淺談數(shù)據(jù)中心供配電設(shè)計方案

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

【摘要】 在互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)背景下，與之配套的大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)數(shù)量加速增多，本文試從數(shù)據(jù)中心對供配電系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，淺要探討數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計方案。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)中心；供配電系統(tǒng)；供配電設(shè)計方案

 

1背景

       隨著近年互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，建立在計算機技術(shù)基礎(chǔ)上的游戲、云計算、金融、大數(shù)據(jù)、智能家居等等領(lǐng)域發(fā)展蓬勃，對大規(guī)模的計算資源需求極大，這就要求建設(shè)一系列相配套的大規(guī)模數(shù)據(jù)中心。一般的數(shù)據(jù)中心用于存儲提供平臺服務(wù)的設(shè)備，諸如服務(wù)器、存儲硬盤、網(wǎng)絡(luò)線纜等，這對電力供應(yīng)的要求非常之高，耗電量也是巨大的。在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)設(shè)計工作中，涉及的細(xì)節(jié)繁雜，除了為巨量的線纜設(shè)備提供能夠**穩(wěn)定工作的物理空間，還需要考慮路由布線、管理和維護(hù)等等因素。因此，本文通過分析其對于特殊的數(shù)據(jù)中心的功能需求，從而為深入的供配電設(shè)計提供設(shè)計思路。

 

2配電設(shè)計方案分級

       在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心設(shè)計工作時，通常參考《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》（GB50174-2017）中的規(guī)定，一般將數(shù)據(jù)中心劃分為A、B、C三個等級，分級依據(jù)則是綜合考慮數(shù)據(jù)中心建成后的使用性質(zhì)、遇到突發(fā)狀況導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或網(wǎng)絡(luò)中斷后可能會對經(jīng)濟和社會造成何等損失及影響程度。當(dāng)數(shù)據(jù)中心在發(fā)生供電中斷時，造成重大經(jīng)濟損失或公共場所秩序嚴(yán)重混亂者定性為A級；運行中斷后造成較大經(jīng)濟損失或造成公共場所秩序混亂的定性為B級；其他的屬于C級。而在異地建設(shè)的具有備份功能的機房則需要在設(shè)計階段將等級確定為與原機房相同。在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計過程中，要依照上述分區(qū)和分級的原則，供配電系統(tǒng)在實際作業(yè)狀態(tài)下的穩(wěn)定性和**性是首要確保的。同時要考慮出現(xiàn)故障或發(fā)生不可抗力造成損壞后，如何*大程度上縮小故障影響的范圍，降低潛在的重大經(jīng)濟損失或者公共秩序的擾亂。

 

3數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計思路

3.1供配電系統(tǒng)需求分析

       進(jìn)行數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)設(shè)計工作，首先需要分析在數(shù)據(jù)中心的實際業(yè)務(wù)過程中對供配電系統(tǒng)的功能需求，在以往的實踐經(jīng)驗中可以主要概括為四點：連續(xù)、穩(wěn)定、平衡、分類。連續(xù)是指數(shù)據(jù)中心的IT機柜往往是不間斷使用的，需要全天候?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，這就要求供電系統(tǒng)不間斷供電。供電系統(tǒng)在工作狀態(tài)中存在暫態(tài)電能質(zhì)量的變化，專業(yè)上稱之為容忍區(qū)，在不間斷供電的前提下，容忍區(qū)對數(shù)據(jù)中心的設(shè)備會帶來一定損傷，但是只要在合理范圍內(nèi)，大部分信息設(shè)備對容忍區(qū)帶來的電氣損害是有能力承擔(dān)的，通常供電系統(tǒng)在切換、電壓跌落等狀態(tài)下，控制在20ms以內(nèi)的容忍區(qū)是不會對設(shè)備造成過大損害的。

       穩(wěn)定是指為數(shù)據(jù)中心供電的電源設(shè)備需要保證頻率穩(wěn)定，波形失真控制在較小的范圍內(nèi)。穩(wěn)態(tài)電壓偏移值的要求比較嚴(yán)苛，需要控制在±3%之內(nèi)，這對大部分市電供電系統(tǒng)而言要求過高，因此必須配備額外的UPS系統(tǒng)。平衡是要求在數(shù)據(jù)中心運行過程中三相電源保持平衡，三相平衡的穩(wěn)定負(fù)載不會對供電設(shè)備帶來太大的壓力。分類是指數(shù)據(jù)中心中涉及的設(shè)備類型十分龐雜，這就需要把IT設(shè)備及相關(guān)輔助設(shè)備按照供配電保障要求進(jìn)行分級布置，合理歸置不同類別的設(shè)備，以保證整個供配電系統(tǒng)的在可用性不變的前提下降低成本。

3.2供配電系統(tǒng)布置原則

       在確定數(shù)據(jù)中心的供配電需求之后，設(shè)計人員著手布置供配電系統(tǒng)的過程中，首先要對變配電室、電力電池室等電房位置進(jìn)行規(guī)劃。結(jié)合機房工藝布局，并充分考慮未來業(yè)務(wù)發(fā)展的各種可能性，堅持貫徹“土建通用化、機電定制化”的原則，變配電室深入負(fù)荷中心的同時，供電系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方案，實現(xiàn)供電路由優(yōu)，大量節(jié)省有色金屬的消耗量，減小供電損耗，在節(jié)省初期建設(shè)投資的同時，大大節(jié)省未來長期的運行損耗費用。一般情況下，首先在確定數(shù)據(jù)中心的IT機房位置后，在其附近布置變配電室和電力電池室。合理科學(xué)地規(guī)劃供配電系統(tǒng)，按需求布置電設(shè)備房，從而做到在滿足機架數(shù)量的情況下，更好的提高實際作業(yè)狀態(tài)下供配電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和**性。

3.2.1變配電所

       一般進(jìn)行數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的變配電室布置時，需充分考慮數(shù)據(jù)中心需配備的變配電房的數(shù)量和配電路由的先后順序，其高壓配電相關(guān)部分通常設(shè)置在首層，供IT負(fù)荷使用的變壓器及其低壓部分、不間斷電源配電部分等則通常跨樓層布置。設(shè)置變配電所具體位置的同時也要充分考慮數(shù)據(jù)中心整體建筑的各個功能分區(qū)之間的作業(yè)需求，合理科學(xué)地進(jìn)行設(shè)計規(guī)劃。在對變配電方案設(shè)計時，原則上需要以終局容量作為核算標(biāo)準(zhǔn)來衡量方案的可擴展性，同時還要在物理空間角度節(jié)省成本。變配電的一部分工作對象是將交流市電線路與發(fā)電機組之間進(jìn)行切換，這之間需要設(shè)置自動切換設(shè)備，通常采用帶有旁路隔離開關(guān)型的ATS開關(guān)。通過比對數(shù)據(jù)中心電氣工程設(shè)計規(guī)范，一般采取建設(shè)要求進(jìn)行施工，在處理抵押配電系統(tǒng)和后端配電系統(tǒng)時，需要按照物理隔離的方式進(jìn)行設(shè)置，這是為了保證電源發(fā)生物理碰撞或線路故障時，至少有一個電源被物理方式保護(hù)而不受損害。

3.2.2發(fā)電機房

       發(fā)電機房通常與數(shù)據(jù)中心的建筑部分獨立開來，這是因為發(fā)電機組本身需要較大的物理空間進(jìn)行歸置，而且在作業(yè)過程中有大量的熱量、震動和噪聲的發(fā)散，會對機房精密設(shè)備造成一定影響。另外，發(fā)電機房的消防工作也是設(shè)計重點，需要保證發(fā)電機房內(nèi)良好的通風(fēng)條件，避免陽光直射，保持干燥陰涼，從而為發(fā)電機組的作業(yè)環(huán)境提供適合的工作溫度。另外要備齊足夠的消防救援設(shè)施，有條件的可以配置完善的消防檢測預(yù)警系統(tǒng)。機房在普通情況下采用兩路市電線路進(jìn)行電力供應(yīng)，如果遇到兩路市電發(fā)生故障時，則柴油發(fā)電機組自動啟動，對市電的配電系統(tǒng)供電，從而避免數(shù)據(jù)中心中斷工作，保證其供電的連續(xù)性。根據(jù)數(shù)據(jù)中心的電氣工程設(shè)計規(guī)范，不能采取熱電聯(lián)供系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以及太陽能發(fā)電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的應(yīng)急電源，因為上述能源類型不能保證持續(xù)可靠的電力供應(yīng)，會隨著氣候地理等條件的變化而發(fā)生變化，另外燃?xì)獍l(fā)電機組因為容易發(fā)生燃?xì)庑孤?、氣壓不穩(wěn)等情況，也不能作為數(shù)據(jù)中心信息設(shè)施的應(yīng)急電源。

3.2.3UPS電源機房

       UPS電源機房通常相鄰于主要設(shè)備機房，主機、配電柜以及電池之間保持一定距離。按A級機房等級為例，通常為數(shù)據(jù)中心機房區(qū)IT設(shè)備供電，規(guī)劃由A/B路相互獨立的UPS供電系統(tǒng)組成。規(guī)劃每套UPS系統(tǒng)由N臺UPS并機構(gòu)成，UPS供電系統(tǒng)規(guī)劃容量由機房區(qū)需要容量算出。UPS電源系統(tǒng)的配置需根據(jù)機房等級進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，如A級機房通常采用2N雙總線容錯系統(tǒng)向數(shù)據(jù)中心機房供電。UPS電源的設(shè)計額定容量不小于總負(fù)載容量的125%。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，A級機房的大功率UPS應(yīng)有兩個電源輸入端口，并應(yīng)設(shè)置旁路系統(tǒng)。若三臺及以上UPS系統(tǒng)并機運行時，需設(shè)置人工維修旁路。在空間位置足夠的情況下，UPS后備蓄電池組設(shè)置獨立的電池室，A/B系統(tǒng)物理隔離，IT設(shè)備UPS供電系統(tǒng)蓄電池后備時間（單臺滿載）按15min設(shè)計。

       對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)分析后，確定了數(shù)據(jù)中心對于供配電設(shè)施連續(xù)、穩(wěn)定、平衡、分類的需求。因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心供配電方案設(shè)計工作中，變配電所、發(fā)電機房、UPS電源機房應(yīng)按照上述具體設(shè)計細(xì)節(jié)進(jìn)行考量。除此之外，由于數(shù)據(jù)中心的設(shè)備種類復(fù)雜，用電情況很難準(zhǔn)確預(yù)估，設(shè)計人員還需要考慮非IT設(shè)備的工作負(fù)荷情況，單獨為ECC工位、顯示屏幕、消防檢測系統(tǒng)、應(yīng)急照明等設(shè)備設(shè)置UPS電源供電，同時配備相應(yīng)的冷凍水散熱設(shè)施，空調(diào)設(shè)備等。在進(jìn)行照明系統(tǒng)設(shè)置時，除了正常工作狀態(tài)下的照明條件，還要考慮突發(fā)情況下的應(yīng)急照明，以及遠(yuǎn)程照明控制。而為避免雷暴天氣對電子設(shè)備的損傷，在考慮防雷和接地系統(tǒng)設(shè)計時，數(shù)據(jù)中心的電源系統(tǒng)需要滿足《建筑防雷設(shè)計規(guī)范》和《建筑物電子信息防雷設(shè)計規(guī)定》的相關(guān)規(guī)定，數(shù)據(jù)中心雷電防護(hù)等級為A級，而供配電系統(tǒng)采取三級防雷措施，安裝防雷防浪涌保護(hù)器。數(shù)據(jù)中心的接地系統(tǒng)設(shè)計要考慮保護(hù)接地、工作接地和防雷接地等共用一套接地裝置。同時在數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)鋪設(shè)防靜電地板，同時在下部設(shè)置接地銅網(wǎng)格。

 

4安科瑞列頭柜及監(jiān)測產(chǎn)品介紹

       隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心能耗問題也越來越突出，高效可靠的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案，是提高數(shù)據(jù)中心電能使用效率，降低設(shè)備能耗的有效方式。

       AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機房末端設(shè)計的，能夠綜合集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供**的電參量信息，并可通過通訊將數(shù)據(jù)上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機房的實時監(jiān)控和有效管理，為實現(xiàn)綠色I(xiàn)DC提供可靠保證。

4.1精密配電管理解決方案

4.1.1交流系統(tǒng)

1）功能要求：

       遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；

       遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關(guān)狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報警功能。

2）配置方案-示意圖