源承擔全部負荷。兩路電源高壓主進線開關與聯(lián)絡柜主開關之間設電氣聯(lián)鎖，確保任何情況下3個主開關只能合其中的兩個開關。根據(jù)負荷計算，該項目設置2臺2 000kVA機房專用變壓器，采用(1+1)配置，單臺變壓器的負載率≤50%，當一臺變壓器故障時，另一臺變壓器可帶起全部負荷。

兩臺變壓器0.4kV低壓系統(tǒng)為單母線分段運行方式，兩臺變壓器平時分列運行，聯(lián)絡開關設自投自復/手動轉換開關。自投時應自動斷開非保證負荷，以保證變壓器正常工作。低壓主進開關與聯(lián)絡開關之間設電氣聯(lián)鎖，確保任何情況下只能合其中的兩個開關。

低壓配電系統(tǒng)采用射式與樹干式相結合的方式。對于單臺容量較大的負荷或重要負荷采用放射式供電；對于照明及一般負荷采用樹干式與放射式相結合的供電方式。配電系統(tǒng)圖如圖3所示。

2.4 UPS系統(tǒng)設計

2.4.1 UPS用電負荷計算表

UPS用電負荷主要涉及主機房服務器機柜、弱電列頭柜、運營商機房機柜以及機房安防、動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)業(yè)主要求，每臺服務器機柜功率密度為8kW，弱電列頭柜及運營商機房機柜功率密度均按2kW考慮，UPS用電負荷計算表詳見表3。

根據(jù)負荷計算，UPS負荷總容量為1 327kVA。根據(jù)《數(shù)據(jù)中心規(guī)范》第8.1.7節(jié)，E≥1.2P(E為UPS基本容量，P為UPS計算負荷)，則本項目UPS的基本容量為E≥1.2×1 327kVA=1 592.4kVA。

該項目配置6臺400kVA UPS設備，UPS負載率為55.3%。

2.4.2 UPS系統(tǒng)配置

該項目將IT負載平均分為兩組，6臺400kVA UPS設備也分為2組，3臺并聯(lián)為一組，分別接入A、B路變壓器。每路3臺UPS 2用1備，組成2組N+1供電架構。每路UPS負責整個機房50%的IT負載的供電。

每路UPS均采用(2+1)并機輸出方式，任何一臺UPS故障均不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

由于該項目不設后備柴油發(fā)電機系統(tǒng)，UPS系統(tǒng)電池后備時間按照30min配置。UPS系統(tǒng)結構圖如圖4所示。

圖4 UPS系統(tǒng)結構圖

2.5 IT設備機柜配電設計

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心規(guī)范》第8.1.9節(jié)，電子信息設備的配電宜采用配電列頭柜或專用配電母線。采用配電列頭柜時，配電列頭柜應靠近用電設備安裝；采用專用配電母線時，專用配電母線應具有靈活性。

該項目IT設備機柜通過精密配電列頭柜進行配電。在每列IT設備機柜的端頭設置1臺精密配電列頭柜，A/B路電源由UPS輸出配電柜引入精密配電列頭柜輸入端，再由精密配電列頭柜通過電纜引出至每一臺IT設備機柜內(nèi)。IT設備機柜配電架構圖如圖5所示。

圖5 IT設備機柜配電架構圖

考慮到該項目數(shù)據(jù)中心機房平面布局不具備設備機柜的擴展空間，該項目選擇傳統(tǒng)的精密配電列頭柜方式對IT設備機柜配電，具有成熟、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟等特點。

3 結束語