大型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計

杜懿凡

(中國中建設(shè)計集團有限公司,北京 100037)

0 引言

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展以及大量信息、數(shù)據(jù)的交互往來，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)、使用已經(jīng)成為必然趨勢，目前，幾乎所有大型企業(yè)、機構(gòu)都建立了自己的數(shù)據(jù)中心。因此，對數(shù)據(jù)中心用電負荷準確分級，提供合理、安全、可靠的供電方案成為使IT設(shè)備穩(wěn)定運行，信息數(shù)據(jù)安全交互的重要前提和保障。對此，筆者將結(jié)合實際項目中數(shù)據(jù)中心的設(shè)計以及目前一些針對數(shù)據(jù)中心的主流設(shè)計思路及做法，對數(shù)據(jù)中心在用電設(shè)備負荷分級、供電方案選擇等問題進行詳細闡述。若見解有誤之處，望同行們批評指正。

1 工程概況

本文所介紹的是某航空公司設(shè)置在其運控中心的數(shù)據(jù)中心工程，該工程根據(jù)業(yè)主以往的運行使用經(jīng)驗以及實際需求，在建筑物首層共設(shè)置4個數(shù)據(jù)主機房，其中1、2號主機房為一期使用，3、4號機房為二期使用，每個主機房面積為250 m2，主機房總建筑面積1 000m2。另在建筑首層設(shè)置數(shù)據(jù)中心的輔助用房，包括IT監(jiān)控室、運營商進線間、值班前廳、庫房等共計約660 m2。

在建筑物地下一層設(shè)置數(shù)據(jù)中心的支持區(qū)，包括數(shù)據(jù)中心專用變配電室、柴油發(fā)電機房、UPS室、電池室、制冷機房等設(shè)備機房共計約1 500 m2。

2 數(shù)據(jù)中心等級的確定以及用電設(shè)備負荷分級

2.1 數(shù)據(jù)中心等級的確定

數(shù)據(jù)中心的等級與其使用性質(zhì)、數(shù)據(jù)丟失或網(wǎng)絡(luò)中斷在經(jīng)濟或社會上造成的損失或影響程度有關(guān)，GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱“《數(shù)規(guī)》”)中將數(shù)據(jù)中心的等級分為A、B、C三級。根據(jù)《數(shù)規(guī)》第3.1條相關(guān)規(guī)定，符合下列情況之一的數(shù)據(jù)中心應為A級：(1)電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成重大的經(jīng)濟損失；(2)電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成公共場所秩序嚴重混亂。符合下列情況之一的數(shù)據(jù)中心應為B級：(1)電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成較大的經(jīng)濟損失；(2)電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成公共場所秩序混亂。不屬于A級或B級的數(shù)據(jù)中心為C級。

本文所介紹的數(shù)據(jù)中心對所有航班的編排調(diào)配、機組人員的飛行簽派、機務(wù)維修、物流運送等安全有序的運行起著至關(guān)重要的作用，航空公司電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成重大的經(jīng)濟損失和公共場所秩序混亂，因此，根據(jù)《數(shù)規(guī)》相關(guān)規(guī)定，本文所寫數(shù)據(jù)中心按A級設(shè)計。

2.2 數(shù)據(jù)中心用電設(shè)備的負荷分級

《數(shù)規(guī)》中對數(shù)據(jù)中心內(nèi)具體用電設(shè)備的負荷分級并未做出明確規(guī)定，其他規(guī)范對此也并未提及，但可以視數(shù)據(jù)中心的等級、使用性質(zhì)、用電設(shè)備對保障數(shù)據(jù)中心可靠運行的重要程度，來進行相應的負荷分級。對此，筆者建議A級數(shù)據(jù)中心用電設(shè)備的負荷等級可按表1進行劃分。

A級數(shù)據(jù)中心用電負荷分級 表1

2.3 不同等級負荷的供電措施

對于數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)的IT設(shè)備、空調(diào)和制冷設(shè)備、監(jiān)控中心等一級負荷中的特別重要負荷，除了保證雙重電源外，還應設(shè)置應急電源?？梢栽O(shè)置UPS系統(tǒng)為IT設(shè)備的應急電源，主要是為了滿足此類負荷需要不間斷供電的要求；空調(diào)和制冷設(shè)備等大容量負荷可選用柴油發(fā)電機組作為其應急電源。

一級負荷中的消防負荷采用雙重電源供電，末端設(shè)置ATSE互投。

一級負荷中的非消防負荷采用雙重電源供電，如果用的負荷容量較大，采用雙重電源末端互投的方式供電；如果負荷容量較小，可分區(qū)域設(shè)置ATSE，再放射式供電至各個用電點。

二級負荷采用兩回線路供電，分區(qū)域設(shè)置ATSE互投。

三級負荷采用單回線路供電。

3 變配電室及電氣機房的設(shè)置

根據(jù)《數(shù)規(guī)》第3.2.1條有關(guān)規(guī)定，A級數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施按容錯系統(tǒng)配置，即在電子信息系統(tǒng)運行期間，基礎(chǔ)設(shè)施可以在一次意外事故后或單系統(tǒng)設(shè)備維護或檢修時仍能保證電子信息系統(tǒng)的正常運行。因此，在變配電室和電氣機房的設(shè)置上，把為數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備供電的兩組變壓器、為數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備供電的兩組變壓器、UPS以及蓄電池組分別設(shè)置在兩套獨立的電氣用房內(nèi)，使相互備用的設(shè)備在物理空間上隔離。

數(shù)據(jù)中心專用變配電室設(shè)置如圖1所示，在數(shù)據(jù)中心變配電室A中放置為4個IT設(shè)備主機房服務(wù)的1#變壓器、低壓配電柜、第一組UPS以及其進出線柜；在數(shù)據(jù)中心變配電室B中放置為4個IT設(shè)備主機房服務(wù)的2#變壓器、低壓配電柜、第二組UPS以及其進出線柜。

在動力變配電室A中放置為數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備(如冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、精密空調(diào)等)服務(wù)的1#變壓器、低壓配電柜；在動力變配電室B中放置為數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備服務(wù)的2#變壓器、低壓配電柜、UPS以及其進出線柜。

在電池室A和電池室B分別設(shè)置了4列蓄電池架，用來放置為4個IT設(shè)備主機房服務(wù)的UPS的后備蓄電池組。根據(jù)《數(shù)規(guī)》中有關(guān)規(guī)定，柴油發(fā)電機做完后備電源時，蓄電池組的容量可滿足單臺UPS滿負荷運行15min，整個系統(tǒng)滿負荷運行30min。

圖1 數(shù)據(jù)中心專用變配電室設(shè)置圖

4 UPS、變壓器、柴油發(fā)電機容量的確定

4.1 UPS容量的確定

根據(jù)業(yè)主的使用功能要求，每個機房模塊內(nèi)安裝86個服務(wù)器機柜、22個網(wǎng)絡(luò)機柜，按平均每個機柜4kW計算，則一個IT設(shè)備主機房的設(shè)備安裝容量Pe=108×4=432kW，計算有功功率Pj=Pe×0.8=345kW，計算視在功率Sj=Pj/0.9=383kVA，所以為每個機房模塊內(nèi)IT設(shè)備供電的UPS選用400kVA即可。另外，考慮到監(jiān)控運維室、應急照明等用電負荷，在400kVA容量的基礎(chǔ)上，將其中一臺UPS的容量擴大到500kVA。

根據(jù)《數(shù)規(guī)》，A類數(shù)據(jù)中心UPS采用多組2N供電系統(tǒng)，所以在數(shù)據(jù)中心變配電室A、B中分別設(shè)置UPS，且兩組UPS互為備用，平時分列運行，當其中一組UPS發(fā)生故障或保養(yǎng)維修時，另一組UPS可以滿足全部IT設(shè)備運行使用。

綜上，為IT設(shè)備供電的UPS總裝機容量為 3 400kVA，具體安裝位置、數(shù)量及容量見表2。

IT設(shè)備專用UPS信息列表 表2

4.2 變壓器容量的確定

4.2.1 為IT設(shè)備供電的變壓器容量

由4.1可知，全部IT設(shè)備運行的UPS總裝機容量，列如變配電室自用電，可得單側(cè)1臺2 000kVA的變壓器即可滿足全部IT設(shè)備用電。因供電系統(tǒng)采用2N系統(tǒng)，故此在數(shù)據(jù)中心變配電室A、B中各設(shè)置一臺2 000kVA的變壓器，兩臺變壓器低壓母線段中間設(shè)置母聯(lián)開關(guān)，兩臺變壓器互為備用，平時分列運行，每臺變壓器的負載率為42.5%，當一臺變壓器故障時，另一臺變壓器可以承擔全部負荷。綜上，為IT設(shè)備供電的變壓器總裝機容量為4 000kVA。

4.2.2 為制冷設(shè)備供電的變壓器容量

本工程在地下一層設(shè)置一個專為數(shù)據(jù)中心服務(wù)的制冷機房，制冷機房內(nèi)設(shè)置3臺223kW冷水機組、3臺37kW冷凍水泵、3臺55kW冷卻水泵(均為兩用一備)，以及其他設(shè)備16kW。在屋頂設(shè)置3臺(兩用一備)60kW冷卻塔，每個機房模塊設(shè)置5臺(四用一備)5kW精密空調(diào)，另再加上變配電室和柴發(fā)機房用電以及一些其他設(shè)備用電，整個數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備的總安裝容量Pe=1 056kW，計算有功功率Pj=950.4kW，視在功率Sj=1 056kVA。

根據(jù)《數(shù)規(guī)》A級數(shù)據(jù)中心有關(guān)規(guī)定，供電系統(tǒng)應采用2N系統(tǒng)，故選用2臺1 250kVA的變壓器為數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備及附屬設(shè)備供電，分別設(shè)置在動力變配電室A、B中，低壓母線段中間設(shè)置母聯(lián)開關(guān)，互為備用，平時分列運行，每臺變壓器的負載率為42.2%，當一臺變壓器故障時，另一臺變壓器可以承擔全部負荷。

綜上，為數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備供電的變壓器總裝機容量為 2 500kVA。變壓器具體安裝位置、數(shù)量及容量見表3。

數(shù)據(jù)中心專用變壓器信息列表 表3

4.3 柴油發(fā)電機組容量的確定

根據(jù)《數(shù)規(guī)》第8.1.12條有關(guān)規(guī)定，A 級數(shù)據(jù)中心應由雙重電源供電，并應設(shè)置備用電源。經(jīng)過綜合分析比較計算，本工程共設(shè)置3臺基本功率為1 600kW，性能等級為G3級別的10kV柴發(fā)機組為數(shù)據(jù)中心專用備用電源，3臺機組采用并機運行方式。

3臺柴油發(fā)電機組經(jīng)過并機柜輸出2回10kV線路引至運控中心10kV總配電室兩段不同的10kV重要負荷母線段，和市電電源進行互投后再供電給數(shù)據(jù)中心變壓器，市電電源和柴發(fā)機組電源互投處設(shè)置電氣聯(lián)鎖措施， 保證市電和柴發(fā)電源不會并列運行。

1號發(fā)電機房控制室設(shè)置柴發(fā)測試母線段，輸出1路電纜至屋頂10kV柴發(fā)測試負載，屋頂設(shè)置1臺1 600kW柴發(fā)測試負載。柴發(fā)機組1～3都可通過手動操作，接入柴發(fā)測試負責進行測試。

柴發(fā)機房內(nèi)每臺油機各配置1個1m3日用油箱及相應管道至室外加油口。根據(jù)業(yè)主要求，室外不設(shè)置柴油儲罐，通過和附近加油站簽訂供油協(xié)議，可以保障應急情況下的柴發(fā)供油。柴油發(fā)電機組具體安裝位置、數(shù)量及容量見表4。

數(shù)據(jù)中心專用柴油發(fā)電機組信息列表 表4

5 供配電系統(tǒng)

5.1 數(shù)據(jù)機房供配電系統(tǒng)

本工程數(shù)據(jù)中心等級為A級，為IT負載供電的變壓器及不間斷電源UPS系統(tǒng)采用2N系統(tǒng)，兩組變壓器和UPS之間互為備份，當其中一組變壓器及UPS故障時，另一組變壓器和UPS仍能保證全部IT設(shè)備正常運行。

不間斷電源UPS系統(tǒng)電池后備時間≥15min。UPS 主機可提供RS232 或RS485 等智能通信接口，實現(xiàn)遠程遙控、遙信遙測功能，系統(tǒng)能全面了解UPS 的運行狀態(tài)以及并機狀態(tài)，隨時監(jiān)測記錄UPS 機組的運行狀態(tài)的各種參數(shù)，并支持智能電池管理。

UPS 交流配電柜至各臺UPS 主機之間各設(shè)置主路及靜態(tài)旁路輸入開關(guān)。UPS 系統(tǒng)配備所需的機械和電氣聯(lián)鎖裝置，可實現(xiàn)安全維修旁路和負載組運行。

機房設(shè)備電源由安裝于變電室內(nèi)的UPS電源裝置引來至列頭柜，再由列頭柜提供電源至弱電機柜，數(shù)據(jù)機房供電系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)示意圖

5.2 制冷設(shè)備供配電系統(tǒng)

大型制冷設(shè)備，如冷水機組采用放射式供電，末端互投；小容量制冷設(shè)備，如精密空調(diào)、冷卻水泵、冷凍水泵等采用樹干式供電，末端每臺空調(diào)、水泵配置獨立雙電源互投箱。其中冷凍水泵、精密空調(diào)一路電源由UPS不間斷電源提供。

6 結(jié)束語