數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)節(jié)能探究

太極計算機(jī)股份有限公司 王陽

1 影響數(shù)據(jù)中心電氣節(jié)能設(shè)計的因素

影響數(shù)據(jù)中心電氣節(jié)能設(shè)計的因素很多。電氣節(jié)能設(shè)計主要受機(jī)房等級、主要設(shè)備的冗余度、設(shè)備選型等因素的影響。

1.1 電氣架構(gòu)模型

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)主要由中壓配電系統(tǒng)、備用電源系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)、機(jī)架配電系統(tǒng)及照明、防雷接地等系統(tǒng)組成。依據(jù)數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)需求，首先確定機(jī)房建設(shè)等級，再從綜合平面布局、建設(shè)資金等多因素考慮，最終確定數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)機(jī)房的完整電氣系統(tǒng)架構(gòu)。

1.2 電氣設(shè)計節(jié)能

一是主要設(shè)備的冗余度，主要指電氣設(shè)備與暖通設(shè)備的冗余度；二是盡可能地提高變壓器、UPS設(shè)備的負(fù)荷率；三是平面布局過程中，電氣路由合理；四是照明采用LED節(jié)能燈具，采用分區(qū)分組控制；五是開關(guān)容量及個數(shù)的冗余度。

1.3 電氣設(shè)備能耗

采用電力模塊、干式變壓器、高頻UPS、大小母線用銅排替代電纜等。

2 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)現(xiàn)狀問題

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)問題涉及多個方面，主要表現(xiàn)在以下三方面。一是過度規(guī)劃，主要體現(xiàn)在機(jī)柜數(shù)量、單機(jī)柜容量、主要設(shè)備的冗余上；二是可擴(kuò)展性差，主要體現(xiàn)在容量預(yù)留、開關(guān)預(yù)留、機(jī)房與配電室的空間預(yù)留上；三是能耗過高。

3 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計原則

一是可靠性，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)依據(jù)使用性質(zhì)、管理要求和重要性確定機(jī)房建設(shè)等級后，對配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、合理布局、關(guān)鍵設(shè)備備份冗余來提高配電系統(tǒng)的可靠性。二是合理性，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計遵循分區(qū)和分級原則。三是靈活性與可擴(kuò)展性，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計遵循靈活性與可擴(kuò)展性原則，做到遠(yuǎn)近期結(jié)合，合理預(yù)留擴(kuò)展接口。四是方便運(yùn)維性，增加模塊化單元，小到配電設(shè)備的零部件，大到配電系統(tǒng)的整體規(guī)劃。五是節(jié)能環(huán)保性，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計遵循國家低碳環(huán)保，節(jié)能減排的方針，主要從方案制定與設(shè)備選型出發(fā)，建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心。

4 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計的具體措施

4.1 負(fù)荷設(shè)計

4.1.1 負(fù)荷計算原則

一是110kV 市電N+1 冗余；二是10kV 市電2N 容錯；三是中/高壓主接線采用單母線分?jǐn)?，兩路母線間設(shè)置母聯(lián)開關(guān)；四是變壓器2N 配置，兩兩一組，互為備用，單臺設(shè)計負(fù)載率不高于50%，低壓主接線采用單母分段，設(shè)置低壓母聯(lián)開關(guān)；五是IT 負(fù)載與制冷系統(tǒng)及其輔助設(shè)備不宜共用變壓器；六是IT 用UPS 按2N 冗余配置，最高負(fù)荷率不大于43%（按1.2 冗余考慮）；七是動力用UPS 的負(fù)荷率不大于80%；八是備用電源采用10kV 高壓柴發(fā)機(jī)組，柴油發(fā)電機(jī)組需要按照N+1 配置，N 應(yīng)覆蓋100%IT 負(fù)載及其配套基礎(chǔ)設(shè)施。

4.1.2 某項目部分負(fù)荷計算

在確定負(fù)荷計算原則后，負(fù)荷計算與平面布局需同時進(jìn)行，最小的配電單元（UPS 與變壓器容量的確定）與機(jī)房內(nèi)布局（即最少機(jī)柜數(shù)）同時考慮。某項目部分負(fù)荷計算見表1。

表1 某項目部分負(fù)荷計算

4.2 供配電系統(tǒng)架構(gòu)搭建

4.2.1 配電室的整體布局園區(qū)式數(shù)據(jù)中心變配電所布置如圖1所示。

圖1 園區(qū)式數(shù)據(jù)中心變配電所布置

柴油發(fā)電機(jī)室依據(jù)項目的規(guī)模，可臨近機(jī)房樓，或與機(jī)房樓共用，置于機(jī)房樓一層，與高壓配電室臨近；高壓配電室置于機(jī)房樓一層，臨近市電進(jìn)線側(cè)，兼顧A/B路市電的進(jìn)線隔離距離；低壓配電室、UPS 配電室應(yīng)靠近設(shè)備機(jī)房（負(fù)荷中心）布置，同層相鄰或相鄰樓層；機(jī)房層按模塊化布局（以冷通道為單位、以單個機(jī)房為單位，以單層為單位），依據(jù)模塊化機(jī)房的總用電量，進(jìn)行變壓器、UPS、列頭柜/始端箱等設(shè)備選型。

4.2.2 配電系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)劃

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構(gòu)的確定，需要綜合考慮數(shù)據(jù)中心項目的業(yè)務(wù)需求、建設(shè)規(guī)模、投資限制及資源條件等因素，確定數(shù)據(jù)中心的建設(shè)等級后，規(guī)劃數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)架構(gòu)。

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)滿足可靠性、靈活性。按數(shù)據(jù)中心的等級確定系統(tǒng)的容錯與主要設(shè)備的冗余情況；避免單點(diǎn)故障；盡量減少供電的級數(shù)；供電單元模塊化設(shè)計；采用路由最優(yōu)原則，盡可能地控制路由長度。

4.2.3 某項目案例部分展示

某數(shù)據(jù)中心項目標(biāo)準(zhǔn)層的平面布置如圖2所示。某數(shù)據(jù)中心項目的部分配電系統(tǒng)單線如圖3所示。以此為例，標(biāo)準(zhǔn)層共布置4 個模塊機(jī)房，每個模塊機(jī)房用一套低壓配電系統(tǒng)，IT 用配電柜置于同層，受空間面積制約，該項目的動力用配電柜均布置于一層；同層的IT配電柜與動力配電柜來自同一市電回路，實現(xiàn)分級分區(qū)配置。

圖2 某數(shù)據(jù)中心項目標(biāo)準(zhǔn)層的平面布置

圖3 某數(shù)據(jù)中心項目的部分配電系統(tǒng)單線

4.3 供配電系統(tǒng)分期建設(shè)建議

數(shù)據(jù)中心建設(shè)采用分棟、分層、分機(jī)房模塊建設(shè)。規(guī)劃設(shè)計時需要考慮功能分期實施時，對設(shè)備、材料的選擇及施工工藝的處理提出要求。如果數(shù)據(jù)中心分期建設(shè)，那么供配電規(guī)劃有如下建議。

一是低壓配電設(shè)備以機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)層為單位，規(guī)劃配電室的空間面積，柜位；以模塊化機(jī)房為單位，對應(yīng)一套變壓器、UPS、配電柜等設(shè)備，按需求分期建設(shè)。二是備用電源按初期負(fù)荷配置，終期可擴(kuò)容滿足需求，并預(yù)留位置。三是UPS 蓄電池與UPS共同考慮。整體規(guī)劃，按需求分期建設(shè)。四是防雷接地以配電室、機(jī)房為單位建設(shè)。五是照明，通盤考慮，無須分期，注意燈具類型的區(qū)分。

4.4 供配電設(shè)備選型

工廠預(yù)制化產(chǎn)品的選擇，可減少現(xiàn)場基建工作，縮短施工周期。

4.4.1 電源模塊的應(yīng)用

電源模塊由變壓器、SVG、低壓配電柜、UPS和饋線柜部件組成。各組成部件之間采用銅排頂置連接。采用預(yù)制化、一體化供配電系統(tǒng)，可以把空間壓縮20%～30%；工廠預(yù)制，縮短安裝工期；UPS電源入列，減少連接電纜，降低線損；集成度高，易維護(hù)；減少材料及人員施工量，降低項目成本。

4.4.2 高頻模塊化UPS的應(yīng)用

可采用模塊化UPS，功率模塊N+1 設(shè)計。目前常見的功率模塊容量有25kVA、30kVA、50kVA。功率模塊支持熱插拔，使得系統(tǒng)的維護(hù)時間大為縮短，5～10min 就可以完成故障模塊的更換工作，大幅地提高了系統(tǒng)的可用性，成倍地減少了備品備件。

4.4.3 專用配電母線的應(yīng)用

專用配電母線替代傳統(tǒng)的強(qiáng)電列頭柜。通過插接箱就近供電（插接箱位置可調(diào)），IT 機(jī)柜PDU 插頭可直接插入到母線插接箱中，無復(fù)雜接線工作；具備帶電熱插拔功能，能在母線長度方向任意位置插拔取電；在線換相功能；便于擴(kuò)展。

5 結(jié)語

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)該在數(shù)據(jù)中心建設(shè)初期予以統(tǒng)籌考慮和全面規(guī)劃。從全生命周期考慮，在設(shè)計規(guī)劃時就要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠與供電系統(tǒng)的靈活擴(kuò)展、技術(shù)的規(guī)范性與先進(jìn)性、成本的經(jīng)濟(jì)性、便于工程的后期運(yùn)維。

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)可為用戶設(shè)計優(yōu)質(zhì)的設(shè)計方案，解決用戶不斷變化的業(yè)務(wù)需求與低投資、高回報之間的矛盾，滿足用戶快速部署、靈活擴(kuò)展的需求，提高數(shù)據(jù)中心的工作效率，降低用戶運(yùn)營費(fèi)用。