某模塊化數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)設(shè)計

劉克清

（北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司）

0 引言

2020年3月4日，中共中央政治局會議提出“加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進度”，明確了數(shù)據(jù)中心作為新基建七大領(lǐng)域之一的重要地位。當(dāng)前我國數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)正迎來發(fā)展新契機，為進一步打造“新基建”核心支柱，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)發(fā)展需進一步提速提質(zhì)。

而模塊化數(shù)據(jù)中心采用模塊化設(shè)計理念，最大程度地降低基礎(chǔ)設(shè)施對機房環(huán)境的耦合。集成了供配電、制冷、機柜、氣流遏制、綜合布線、動環(huán)監(jiān)控等子系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)中心的整體運營效率，實現(xiàn)快速部署、彈性擴展和綠色節(jié)能。模塊化數(shù)據(jù)中心是目前市場高速發(fā)展的產(chǎn)物，結(jié)合某老工業(yè)廠房的改造，高度集成化使老工業(yè)廠房改造和模塊化數(shù)據(jù)中心結(jié)合，利用老工業(yè)廠房的主體框架建設(shè)模塊化數(shù)據(jù)中心，既能充分利用老舊廠房，又能滿足城市大量數(shù)據(jù)的需求。作為模塊化數(shù)據(jù)中心的重要保障，供電系統(tǒng)的模塊化與機房微模塊的完美契合，將會為數(shù)據(jù)中心的實施、運營提供重要支撐［6］。

1 項目概述

某老工業(yè)廠房建筑面積約45000m2，原功能單機架冷軋廠房，主要生產(chǎn)冷軋鋼板卷、熱鍍鋅薄板和彩涂鋼原料板卷。原工業(yè)廠房概況如下：廠房的生產(chǎn)類別為丁類，建筑物的耐火等級為二級；廠房的結(jié)構(gòu)形式為鋼管混凝土排架結(jié)構(gòu)，鋼吊車梁，圍護結(jié)構(gòu)包括墻面及屋面采用彩色復(fù)合壓型鋼板；屋面上設(shè)有縱向電動可開啟天窗；廠房地坪與室外高差300mm，廠房建筑高度16.8m。

由于城市重工業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，工業(yè)廠房內(nèi)生產(chǎn)線及相關(guān)設(shè)備均遷出，僅剩一座空廠房。根據(jù)城市老工業(yè)廠房規(guī)劃和日益激增的大數(shù)據(jù)需求，有效利用舊老工業(yè)廠房用地和框架結(jié)構(gòu)，擬建一座可滿足10萬臺服務(wù)器運行的模塊化數(shù)據(jù)中心。

該項目為結(jié)構(gòu)體系不改變原有建筑功能的整體改造。原建筑功能為丁類廠房（冷軋薄板廠），改造后的建筑功能為超算中心（丙類廠房）。原有外圍護結(jié)構(gòu)全部拆除，新做圍護結(jié)構(gòu)，外墻和屋面均采用100厚巖棉夾芯板。廠房內(nèi)新增鋼框架結(jié)構(gòu)平臺，變成兩層建筑，首層層高7m，二層層高5m，室內(nèi)外高差0.6m。

2 模塊化機房

機房設(shè)備擬采用冷凍水型微模塊，微模塊指以若干IT機柜、配電單元、冷卻單元、電池單元等功能機柜為單位，包含網(wǎng)絡(luò)、布線、監(jiān)控、消防等功能在內(nèi)的獨立的運行單元。模塊內(nèi)核心設(shè)備為服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，單模塊可放置18臺機柜，單模塊最大IT總功率不超過144kW（不含空調(diào)機其他）。微模塊封閉冷通道，采用列間空調(diào)水平送風(fēng)制冷，單模塊包括5臺精密空調(diào)，正常工作滿足144kW的IT負載及模塊內(nèi)其他的冷量需求，如圖1所示。

圖1 微模塊機房布置圖

該微模塊機房集成了制冷、配電、機柜、密閉通道、監(jiān)控、綜合布線、消防等系統(tǒng)于一體，采用模塊化的部件和統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了供電、制冷和管理組件的無縫銜接。將數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品化、工廠預(yù)制化，具備集約、綠色、安全、高效的優(yōu)勢，各功能組件均實現(xiàn)工廠預(yù)制、現(xiàn)場積木式拼裝，部署快速簡單，縮短數(shù)據(jù)中心的建設(shè)周期，并且擴容方便。能有效滿足各種規(guī)模數(shù)據(jù)中心的快速部署和分期建設(shè)的需求［5］。

3 負荷計算

3.1 微模塊機房負荷統(tǒng)計

微模塊機房內(nèi)單機柜功耗等級約為13kW，其中主要有機柜、精密空調(diào)、設(shè)備損耗、充電功率及其他負荷等。表1為微模塊機房負荷統(tǒng)計。

表1 微模塊機房負荷統(tǒng)計

3.2 模塊化機房負荷統(tǒng)計

根據(jù)廠房總體布置，首層布置120個微模塊、制冷機房、生產(chǎn)水池和泵房、消防水池和泵房、消防控制室及附屬辦公用房等；二層布置160個微模塊；10kV柴油發(fā)電機采用集裝箱式室外布置；冷卻塔及蓄冷罐均就近制冷機房室外布置。模塊化機房負荷計算如表2所示。

表2 模塊化機房負荷統(tǒng)計

本項目共布置280個微模塊，每個微模塊18臺機柜，每臺機柜可裝20臺服務(wù)器，總計可裝100800臺服務(wù)器，滿足項目10萬臺服務(wù)器的運行需求。IT負荷共計65492kW，為一級負荷特別重要負荷，供電按雙路供電（雙路獨立市電）、UPS＋油機保證配置；動力負荷共計12600kW，為一級負荷，供電按雙路供電（雙路獨立市電）、油機保證配置，其中冷凍二次泵為保證機房供冷的持續(xù)性，供電按雙路供電（雙路獨立市電）、EPS＋油機保證配置；配套負荷共計1200kW，為部分一級負荷和部分三級負荷，為保證供電系統(tǒng)的整體性，供電均按一級負荷考慮，雙路供電（雙路獨立市電）、油機保證配置。

4 模塊化電力系統(tǒng)

4.1 中壓電力模塊

預(yù)制化中壓電力模塊采用封閉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝一組高壓配電柜，配套直流屏及電池柜。高壓配電柜采用緊湊型固定式柜型，包括進線柜1臺，PT柜1臺，母聯(lián)柜1臺，并機柜1臺，饋線柜6臺。中壓電力模塊內(nèi)所有部件的組裝均在工廠完成，系統(tǒng)功能調(diào)試也在工廠完成，對外一次和二次接口統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化。中壓電力模塊布置圖如圖2所示。

圖2 中壓電力模塊布置圖

4.2 低壓電力模塊

預(yù)制化低壓電力模塊采用封閉式結(jié)構(gòu)，由變壓器倉和低壓配電倉構(gòu)成。變壓器倉由帶外殼干式變壓器和緊湊型固定式高壓開關(guān)柜組成，變壓器一次側(cè)電纜上進線，二次側(cè)封閉母線連接。低壓配電倉由進線柜1臺、母聯(lián)柜1臺、補償柜1臺、濾波柜1臺和饋線柜8臺組成，低壓配電柜采用固定單元柜，框架開關(guān)單元電動操作，塑殼開關(guān)單元手動操作配旋轉(zhuǎn)手柄。低壓電力模塊內(nèi)所有部件的組裝均在工廠完成，系統(tǒng)功能調(diào)試也在工廠完成，對外一次和二次接口統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化。低壓電力模塊布置圖如圖3所示。

圖3 低壓電力模塊布置圖

4.3 柴油發(fā)電機并機模塊

預(yù)制化柴油發(fā)電機并機模塊采用封閉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝一組高壓配電柜，配套直流屏、電池柜、柴油發(fā)電機并機控制柜及柴油發(fā)電機低壓電源配電柜。高壓配電柜采用緊湊型固定式柜型，包括市電并機柜2臺，PT柜1臺，柴油發(fā)電機接入柜7臺。柴油發(fā)電機并機模塊內(nèi)所有部件的組裝均在工廠完成，系統(tǒng)功能調(diào)試也在工廠完成，對外一次和二次接口統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化。柴油發(fā)電機并機模塊布置圖如圖4所示。

圖4 柴油發(fā)電機并機模塊布置圖

在實際工程項目中，每個電力模塊內(nèi)的電氣設(shè)備均可根據(jù)平面布局、設(shè)備和模塊尺寸，采用不同的設(shè)備組合形式。

5 供電系統(tǒng)方案

5.1 單個供電模塊構(gòu)建

根據(jù)GB50174—2017附錄A規(guī)定，本項目數(shù)據(jù)中心供電電源應(yīng)由雙重電源供電；變壓器應(yīng)容錯要求，可采用2N系統(tǒng)；后備柴油發(fā)電機應(yīng)采用N＋X冗余運行［1］。單路10kV市電容量可提供10000kVA左右，而單個微模塊機房計算功率233.9kW，考慮功率因數(shù)及損耗后，單個微模塊機房視在功率約為246.2kVA，由此可得出單路市電可為40個微模塊機房供電。

綜上所述，40個微模塊機房可作為一個供電單元的終端用戶，需要2路獨立10kV電源為其供電。根據(jù)上述模塊化單元的介紹，可構(gòu)建單個供電單元框架。低壓電力模塊選擇8個，單個容量2500kVA，2個模塊為1組用密集母線連接，實現(xiàn)低壓單母線分段供電，可滿足10個微模塊機房的供電。中壓電力模塊選擇2個，采用母線橋連接，實現(xiàn)中壓單母線分段，分別為4組低壓電力模塊供電。柴油發(fā)電機并機模塊選擇1個，選擇常用功率1800kW的10kV中壓柴油發(fā)電機7臺（室外集裝箱型安裝），6＋1冗余運行可滿足40個微模塊機房的后備電源。單個供電單元架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 單個供電單元架構(gòu)圖

5.2 供電系統(tǒng)模塊搭建

本項目動力負荷和配套負荷裝機容量總計13800kW，考慮需要系數(shù)及功率因數(shù)等因素計算功率約為10800kVA，可由一個供電單元供電。首層120個微模塊機房可由3個供電單元供電，二層160個微模塊機房可由4個供電單元供電。本項目構(gòu)建基本供電框架如圖6所示。

圖6 供電框架圖

每個供電單元的兩路市電引自不同電網(wǎng)，兩路10kV市電電源同時工作，互為備用，母聯(lián)開關(guān)分斷運行，每路電源可提供100%的供電能力。當(dāng)一路電源失電，延時1.5s后，自動斷開失電側(cè)進線開關(guān)，母聯(lián)開關(guān)可自動投入；當(dāng)兩路電源都失電，延時5s，柴油發(fā)電機自啟動，并機成功后，斷開兩路市電電源進線開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)，兩段10kV母線切換為由應(yīng)急電源供電。市電恢復(fù)后，自動斷開兩段母線上的應(yīng)急電源進線開關(guān)，閉合市電電源進線開關(guān)，柴油發(fā)電機延時10s自動停機。

6 結(jié)束語

互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)側(cè)數(shù)據(jù)和流量需求的激增，要求數(shù)據(jù)中心必須實現(xiàn)快速部署，更多數(shù)據(jù)中心將實現(xiàn)配電系統(tǒng)的模塊化建設(shè)理念。模塊化數(shù)據(jù)中心采用哪種類型的電力模塊，電力模塊之間如何搭建、組合對數(shù)據(jù)中心整個生命周期的業(yè)務(wù)效果將產(chǎn)生深遠影響，因此需要深入考量、合理設(shè)計，這樣才能最大限度地發(fā)揮電力模塊的技術(shù)優(yōu)勢，為日益復(fù)雜的數(shù)據(jù)中心提供可靠的電力支撐和安全保障。