淺談某A級數據中心供電電源的計算

王 燁

(中國航空國際建設投資有限公司,北京 100120)

0 引 言

GB 50174—2017《數據中心設計規范》[1]將數據中心分為 A、B、C 三級。根據數據中心的使用性質、數據丟失或網絡中斷在經濟或社會上造成的損失或影響程度確定所屬級別。

本文以某基地數據中心為例進行分析。該數據中心主要功能分區為IT機房、發電機房、變配電室、UPS配電室、電池室、冷水機房等區域。作為整個使用單位的核心設施,由于其涉及的計算或通信規模較大,一旦運行中斷,將造成重大的經濟損失,因此按A級數據中心進行供配電設計。

根據規范要求,A級數據中心應由雙重電源供電,并應設置備用電源。變壓器按2N配置,備用電源可采用獨立于正常電源的柴油發電機組,按N+X(X為1～N)配置。電子信息設備宜由不間斷電源(UPS)供電,當使用柴油發電機組作為備用電源時,UPS系統電池最少備用時間為15 min。

1 負荷分級與負荷計算

機房電力負荷分級如下。

(1)一級負荷中特別重要負荷:IT設備(包括服務器、交換機等),此類負荷在雙路市電電源+柴油發電機基礎上,增加UPS電源回路保障。

(2)一級負荷:IT機房區行間制冷空調設備、冷凍水循環泵、冷水機組及相關設施、電氣支持區精密空調、消防負荷(排煙、應急照明等)、IT機房新風機組、IT機房及支持區照明等,此類負荷由雙路市電電源+柴油發電機電源供電。

(3)二級負荷:輔助區照明、動力、維修插座等,此類負荷由雙路市電電源供電。

負荷統計如表1所示。根據負荷計算結果,選擇2臺1 600 kVA的變壓器為IT設備供電,另外選擇2臺1 250 kVA的變壓器為輔助設備供電。配電室設低壓靜電電容器補償裝置,補償后變壓器的10 kV側功率因數達到0.9以上。同時低壓配電系統設有源電力濾波器,通過采集負荷電流動態消除諧波。

表1 負荷統計

2 供配電系統

數據中心采用10 kV供電系統,10 kV主接線采用分段單母線,正常運行時母聯斷路器斷開運行,兩路10 kV電源分別向兩段母線供電。當一路10 kV電源停電時,母聯斷路器手動(或自動)投入運行,由第二路電源向兩段母線供電,每路電源均可帶起全部重要負荷。10 kV母線以放射式向各臺變壓器供電。變壓器采用2N配置,每臺變壓器的負荷率不大于50%,當一臺變壓器故障時,另一臺變壓器可帶起全部重要負荷。0.4 kV母線采用分段單母線,每兩段0.4 kV母線設母聯斷路器。當兩段10 kV母線失去市電后,柴油發電機自起動,發電機并機成功后向變電所10 kV母線供電。

柴油機起動需要時間,由于IT負載不能接受短時斷電,所以在切換時間內需要配置UPS維持生產數據設備工作。

供配電單線圖分別如圖1所示。

圖1 供配電單線圖

3 UPS的選擇及電池容量計算

UPS采用2N配電架構,兩路電源平時各帶50%的用電設備,當一路電源失電時由另一路電源帶全部負荷。

根據GB 50174—2017《數據中心設計規范》第8.1.7條:確定UPS系統的基本容量時應留有余量。不間斷電源系統的基本容量為

E≥1.2P

(1)

式中:E——UPS系統的基本容量;

P——電子信息設備的計算負荷。

控制UPS的負載率是因為服務器運行功耗是不平穩的,存在用電功耗的波動,而UPS過載能力比較差,從安全可靠的角度預留余量。UPS長期運行過載能力為105%,過載125%時只能維持10 min,過載150%時僅30 s。通常要求UPS滿載時的負載率控制在90%,半載時的負載率為45%。

對于IT設備,1F機房計算功率共計641 kW,2F機房計算功率共計641 kW,每層負載采用2組UPS供電,每組2臺400 kV UPS。

UPS后掛電池組,后備電池為641 kW,持續供電時間為15 min。后備時間的核算采用恒功率計算法,認為在電池放電期間UPS輸出的額定功率不變,電池參考施耐德APC12V-230AH電池,恒功率放電數據如表2所示。

表2 恒功率放電數據

選用12 V電池,42只/組,查表得,選擇15 min放電終止電壓1.70 V,每只電池直流功率666 W/CELL,電池組數為

N=P/(42×6Plη)

(2)

式中:P——負載功率;

Pl——每只電池直流功率;

η——逆變器效率,一般取0.98。

經計算,UPS配置4組12V-230AH電池可以滿足IT負載后備15 min的要求。

4 柴油發電機組的選擇

后備柴油發電機的容量應包括IT設備、空調和制冷設備的基本容量、應急照明及關系到生命安全等需要的負荷容量。

影響發電機的帶載能力的因素有用電設備的輸入THDi、發電機帶階躍性負載的能力、發電機帶電容性負載的能力。發電機的額定輸出功率是在檢測條件下所檢測到的技術參數:負載的輸入電流諧波的THDi=0、負載的相移功率因數cosφ=0.8(感性)、在后接負載的加載量很小的條件下,從0逐漸增大到其額定值時所獲得的。而數據中心的IT設備、變頻空調、LED燈具等屬于非線性負載,服務器等IT設備的負載特性呈容性,以及空調、水泵起動過程中產生的電涌電流,都會使發電機的帶載能力明顯下降。因此,在設計數據中心機房的發電機供電系統時,應在能確保發電機安全帶載的前提下,盡量地降低發電機的設計容量配比[2-4]。

該項目中柴油機所帶負荷總計算有功功率為2 196 kW,其中最大的單臺電動機功率為151 kW。按設備計算功率計算發電機容量為

PC1=k1Pjs1+k2Pjs2+Pjs3+Pjs4

(3)

式中:k1——UPS需要的發電機容量系數,采用永磁勵磁機時取1.2,UPS采用PFC電路時取1.3,采用帶輸入濾波器的傳統雙變換UPS時取3;

k2——制冷負荷需要的電動機容量系數,取1.5;

Pjs1、Pjs2——IT設備、空調制冷系統計算負荷;

Pjs3、Pjs4——照明計算負荷和消防負荷。

按單臺最大電機起動的需求計算發電機容量為

(4)

式中:PΣ——總計算有功功率;

Pm——起動容量最大的電動機或成組電機的容量;

ηΣ——負荷在計算效率,一般取0.85;

cosφm——電動機起動功率因數,一般取0.4;

K——電動機起動電流倍數;

C——按照電動機起動方式確定的系數,全壓啟動取1,Y/Δ啟動取0.67;自藕變壓器起動時,50%抽頭取0.25,65%抽頭取0.42,80%抽頭取0.64。

由于應急負荷與柴油發電機有一定距離,不校驗電動機起動時母線電壓降。經計算比較,采用3臺容量為1 800 kW的10 kV柴油發電機,二用一備。

柴油發電機房設機組處于自動備用狀態,按(2+1)模式并機運行,柴油機并機原理圖如圖2所示。機組起動信號發出后,3臺發電機同時啟動。第1臺機組暖機后自動閉合其斷路器并向轉換開關供電;第2臺機組暖機后自動與已投入機組同步并閉合其斷路器;當2臺機組同時向轉換開關供電時,轉換開關才將機組投向負載,同時負載檢測器決定是否需要2臺機組同時并聯運行,如果主機組出現故障,則備用機組會自動起動并轉向負載。通過并機的運行方式,可以弱化諧波的影響,有利于機組的穩定運行。

圖2 柴油機并機原理圖

5 結 語

供配電系統是數據中心重要的基礎設施,應在數據中心對供電可靠性要求的基礎上,合理地設計供配電系統的結構和電源的選擇,使數據中心更加安全、可靠、節能,運行更加高效。