某A級數據中心的供配電系統設計

劉 林

(四川省建筑設計研究院有限公司,四川 成都 610000)

0 引 言

目前,數據中心的發展建設處于高速時期,且各地政府部門給予新興產業的大力扶持,都為數據中心行業的發展帶來很大優勢。同時,供配電系統作為數據中心建設中至關重要的部分,需要達到可靠性和經濟性的統一。

1 項目概況

某企業的文化產業園項目主要由辦公、數據中心、配套商業及住宅構成,其中包含1棟數據中心及配套辦公,面積約10 000 m2,為A級數據中心。數據中心供配電系統設計按照國家標準GB 50174—2017《數據中心設計規范》[1]要求進行。

園區建筑平面示意圖如圖1所示。

圖1 園區建筑平面示意圖

2 數據中心負荷分級

A級數據中心對供電系統可用性要求極高,需采取容錯措施。所謂容錯,即具有2套或2套以上的系統,在同一時刻至少有1套系統維持正常工作,不受計劃內維護、測試和改造活動以及設備故障、意外事故、操作失誤等計劃外活動的影響[2-3]。

(1)一級負荷中特別重要負荷:IT設備,包括運營商接入室、網絡核心機房、參觀機房、網絡設備等;配套的IT輔助設備,包括冷水機組、循環水泵、精密空調、備用照明、安防系統設備、控制系統設備等。

(2)一級負荷:消防設備,包括防排煙風機、消防報警和控制設備、消防疏散照明等。

(3)其他為三級負荷。

3 數據中心(A級)UPS供電系統架構

3.1 2N系統

2N系統簡單來說是配置2組,每組均能滿足負載基本需求容量的UPS系統,正常運行每組UPS帶載50%以下,當一組故障時,另一組帶全部負載。

2N系統優點為簡單,運維管理方便,對于運行操作人員要求較低,缺點為UPS低負載運行,且為UPS制冷的空調耗能高,項目投資成本較高。

3.2 DR系統

DR系統即分布式冗余系統,按照負載容量配置3組以上的UPS,當其中1組UPS出現故障,利用剩余的UPS供電,保證IT設備的正常運行,UPS負載率較2N系統更高。

DR系統優點為UPS損耗較小、投資成本更低,缺點為接線較復雜,設備和線路很難實現物理隔離,且運行后負載增加的難度較大。

3.3 RR系統

RR系統即后備冗余系統,即每組負載由單獨的UPS供電,另外設置1組UPS給所有的帶載UPS系統作為冗余備份,每組UPS均能滿足負載的基本需求,負載前端采用靜態轉換開關(STS)切換。

RR系統優點為UPS相對容量的減少可以降低成本,可靠性滿足基本要求,設備和線路可以實現物理隔離;缺點為系統復雜,對運維操作要求很高,STS的應用也使得投資成本增加,需綜合考慮。

2N、DR、RR系統比較如表1所示。

表1 2N、DR、RR系統比較

該工程供電系統架構采用2N冗余方式。供電系統由兩個對稱的供電單元組成,兩個單元同時運行,互為備用,正常運行時每個單元各為50%負載供電,當一個單元停運時,切換至另一個單元為全部負載供電。

4 高壓供電系統

該項目由城市電網引入2路10 kV市電電源,兩路電源互為備用,電源必須滿足雙重電源標準。數據中心總用電負荷為10 000 kVA。

兩路10 kV市電電源分別接至兩段母線,采用分段單母線的接線方式,分列運行,每路電源可提供100%的供電能力。高低壓配電房及柴油發電機房均位于1F,盡量靠近負荷中心。

該工程采用高供高計,高壓集中計量,在每路10 kV 電源進線處設置專用計量裝置。

5 低壓供電系統

設備安裝容量Pe=12 280 kW,計算有功功率Pj=9 734 kW,無功功率Qj=2 439 kvar,視在功率Sj=9 953 kVA。共選擇8臺2 500 kVA的變壓器,總裝機容量20 000 kVA,其負荷率為49.8%,當一臺變壓器故障時,另一臺變壓器可承擔全部負荷。

變壓器布置如表2所示,輔助變壓器和IT變壓器采用單獨的配電房。

表2 變壓器布置

在計算變壓器容量時,需考慮UPS的損耗。該項目IT變壓器負載率均為40%～50%,當一臺變壓器故障時,另一臺變壓器可承擔全部負荷。

為了在2臺變壓器同時帶電的情況下檢修和測試聯絡母線,IT變壓器聯絡母線兩端均設置斷路器。10 kV供電原理示意圖如圖2所示。

圖2 10 kV供電原理示意圖

6 柴油發電機系統

數據中心對發電機組的輸出頻率、電壓和波形有嚴格要求,故要求發電機組的性能等級不應低于G3級。G3級要求柴油發電機組突加50%負載時,頻率降小于7%,電壓降小于15%。實際運行時,數據中心的柴油發電機組往往突加100%負載,因此選擇柴油發電機組的標準應高于G3級。

發電機組的輸出功率分為持續功率(COP)、基本功率(PRP)、限時運行功率(LTP)和應急備用功率(ESP)4種。柴油發電機4種功率比較如表3所示。

表3 柴油發電機4種功率比較

該項目采用高壓柴油發電機組,功率按照持續功率(COP)選擇(B級機房可按照LTP選擇)。采用N+1冗余的方式,4臺主用,1臺備用,均采用2 500 kVA柴油發電機組。根據GB 50174—2017,A級數據中心柴油發電機燃料存儲量應為12 h。由于GB 50016—2014第5.4.13條規定,儲油間總儲存量不應大于1 m3,因此需設置室外儲油罐。參照廠家提供資料,2 500 kVA的柴油發電機耗油量約為500 L/h,需在室外建造30 m3的地下儲油罐。室外儲油罐與建筑保持15 m以上的防火間距。

7 UPS供電系統

UPS供電采用雙回路+外置旁路的方式。UPS供電原理示意圖如圖3所示。電池持續時間15 min,電池連接盡量采用軟連接(電纜連接,有余量,不容易損壞),不采用硬連接。

圖3 UPS供電原理示意圖

該項目UPS采用高頻機,相較于工頻機來說,高頻機效率比較高,不帶隔離變壓器,占地面積和重量都比工頻機低,目前大多數據中心設計均采用高頻機。

A級數據機房UPS采用2N系統,平時兩路同時工作,為在線式UPS,當一路UPS故障時,另一路需帶全部負荷,因此IT設備用UPS的負載率不大于50%,輔助設備用UPS不大于80%。

工程共安裝1 241個IT機架,單機柜額定功率按5 kW,UPS系統采用分層設置,1F設置IT設備用UPS 4×200 kVA,2F～4F每層設置IT設備用UPS 8×600 kVA;1F設置空調及冷凍泵用UPS 400 kVA,2F～4F每層設置空調用UPS 200 kVA。

8 機房列頭柜

數據中心機房內設列頭柜,該工程所有IT設備均為雙電源設備,由兩路電源(兩個列頭柜)配電。為有效抑制來自電源及其他電路的各種干擾,列頭柜內增設隔離變壓器。

9 暖通空調系統

數據中心空調系統分為風冷和水冷兩種形式,由于風冷耗能較大,效率較低,PUE值較高,有些甚至達到2。目前國家大力倡導數據中心節能,建設綠色數據中心,PUE需控制在1.5以下,因此大多大型數據中心均采用水冷的空調形式。

A級數據中心需采用蓄冷裝置,并且供應冷凍水的時間應大于15 min,冷凍水系統采用閉式循環系統,為保證供水安全,冷凍水管路采用雙路供水,以滿足無單點故障要求。冷水機組、冷凍水泵、冷卻塔以及精密空調等均為N+1配置。

機房內采用的是下送上回的方式(列間空調為前送后回),靜壓箱越高,送風效果越好,因此靜電地板高度一般在0.8～0.9 m。若采用冷熱通道隔離的設備布置,在計算空調熱負荷的時候,不用考慮環境熱負荷,只考慮設備熱負荷,可以節能大約12%。

10 綠色數據中心

隨著近年來數據中心的建設規模越來越大,數據中心行業電力消耗量的增長也引起人們重視。如何建立優質高效、可靠性與經濟性統一的數據中心,也成為關注的熱點。目前大約有以下幾種方式,且部分已經在實施當中。

(1)優化供電結構。目前A級機房可靠性較高,但是由于投資較大,經濟性不是很好,因此不一定所有機房都采用2N系統,可以根據機房重要程度,有些部分也可按照B級機房的標準去做,以達到可靠性與經濟性的統一。

(2)采用冷熱通道隔離等方式,配合空調末端的群控,可有效節能。

(3)建設模塊化、集裝箱式數據中心,運用高頻、模塊化UPS、初期投資可減少,并且有較強的擴容性。

(4)通過液冷等技術,有效降低能源消耗。

(5)冷熱電三聯供,用燃氣輪機發電,產生的熱通過消化機組再制冷,可有效降低電能消耗。

(6)積極發展太陽能、風能等新能源供電系統。

11 結 語

探討了某數據中心供配電系統的設計,對變壓器選型及其電氣主接線方式、不間斷電源系統設計等進行分析和比較,可為類似項目提供參考。