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淺談長(zhǎng)江云數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

更新時(shí)間：2021-05-27點(diǎn)擊次數(shù)：1423次

摘要：介紹了長(zhǎng)江云互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心( IDC) 機(jī)房供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，分析了供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，闡述了 IDC 機(jī)房負(fù)荷計(jì)算和關(guān)鍵設(shè)備選型方法，可為類似數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；供配電設(shè)計(jì)；負(fù)荷計(jì)算；設(shè)備選型

0引言

近年來(lái)，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，許多大型企業(yè)為滿足自身發(fā)展需要開始建設(shè)數(shù)據(jù)中心。集裝箱式互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心( Internet Data Center，IDC) 機(jī)房具有占地面積小、布置靈活、建設(shè)周期短等特點(diǎn)，越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用［1-3］。本文結(jié)合湖北廣電長(zhǎng)江云集裝箱式數(shù)據(jù)中心機(jī)房，詳細(xì)介紹 IDC 機(jī)房配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1項(xiàng)目概況

長(zhǎng)江云集裝箱 IDC 機(jī)房占地面積僅為 100 m2，由華為技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)，機(jī)房?jī)?nèi)部安裝有32 臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，并配備視頻監(jiān)控、消防報(bào)警等配套設(shè)施?？照{(diào)室外機(jī)安裝在集裝箱頂部，應(yīng)急電源( UPS) 安裝在獨(dú)立的房間。機(jī)房建成后搭建湖北廣電新媒體融媒平臺(tái)，匯聚全省政務(wù)信息，實(shí)現(xiàn)頻道節(jié)目制作、新聞資源共享。

2負(fù)荷分級(jí)

長(zhǎng)江云數(shù)據(jù)中心設(shè)備負(fù)荷分為 IDC 設(shè)備、空調(diào)、照明、消防等四類。根據(jù) GB 50174—2016《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》，數(shù)據(jù)中心機(jī)房可劃分為 A、B、C 三個(gè)級(jí)別，長(zhǎng)江云集裝箱 IDC 機(jī) 房按照 A 級(jí)機(jī)房設(shè)計(jì)，機(jī)房?jī)?nèi) IDC 設(shè)備用電按照一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷設(shè)計(jì)，空調(diào)、照明、消防用電按照一級(jí)負(fù)荷設(shè)計(jì)。

3設(shè)計(jì)原則

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求是安全、穩(wěn)定、可靠，并遵循如下原則:

( 1) 消除單一節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)不應(yīng)存在某節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，導(dǎo)致系統(tǒng)全部停電的事故。

( 2) 故障容錯(cuò)。系統(tǒng)具備容錯(cuò)能力，即當(dāng)線路發(fā)生部分故障或操作失誤時(shí)，不影響數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行。

( 3) 可維護(hù)。需設(shè)計(jì)足夠冗余，保證設(shè)備檢修或維護(hù)時(shí)，不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

( 4) 可增容。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮今后事業(yè)發(fā)展、需求增加，便于今后擴(kuò)容。

4供電方案

4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)江云集裝箱 IDC 配電系統(tǒng)如圖 1 所示。

4.2供電電源

4.2.1 10 kV 供配電系統(tǒng)

長(zhǎng)江云數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電電源10KVIDC 配電系統(tǒng)中心配電室，相距約 150 m。中心配電室 10 kV供電系統(tǒng)分別從兩個(gè)不同變電站，沿不同的路徑引入兩路 10 kV 專線( 體視線和沙視線)至中心配電房的主備電源進(jìn)線柜，10 kV 母線采用單母線分段運(yùn)行。當(dāng)其中一路市電發(fā)生故障，通過(guò)母聯(lián)開關(guān)切換，由另一路市電承擔(dān)全部一級(jí)負(fù)荷。

4.2.2 380V低壓配電系統(tǒng)

10 kV 中心配電房配置有4臺(tái)變壓器，2 臺(tái) 500 kVA 工藝專用變壓器( 500-1 和 500-2) 通過(guò)單母線分段運(yùn)行，互為備用，一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷。2臺(tái)1 600 kVA 動(dòng)力變壓器 ( 1600-1 和 1600-2) 通過(guò)單母線分段運(yùn)行，互為備用，主要供動(dòng)力、照明。4 臺(tái)變壓器平時(shí)各帶 50% 的負(fù)荷，當(dāng)其中 1 臺(tái)變壓器發(fā)生故障，通過(guò)低壓母聯(lián)開關(guān)切換，由另 1 臺(tái)變壓器承擔(dān)全部負(fù)荷。

從 2 臺(tái) 500 kVA 的變壓器饋線柜各引一回 380 V 電源至 IDC 機(jī)房，一回送至 UPS 電源輸入柜，經(jīng)過(guò) UPS 電源后送至集裝箱機(jī)房的 1#交流列頭柜，再分別送至各機(jī)架電源分配單元( PDU) ，向設(shè)備供電。另一回直接送至交流列頭柜，再分別送至各機(jī)架 PDU，向設(shè)備供電。

從 2 臺(tái) 1 600 kVA 變壓器的饋線柜分別引 2 路獨(dú)立的 380 V 電源至 UPS 電源室的動(dòng)力進(jìn)線配電柜，再引 6 回低壓線路至 IDC 機(jī)房空調(diào)配電箱的 3 個(gè) ATS 切換開關(guān)，向 6 臺(tái)空調(diào)供電。每個(gè)ATS 切換開關(guān)引入 2 回 380 V 電源，一主一備互為備用，ATS 開關(guān)切換時(shí)間小于 3 s。

4.3 UPS 電源系統(tǒng)

按照《廣播電視安全播出管理實(shí)施細(xì)則》規(guī)定: 省級(jí)廣播電視屬于一級(jí)安全播出保障等級(jí)，一級(jí)主要播出負(fù)荷應(yīng)采用 UPS 電源供電。該項(xiàng)目配置一臺(tái)模塊化 UPS 電源，后備時(shí)間為 30 min，向 IDC 機(jī)房設(shè)備供電。

4.4 自備發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

中心配電房配置 2 臺(tái) 1 000 kW 柴油發(fā)電機(jī)互為備用，發(fā)電機(jī)輸出電源經(jīng)過(guò) ATS 切換開關(guān)( 1#ATS 和 2#ATS) 分別接入 2 臺(tái) 500 kVA 變壓器的進(jìn)線柜。當(dāng) 2 路市電同時(shí)停電時(shí)，發(fā)電機(jī)可在 1 min 內(nèi)完成起動(dòng)，原 2 臺(tái) 500 kVA 變壓器所帶全部負(fù)荷通過(guò) ATS 切換開關(guān)切換到發(fā)電機(jī)電源，由發(fā)電機(jī)供電。

5主要設(shè)備選型

5.1 UPS 電源

IDC 機(jī)房?jī)?nèi)部共安裝 IT 設(shè)備機(jī)架 24 臺(tái)，每臺(tái)機(jī)架可提供 7 kW 功率輸出，需要系數(shù)取0．8，則計(jì)算額定功率為 134 kW。根據(jù) UPS 電源輸出有功功率≥額定容量 × 0． 7 kW，因此 UPS 電源容量≥192 kVA?？紤]到今后擴(kuò)容需要，該項(xiàng)目選用1 臺(tái) 240 kVA 模塊化 UPS 電源，每個(gè)模塊為 40 kVA，共 6 個(gè)功率模塊。

5.2 空調(diào)設(shè)備

空調(diào)的制冷量根據(jù)機(jī)房冷負(fù)荷來(lái)確定: Qt = Q1 + Q2 ( 1)

式中: Qt———總制冷量;

Q1———機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備負(fù)荷;

Q2———機(jī)房環(huán)境冷負(fù)荷。

根據(jù)計(jì)算，空調(diào)冷負(fù)荷為 113 kW，采用 n + 2 冗余方式配置 6 臺(tái)空調(diào)，每臺(tái)制冷量為35 kW，常用 140 kW，可滿足機(jī)房制冷需求。

5.3 電纜

( 1) UPS 電源輸入電纜。UPS 電源輸入電流 Iin計(jì)算公式:

( 2)

式中: P———UPS 額定功率;

F1———輸出功率因數(shù);

U———輸入額定電壓;

η———整機(jī)效率;

F2———輸入功率因數(shù)。

其中，整機(jī)效率 η = 0．8，輸入功率因數(shù) F2 = 0．99，因此 UPS 電源輸入電流為 326 A。查《電氣工程常用數(shù)據(jù)速查手冊(cè)》，并考慮環(huán)境溫度修正系數(shù)、穿管系數(shù)后，ZR-YJV-4 × 240 + 1 × 185 規(guī)格電纜允許載流量為 359 A，滿足計(jì)算要求。

( 2) 空調(diào)電源輸入電纜。該項(xiàng)目設(shè) 6 臺(tái)空調(diào)，每臺(tái) 13 kW，空調(diào)總功率為 98 kW，計(jì)算電流為 185 A。查《電氣工程常用數(shù)據(jù)速查手冊(cè)》，并考慮環(huán)境溫度修正系數(shù)、穿管系數(shù)后，ZR-YJV-4 × 120 +1 ×70 規(guī)格電纜允許載流量為 228 A，滿足計(jì)算要求。

5.4 開關(guān)

( 1) UPS 電源進(jìn)線開關(guān)。根據(jù)式( 2) ，UPS電源的輸入電流為 326 A，進(jìn)線開關(guān)額定電流取400 A，選用型號(hào) NSX400 3P。

(2) UPS 電源輸出開關(guān)。 ( 3)

根據(jù)式( 3) ，UPS 電源輸出電流為 364 A，輸出開關(guān)額定電流取 400 A，故選用 NSX400 3P 型號(hào)。

(3) 空調(diào)電源輸入開關(guān)?？照{(diào)負(fù)荷輸入電流計(jì)算結(jié)果為 185 A，開關(guān)額定電流取250A。

6安科瑞ANDPF精密列頭柜介紹

6.1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(wèn)題也越來(lái)越突出，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(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房末端設(shè)計(jì)的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供準(zhǔn)確的電參量信息，并可通過(guò)通訊將數(shù)據(jù)上傳到動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房的實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效管理，為實(shí)現(xiàn)綠色I(xiàn)DC提供可靠保證。

6.2安科瑞精密配電產(chǎn)品解決方案

1）交流系統(tǒng)

功能要求

遙測(cè)：輸入分路的三相電壓、三相電流、頻率、有功功率、有功電度；

遙信：輸入分路的過(guò)壓/欠壓，缺相，過(guò)流，頻率過(guò)高/過(guò)低，輸入分路的開關(guān)狀態(tài)，具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、頻率等參數(shù)的越限報(bào)警功能。

配置方案如圖2，

2）直流系統(tǒng)

功能要求

遙測(cè)：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；

遙信：輸入分路的過(guò)壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態(tài)，具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報(bào)警功能。

配置方案如圖3，

6.3產(chǎn)品選型

7安科瑞智能小母線監(jiān)控系統(tǒng)介紹

7.1產(chǎn)品介紹

針對(duì)數(shù)據(jù)中心智能小母線的監(jiān)控要求,安科瑞推出了AMB系列小母線監(jiān)控解決方案，該方案包括采集模塊、配套附件、監(jiān)控系統(tǒng),能對(duì)母線運(yùn)行過(guò)程中的各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)生故障則進(jìn)行告警，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

AMB檢測(cè)單元是針對(duì)數(shù)據(jù)中心智能小母線插接箱/始端箱的監(jiān)控要求新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，該檢測(cè)單元安裝固定在插接箱/始端箱內(nèi)部，插接箱/始端箱采用方式與母線連通，它集成全部電力參數(shù)的測(cè)量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、頻率、功率因數(shù))以及電能監(jiān)測(cè)和考核管理。同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控母線接口溫度，配合2路Rs45通訊接口（1進(jìn)1出）或LORA無(wú)線通訊，采用MODBUS-RTU協(xié)議可以方便可靠的將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至主控箱和后臺(tái)系統(tǒng)，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

7.2產(chǎn)品選型

安科瑞智能母線測(cè)控儀表選型如表2，

注：AMB100用于始端箱、AMB110用于插接箱、A-交流系統(tǒng)、D-直流系統(tǒng)可選配AMB10顯示器，顯示器只循環(huán)顯示電壓、電流參數(shù)。

8結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)不同的負(fù)荷應(yīng)依據(jù)其性質(zhì)進(jìn)行分類、分級(jí)，并采用不同的供電方案。注意以下事項(xiàng): 配電系統(tǒng)接線應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單、清晰，消除單一節(jié)點(diǎn)，具備容錯(cuò)功能；設(shè)備配置要充分考慮維護(hù)管理方便；模塊化 UPS 采用 n + 1 配置，空調(diào)系統(tǒng)采用 2n 配置，留足冗余。由于資金問(wèn)題，該項(xiàng)目雖然實(shí)現(xiàn)兩回路*獨(dú)立的供電回路，但只配置 1 臺(tái) UPS 電源，在市電供電電壓穩(wěn)定、質(zhì)量較好的情況下對(duì)設(shè)備不會(huì)造成影響。由于 IDC 設(shè)備都是計(jì)算機(jī)類設(shè)備，如果市電供電質(zhì)量較差，電壓波動(dòng)幅度較大，將對(duì) IDC 設(shè)備的安全造成影響。因此，在市電供電質(zhì)量較差、條件許可的情況下，建議配置兩套獨(dú)立的 UPS 電源。

【參考文獻(xiàn)】

[1]周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛(ài)華.UPS 應(yīng)用與故障診斷[M].北京：中國(guó)電力出版社,2008.

[2]袁令海.長(zhǎng)江云數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J].現(xiàn)代建筑電氣，2019（10）：22-25.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版.

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