浅谈某A级数据中心供电电源的计算

王 烨

(中国航空国际建设投资有限公司,北京 100120)

0 引 言

GB 50174—2017《数据中心设计规范》[1]将数据中心分为 A、B、C 三级。根据数据中心的使用性质、数据丢失或网络中断在经济或社会上造成的损失或影响程度确定所属级别。

本文以某基地数据中心为例进行分析。该数据中心主要功能分区为IT机房、发电机房、变配电室、UPS配电室、电池室、冷水机房等区域。作为整个使用单位的核心设施,由于其涉及的计算或通信规模较大,一旦运行中断,将造成重大的经济损失,因此按A级数据中心进行供配电设计。

根据规范要求,A级数据中心应由双重电源供电,并应设置备用电源。变压器按2N配置,备用电源可采用独立于正常电源的柴油发电机组,按N+X(X为1～N)配置。电子信息设备宜由不间断电源(UPS)供电,当使用柴油发电机组作为备用电源时,UPS系统电池最少备用时间为15 min。

1 负荷分级与负荷计算

机房电力负荷分级如下。

(1)一级负荷中特别重要负荷:IT设备(包括服务器、交换机等),此类负荷在双路市电电源+柴油发电机基础上,增加UPS电源回路保障。

(2)一级负荷:IT机房区行间制冷空调设备、冷冻水循环泵、冷水机组及相关设施、电气支持区精密空调、消防负荷(排烟、应急照明等)、IT机房新风机组、IT机房及支持区照明等,此类负荷由双路市电电源+柴油发电机电源供电。

(3)二级负荷:辅助区照明、动力、维修插座等,此类负荷由双路市电电源供电。

负荷统计如表1所示。根据负荷计算结果,选择2台1 600 kVA的变压器为IT设备供电,另外选择2台1 250 kVA的变压器为辅助设备供电。配电室设低压静电电容器补偿装置,补偿后变压器的10 kV侧功率因数达到0.9以上。同时低压配电系统设有源电力滤波器,通过采集负荷电流动态消除谐波。

表1 负荷统计

2 供配电系统

数据中心采用10 kV供电系统,10 kV主接线采用分段单母线,正常运行时母联断路器断开运行,两路10 kV电源分别向两段母线供电。当一路10 kV电源停电时,母联断路器手动(或自动)投入运行,由第二路电源向两段母线供电,每路电源均可带起全部重要负荷。10 kV母线以放射式向各台变压器供电。变压器采用2N配置,每台变压器的负荷率不大于50%,当一台变压器故障时,另一台变压器可带起全部重要负荷。0.4 kV母线采用分段单母线,每两段0.4 kV母线设母联断路器。当两段10 kV母线失去市电后,柴油发电机自起动,发电机并机成功后向变电所10 kV母线供电。

柴油机起动需要时间,由于IT负载不能接受短时断电,所以在切换时间内需要配置UPS维持生产数据设备工作。

供配电单线图分别如图1所示。

图1 供配电单线图

3 UPS的选择及电池容量计算

UPS采用2N配电架构,两路电源平时各带50%的用电设备,当一路电源失电时由另一路电源带全部负荷。

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》第8.1.7条:确定UPS系统的基本容量时应留有余量。不间断电源系统的基本容量为

E≥1.2P

(1)

式中:E——UPS系统的基本容量;

P——电子信息设备的计算负荷。

控制UPS的负载率是因为服务器运行功耗是不平稳的,存在用电功耗的波动,而UPS过载能力比较差,从安全可靠的角度预留余量。UPS长期运行过载能力为105%,过载125%时只能维持10 min,过载150%时仅30 s。通常要求UPS满载时的负载率控制在90%,半载时的负载率为45%。

对于IT设备,1F机房计算功率共计641 kW,2F机房计算功率共计641 kW,每层负载采用2组UPS供电,每组2台400 kV UPS。

UPS后挂电池组,后备电池为641 kW,持续供电时间为15 min。后备时间的核算采用恒功率计算法,认为在电池放电期间UPS输出的额定功率不变,电池参考施耐德APC12V-230AH电池,恒功率放电数据如表2所示。

表2 恒功率放电数据

选用12 V电池,42只/组,查表得,选择15 min放电终止电压1.70 V,每只电池直流功率666 W/CELL,电池组数为

N=P/(42×6Plη)

(2)

式中:P——负载功率;

Pl——每只电池直流功率;

η——逆变器效率,一般取0.98。

经计算,UPS配置4组12V-230AH电池可以满足IT负载后备15 min的要求。

4 柴油发电机组的选择

后备柴油发电机的容量应包括IT设备、空调和制冷设备的基本容量、应急照明及关系到生命安全等需要的负荷容量。

影响发电机的带载能力的因素有用电设备的输入THDi、发电机带阶跃性负载的能力、发电机带电容性负载的能力。发电机的额定输出功率是在检测条件下所检测到的技术参数:负载的输入电流谐波的THDi=0、负载的相移功率因数cosφ=0.8(感性)、在后接负载的加载量很小的条件下,从0逐渐增大到其额定值时所获得的。而数据中心的IT设备、变频空调、LED灯具等属于非线性负载,服务器等IT设备的负载特性呈容性,以及空调、水泵起动过程中产生的电涌电流,都会使发电机的带载能力明显下降。因此,在设计数据中心机房的发电机供电系统时,应在能确保发电机安全带载的前提下,尽量地降低发电机的设计容量配比[2-4]。

该项目中柴油机所带负荷总计算有功功率为2 196 kW,其中最大的单台电动机功率为151 kW。按设备计算功率计算发电机容量为

PC1=k1Pjs1+k2Pjs2+Pjs3+Pjs4

(3)

式中:k1——UPS需要的发电机容量系数,采用永磁励磁机时取1.2,UPS采用PFC电路时取1.3,采用带输入滤波器的传统双变换UPS时取3;

k2——制冷负荷需要的电动机容量系数,取1.5;

Pjs1、Pjs2——IT设备、空调制冷系统计算负荷;

Pjs3、Pjs4——照明计算负荷和消防负荷。

按单台最大电机起动的需求计算发电机容量为

(4)

式中:PΣ——总计算有功功率;

Pm——起动容量最大的电动机或成组电机的容量;

ηΣ——负荷在计算效率,一般取0.85;

cosφm——电动机起动功率因数,一般取0.4;

K——电动机起动电流倍数;

C——按照电动机起动方式确定的系数,全压启动取1,Y/Δ启动取0.67;自藕变压器起动时,50%抽头取0.25,65%抽头取0.42,80%抽头取0.64。

由于应急负荷与柴油发电机有一定距离,不校验电动机起动时母线电压降。经计算比较,采用3台容量为1 800 kW的10 kV柴油发电机,二用一备。

柴油发电机房设机组处于自动备用状态,按(2+1)模式并机运行,柴油机并机原理图如图2所示。机组起动信号发出后,3台发电机同时启动。第1台机组暖机后自动闭合其断路器并向转换开关供电;第2台机组暖机后自动与已投入机组同步并闭合其断路器;当2台机组同时向转换开关供电时,转换开关才将机组投向负载,同时负载检测器决定是否需要2台机组同时并联运行,如果主机组出现故障,则备用机组会自动起动并转向负载。通过并机的运行方式,可以弱化谐波的影响,有利于机组的稳定运行。

图2 柴油机并机原理图

5 结 语

供配电系统是数据中心重要的基础设施,应在数据中心对供电可靠性要求的基础上,合理地设计供配电系统的结构和电源的选择,使数据中心更加安全、可靠、节能,运行更加高效。