浅谈长江云数据中心供配电系统的设计与应用
来宝网 2021/1/19点击571次
摘 要：介绍了长江云互联网数据中心( IDC) 机房供配电系统的设计原则，分析了供配电系统结构，阐述了 IDC 机房负荷计算和关键设备选型方法，可为类似数据中心的供配电系统设计提供参考。
关键词：数据中心；供配电设计；负荷计算；设备选型
0引言
近年来，随着云计算、大数据等技术的实现，许多大型企业为满足自身发展需要开始建设数据中心。集装箱式互联网数据中心( Internet Data Center，IDC) 机房具有占地面积小、布置灵活、建设周期短等特点，越来越得到广泛的应用［1-3］。本文结合湖北广电长江云集装箱式数据中心机房，详细介绍 IDC 机房配电系统的设计。
1项目概况
长江云集装箱 IDC 机房占地面积仅为 100 m2， 由华为技术有限公司设计，机房内部安装有32 台标准机柜，并配备视频监控、消防报警等配套设施。空调室外机安装在集装箱顶部，应急电源( UPS) 安装在独立的房间。机房建成后搭建湖北广电新媒体融媒平台，汇聚全省政务信息，实现频道节目制作、新闻资源共享。
2负荷分级
长江云数据中心设备负荷分为 IDC 设备、空 调、照明、消防等四类。根据 GB 50174—2016《电子信息系统机房设计规范》，数据中心机房可划分为 A、B、C 三个级别，长江云集装箱 IDC 机 房按照 A 级机房设计，机房内 IDC 设备用电按照一级负荷中特别重要负荷设计，空调、照明、消防用电按照一级负荷设计。
3设计原则
数据中心供配电系统设计的基本要求是安全、稳定、可靠，并遵循如下原则:
( 1) 消除单一节点。系统不应存在某节点发生故障，导致系统全部停电的事故。
( 2) 故障容错。系统具备容错能力，即当线 路发生部分故障或操作失误时，不影响数据中心正常运行。
( 3) 可维护。需设计足够冗余，保证设备检修或维护时，不影响系统正常运行。
( 4) 可增容。系统设计应充分考虑今后事业发展、需求增加，便于今后扩容。
4供电方案
4.1系统结构长江云集装箱 IDC 配电系统如图 1 所示。
4.2供电电源
4.2.1 10 kV 供配电系统
长江云数据中心机房供电电源10KVIDC 配电系统中心配电室，相距约 150 m。中心配电室 10 kV供电系统分别从两个不同变电站，沿不同的路径引入两路 10 kV 专线( 体视线和沙视线)至中心配电房的主备电源进线柜，10 kV 母线采用单母线分段运行。当其中一路市电发生故障，通过母联开关切换，由另一路市电承担全部一级负荷。
4.2.2 380V低压配电系统
10 kV 中心配电房配置有4台变压器，2 台 500 kVA 工艺专用变压器( 500-1 和 500-2) 通过单母线分段运行，互为备用，一级负荷中的特别重要负荷。2台1 600 kVA 动力变压 器 ( 1600-1 和 1600-2) 通过单母线分段运行，互为备用，主要供动力、照明。4 台变压器平时各带 50% 的负荷，当其中 1 台变压器发生故障，通过低压母联开关切换，由另 1 台变压器承担全部负荷。
从 2 台 500 kVA 的变压器馈线柜各引一回 380 V 电源至 IDC 机房，一回送至 UPS 电源输入柜，经过 UPS 电源后送至集装箱机房的 1#交流列头柜，再分别送至各机架电源分配单元( PDU) ，向设备供电。另一回直接送至交流列头柜，再分别送至各机架 PDU，向设备供电。
从 2 台 1 600 kVA 变压器的馈线柜分别引 2 路独立的 380 V 电源至 UPS 电源室的动力进线 配电柜，再引 6 回低压线路至 IDC 机房空调配电箱的 3 个 ATS 切换开关，向 6 台空调供电。 每个ATS 切换开关引入 2 回 380 V 电源，一主一备互为备用，ATS 开关切换时间小于 3 s。
4.3 UPS 电源系统
按照《广播电视安全播出管理实施细则》规定: 省级广播电视属于一级安全播出保障等级， 一级主要播出负荷应采用 UPS 电源供电。该项目配置一台模块化 UPS 电源，后备时间为 30 min，向 IDC 机房设备供电。
4.4 自备发电机系统
中心配电房配置 2 台 1 000 kW 柴油发电机互为备用，发电机输出电源经过 ATS 切换开关( 1#ATS 和 2#ATS) 分别接入 2 台 500 kVA 变压器的进线柜。当 2 路市电同时停电时，发电机可在 1 min 内完成起动，原 2 台 500 kVA 变压器所带全部负荷通过 ATS 切换开关切换到发电机电源，由发电机供电。
5主要设备选型
5.1 UPS 电源
IDC 机房内部共安装 IT 设备机架 24 台，每台机架可提供 7 kW 功率输出，需要系数取0．8，则计算额定功率为 134 kW。根据 UPS 电源输出有功功率≥额定容量 × 0． 7 kW，因此 UPS 电源容量≥192 kVA。考虑到今后扩容需要，该项目选用1 台 240 kVA 模块化 UPS 电源，每个模块为 40 kVA，共 6 个功率模块。
5.2 空调设备
空调的制冷量根据机房冷负荷来确定: Qt = Q1 + Q2 ( 1)
式中: Qt———总制冷量;
Q1———机房内设备负荷;
Q2———机房环境冷负荷。
根据计算，空调冷负荷为 113 kW，采用 n + 2 冗余方式 配 置 6 台空调，每台制冷量为35 kW，常用 140 kW，可满足机房制冷需求。
5.3 电缆
( 1) UPS 电源输入电缆。UPS 电源输入电流 Iin计算公式:
( 2)
式中: P———UPS 额定功率;
F1———输出功率因数;
U———输入额定电压;
η———整机效率;
F2———输入功率因数。
其中，整机效率 η = 0．8，输入功率因数 F2 = 0．99，因此 UPS 电源输入电流为 326 A。查《电气工程常用数据速查手册》，并考虑环境温度 修正系数、穿管系数后，ZR-YJV-4 × 240 + 1 × 185 规格电缆允许载流量为 359 A，满足计算要求。
( 2) 空调电源输入电缆。该项目设 6 台空调，每台 13 kW，空调总功率为 98 kW，计算电流为 185 A。查《电气工程常用数据速查手册》，并考虑环境温度修正系数、穿管系数后，ZR-YJV-4 × 120 +1 ×70 规格电缆允许载流量为 228 A，满足计算要求。
5.4 开关
( 1) UPS 电源进线开关。根据式( 2) ，UPS电源的输入电流为 326 A，进线开关额定电流取400 A，选用型号 NSX400 3P。
(2) UPS 电源输出开关。 ( 3)
根据式( 3) ，UPS 电源输出电流为 364 A，输 出开关额定电流取 400 A，故选用 NSX400 3P 型号。
(3) 空调电源输入开关。空调负荷输入电流计算结果为 185 A，开关额定电流取250A。
6安科瑞ANDPF精密列头柜介绍
6.1产品介绍
随着数据中心的迅猛发展，数据中心能耗问题也越来越突出，可靠的数据中心配电系统方案，是提高数据中心电能使用效率，降低设备能耗的有效方式。
AMC系列数据中心精密配电系统是针对数据机房末端设计的，能够综合采集所有能源数据的智能系统，为交直流电源配电柜提供准确的电参量信息，并可通过通讯将数据上传到动环监控系统，实现对整个数据机房的实时监控和有效管理，为实现绿色IDC提供可靠保证。
6.2安科瑞精密配电产品解决方案
1）交流系统
功能要求
遥测：输入分路的三相电压、三相电流、频率、有功功率、有功电度；
遥信：输入分路的过压/欠压，缺相，过流，频率过高/过低，输入分路的开关状态，具备电流、功率需用量分析和统计，实现电压、电流、频率等参数的越限报警功能。
配置方案如图2，
2）直流系统
功能要求
遥测：输入分路的电压、电流、功率、电度；
遥信：输入分路的过压/欠压，输入分路的熔丝状态，具备电流、功率需用量分析和统计，实现电压、电流、功率等参数的越限报警功能。
配置方案如图3，
6.3产品选型
7安科瑞智能小母线监控系统介绍
7.1产品介绍
针对数据中心智能小母线的监控要求,安科瑞推出了AMB系列小母线监控解决方案，该方案包括采集模块、配套附件、监控系统,能对母线运行过程中的各种参数进行监控，发生故障则进行告警，以保证系统稳定运行。
AMB检测单元是针对数据中心智能小母线插接箱/始端箱的监控要求新设计的产品，该检测单元安装固定在插接箱/始端箱内部，插接箱/始端箱采用方式与母线连通，它集成全部电力参数的测量(如单相或者三相的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数)以及电能监测和考核管理。同时可以实时监控母线接口温度，配合2路Rs45通讯接口（1进1出）或LORA无线通讯，采用MODBUS-RTU协议可以方便可靠的将监测数据上传至主控箱和后台系统，保证系统可靠运行。
7.2产品选型
安科瑞智能母线测控仪表选型如表2，
注：AMB100用于始端箱、AMB110用于插接箱、A-交流系统、D-直流系统可选配AMB10显示器，显示器只循环显示电压、电流参数。
8结束语
数据中心供配电系统设计时，对不同的负荷应依据其性质进行分类、分级，并采用不同的供电方案。注意以下事项: 配电系统接线应尽可能简单、清晰，消除单一节点，具备容错功能；设备配置要充分考虑维护管理方便； 模块化 UPS 采用 n + 1 配置，空调系统采用 2n 配置，留足冗余。由于资金问题，该项目虽然实现两回路完全独立的供电回路，但只配置 1 台 UPS 电源，在市电供电电压稳定、质量较好的情况下对设备不会造成影响。由于 IDC 设备都是计算机类设备，如 果市电供电质量较差，电压波动幅度较大，将对 IDC 设备的安全造成影响。因此，在市电供电质量较差、条件许可的情况下，建议配置两套独立 的 UPS 电源。
【参考文献】
[1]周志敏,周纪海,纪爱华.UPS 应用与故障诊断[M].北京：中国电力出版社,2008.
[2]袁令海.长江云数据中心供配电系统设计与分析[J].现代建筑电气，2019（10）：22-25.
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.
推荐仪器
