某數(shù)據(jù)中心電氣設計方案

董紹兵, 鄭 凱, 袁松林

(1.浙江大學平衡建筑研究中心, 浙江 杭州 310000;2.浙江大學建筑設計研究院有限公司, 浙江 杭州 310000)

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、大數(shù)據(jù)、云計算、邊緣計算的發(fā)展,高靈活性、高可靠性、高可用性和彈性的數(shù)據(jù)中心設計方案被從業(yè)者不斷地探索和追求。如何構建一個既能確保電子信息系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠地運行,又能做到技術先進、經濟合理、安全適用、節(jié)能環(huán)保[1-7]的數(shù)據(jù)中心,不同的用戶和運營者有著不同的理解。本文提出了綜合考慮安裝空間、后期增容、施工周期和總體擁有成本等因素的數(shù)據(jù)中心電氣設計方案。

1 工程概況

某科創(chuàng)園區(qū)內A10#樓設置數(shù)據(jù)中心,按GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》B級進行設計[8]。數(shù)據(jù)中心樓層功能分布示意圖如圖1所示,地下一層主要為20 kV配電室、A10#變電所、A11#變電所、冷凍機房、蓄冷室等;一層為A12#變電所、UPS配電間、蓄電池室等;二層為A13#變電所、UPS配電間、蓄電池室等;三層和四層為服務器機房;五層及以上為試驗室。數(shù)據(jù)中心機房共設置13組微模塊,IT機柜320臺,其中包括5 kW機柜38臺,8 kW機柜182臺,20 kW機柜100臺。

圖1 數(shù)據(jù)中心樓層功能分布示意圖

2 變電所、UPS設置方案

電子信息設備由不間斷電源系統(tǒng)(UPS)供電,采用2 N系統(tǒng);地下室設置滿足15 min應急供冷的蓄冷罐,冷凍水泵、列間空調,由UPS供電。根據(jù)負荷計算,兩路20 kV電源引自市政電網(wǎng),可滿足雙重電源供電要求,A10#樓設置4個20 kV變電所,每個變電所均設置2臺變壓器,為數(shù)據(jù)中心供電的變壓器滿足容錯要求,負載率不大于50%,變電所設置情況如表1所示,裝機容量合計12 800 kVA。數(shù)據(jù)中心設置UPS配電室3個,按2 N設置UPS,每臺UPS需配置自動轉換旁路(靜態(tài)旁路)、手動維修旁路,UPS設置情況如表2所示,裝機容量合計8 000 kVA,各UPS均按備用時間15 min設置電池。

表1 變電所設置情況

表2 UPS設置情況

3 冷水機組供電方案對比

制冷機房設置3臺功率為390 kW的變頻水冷離心式機組,機組兩用一備。夏季及過渡季冷水機組供冷;冬季板式冷水換熱器+冷卻塔供冷。提出了3種供電方案,冷水機組供電方案一接線示意圖如圖2所示,冷水機組供電方案二接線示意圖如圖3所示,冷水機組供電方案三接線示意圖如圖4所示,冷水機組供電方案對比如表3所示。

圖2 冷水機組供電方案一接線示意圖

圖3 冷水機組供電方案二接線示意圖

圖4 冷水機組供電方案三接線示意圖

(1) 方案一。3臺冷水機組集中設置自動轉換開關。傳統(tǒng)自動轉換開關電氣單線圖如圖5所示,若采用如圖5所示的傳統(tǒng)自動轉換開關,開關故障或檢修維護時,冷水機組全部無法工作,無法保證數(shù)據(jù)機房的正常運行。帶旁路隔離的自動轉換開關電氣單線圖如圖6所示,若采用如圖6所示的帶旁路隔離的自動轉換開關,開關發(fā)生故障或檢修維護時,可使用旁路開關保障供電可靠性,但該開關成本較高、占用空間大、開關故障時需人工操作保障供電連續(xù)性。

(2) 方案二。3臺冷水機組分別設置自動轉換開關。

表3 冷水機組供電方案對比

圖5 傳統(tǒng)自動轉換開關電氣單線圖

(3) 方案三。冷水機組1#和冷水機組2#分別接至不同變壓器的低壓母線,冷水機組3#設置自動轉換開關。

方案二和方案三均可保證一次意外事故后和單系統(tǒng)設備維護或檢修時2臺冷水機組正常工作,供電可靠性和維護簡潔性相同。方案三較方案二減少2個自動轉換開關和2個斷路器,設備成本低,安裝占用空間小。綜合對比分析結果,本工程采用方案三。

4 UPS供電方案對比

UPS供電方案一接線示意圖如圖7所示,UPS供電方案二接線示意圖如圖8所示,UPS供電方案三接線示意圖如圖9所示,以三樓服務器機房為例,提出了如圖7～圖9所示的3種供電方案。各UPS供電方案對比如表4所示。模塊化UPS示意圖如圖10所示,各方案中的UPS均采用如圖10所示的模塊化UPS,輸入輸出均自帶隔離開關。

圖7 UPS供電方案一接線示意圖

(1) 方案一。由A12#變電所至2#UPS配電間的UPS均采用電纜放射式供電。

(2) 方案二。由A12#變電所至2#UPS配電間采用密集型母線槽供電,UPS的進線和出線均采用單芯電纜連接。

(3) 方案三。將A12#變電所和2#UPS配電間合并設置,變壓器、低壓配電柜、UPS等一體化集成,配電、監(jiān)控等系統(tǒng)在工廠內完成預安裝。

除了UPS和電池之間采用電纜外,其余所有連接導體均采用銅排連接。3個方案的安裝占用空間、采購成本和安裝周期依次減少,產品集成度依次提升。綜合對比分析結果,本工程采用方案三。

圖8 UPS供電方案二接線示意圖

圖9 UPS供電方案三接線示意圖

表4 各UPS供電方案對比

5 服務器機柜配電方案對比分析

承擔電源分配和電氣參數(shù)監(jiān)測功能的配電列頭柜一直在服務器機柜配電鏈路中扮演著重要角色,近年來,軌道滑觸式母線槽配電方案因其占用空間小、安裝及維護簡單、集成度高和相對靈活擴容等特點,逐漸得到業(yè)內的認可和青睞。服務器機柜供電方案對比如表5所示。當服務器后期需要頻繁增減且功率變換較大時,采用軌道滑觸式母線雖然增加初設投資,但后期改造的線纜投資和時間成本相對較低。實際上,如果上級的變壓器及導體和空調系統(tǒng)不增容改造,即使采用了軌道滑觸式母線槽配電,數(shù)據(jù)機房服務器擴容的空間也仍然有限?？紤]到本工程的5 kW和8 kW的服務器機柜后期變化較小,故采用列頭柜+電纜的配電方案;20 kW的超算機柜后期變化相對較大且機房空間緊張,故采用軌道滑觸式母線槽配電。

圖10 模塊化UPS示意圖

表5 服務器機柜供電方案對比

6 蓄電池方案對比

常用的蓄電池有鋰離子蓄電池和鉛酸蓄電池,鋰電池與鉛酸電池性能參數(shù)對比如表6所示。從表6中可以看出,鋰電池的循環(huán)性能要明顯優(yōu)于鉛酸電池,且體積和質量比鉛酸電池要小,但在民用建筑內附建的數(shù)據(jù)中心存在滅火技術不成熟、起火爆炸等風險。考慮到五層及以上均為人員密集的試驗室,且具有鋰電池成本高、維護復雜和難回收等特點,本工程采用閥控式鉛酸蓄電池。

表6 鋰電池與鉛酸電池性能參數(shù)對比

7 結 語

面對不同的需求、投資和運維能力,數(shù)據(jù)中心的設計方案是靈活多樣的,在滿足各方要求和后期經營需求的同時,優(yōu)秀的設計應該綜合考慮前期投資和后期維護成本之和,使得總體擁有成本最低。