某A级数据中心的供配电系统设计

刘 林

(四川省建筑设计研究院有限公司,四川 成都 610000)

0 引 言

目前,数据中心的发展建设处于高速时期,且各地政府部门给予新兴产业的大力扶持,都为数据中心行业的发展带来很大优势。同时,供配电系统作为数据中心建设中至关重要的部分,需要达到可靠性和经济性的统一。

1 项目概况

某企业的文化产业园项目主要由办公、数据中心、配套商业及住宅构成,其中包含1栋数据中心及配套办公,面积约10 000 m2,为A级数据中心。数据中心供配电系统设计按照国家标准GB 50174—2017《数据中心设计规范》[1]要求进行。

园区建筑平面示意图如图1所示。

图1 园区建筑平面示意图

2 数据中心负荷分级

A级数据中心对供电系统可用性要求极高,需采取容错措施。所谓容错,即具有2套或2套以上的系统,在同一时刻至少有1套系统维持正常工作,不受计划内维护、测试和改造活动以及设备故障、意外事故、操作失误等计划外活动的影响[2-3]。

(1)一级负荷中特别重要负荷:IT设备,包括运营商接入室、网络核心机房、参观机房、网络设备等;配套的IT辅助设备,包括冷水机组、循环水泵、精密空调、备用照明、安防系统设备、控制系统设备等。

(2)一级负荷:消防设备,包括防排烟风机、消防报警和控制设备、消防疏散照明等。

(3)其他为三级负荷。

3 数据中心(A级)UPS供电系统架构

3.1 2N系统

2N系统简单来说是配置2组,每组均能满足负载基本需求容量的UPS系统,正常运行每组UPS带载50%以下,当一组故障时,另一组带全部负载。

2N系统优点为简单,运维管理方便,对于运行操作人员要求较低,缺点为UPS低负载运行,且为UPS制冷的空调耗能高,项目投资成本较高。

3.2 DR系统

DR系统即分布式冗余系统,按照负载容量配置3组以上的UPS,当其中1组UPS出现故障,利用剩余的UPS供电,保证IT设备的正常运行,UPS负载率较2N系统更高。

DR系统优点为UPS损耗较小、投资成本更低,缺点为接线较复杂,设备和线路很难实现物理隔离,且运行后负载增加的难度较大。

3.3 RR系统

RR系统即后备冗余系统,即每组负载由单独的UPS供电,另外设置1组UPS给所有的带载UPS系统作为冗余备份,每组UPS均能满足负载的基本需求,负载前端采用静态转换开关(STS)切换。

RR系统优点为UPS相对容量的减少可以降低成本,可靠性满足基本要求,设备和线路可以实现物理隔离;缺点为系统复杂,对运维操作要求很高,STS的应用也使得投资成本增加,需综合考虑。

2N、DR、RR系统比较如表1所示。

表1 2N、DR、RR系统比较

该工程供电系统架构采用2N冗余方式。供电系统由两个对称的供电单元组成,两个单元同时运行,互为备用,正常运行时每个单元各为50%负载供电,当一个单元停运时,切换至另一个单元为全部负载供电。

4 高压供电系统

该项目由城市电网引入2路10 kV市电电源,两路电源互为备用,电源必须满足双重电源标准。数据中心总用电负荷为10 000 kVA。

两路10 kV市电电源分别接至两段母线,采用分段单母线的接线方式,分列运行,每路电源可提供100%的供电能力。高低压配电房及柴油发电机房均位于1F,尽量靠近负荷中心。

该工程采用高供高计,高压集中计量,在每路10 kV 电源进线处设置专用计量装置。

5 低压供电系统

设备安装容量Pe=12 280 kW,计算有功功率Pj=9 734 kW,无功功率Qj=2 439 kvar,视在功率Sj=9 953 kVA。共选择8台2 500 kVA的变压器,总装机容量20 000 kVA,其负荷率为49.8%,当一台变压器故障时,另一台变压器可承担全部负荷。

变压器布置如表2所示,辅助变压器和IT变压器采用单独的配电房。

表2 变压器布置

在计算变压器容量时,需考虑UPS的损耗。该项目IT变压器负载率均为40%～50%,当一台变压器故障时,另一台变压器可承担全部负荷。

为了在2台变压器同时带电的情况下检修和测试联络母线,IT变压器联络母线两端均设置断路器。10 kV供电原理示意图如图2所示。

图2 10 kV供电原理示意图

6 柴油发电机系统

数据中心对发电机组的输出频率、电压和波形有严格要求,故要求发电机组的性能等级不应低于G3级。G3级要求柴油发电机组突加50%负载时,频率降小于7%,电压降小于15%。实际运行时,数据中心的柴油发电机组往往突加100%负载,因此选择柴油发电机组的标准应高于G3级。

发电机组的输出功率分为持续功率(COP)、基本功率(PRP)、限时运行功率(LTP)和应急备用功率(ESP)4种。柴油发电机4种功率比较如表3所示。

表3 柴油发电机4种功率比较

该项目采用高压柴油发电机组,功率按照持续功率(COP)选择(B级机房可按照LTP选择)。采用N+1冗余的方式,4台主用,1台备用,均采用2 500 kVA柴油发电机组。根据GB 50174—2017,A级数据中心柴油发电机燃料存储量应为12 h。由于GB 50016—2014第5.4.13条规定,储油间总储存量不应大于1 m3,因此需设置室外储油罐。参照厂家提供资料,2 500 kVA的柴油发电机耗油量约为500 L/h,需在室外建造30 m3的地下储油罐。室外储油罐与建筑保持15 m以上的防火间距。

7 UPS供电系统

UPS供电采用双回路+外置旁路的方式。UPS供电原理示意图如图3所示。电池持续时间15 min,电池连接尽量采用软连接(电缆连接,有余量,不容易损坏),不采用硬连接。

图3 UPS供电原理示意图

该项目UPS采用高频机,相较于工频机来说,高频机效率比较高,不带隔离变压器,占地面积和重量都比工频机低,目前大多数据中心设计均采用高频机。

A级数据机房UPS采用2N系统,平时两路同时工作,为在线式UPS,当一路UPS故障时,另一路需带全部负荷,因此IT设备用UPS的负载率不大于50%,辅助设备用UPS不大于80%。

工程共安装1 241个IT机架,单机柜额定功率按5 kW,UPS系统采用分层设置,1F设置IT设备用UPS 4×200 kVA,2F～4F每层设置IT设备用UPS 8×600 kVA;1F设置空调及冷冻泵用UPS 400 kVA,2F～4F每层设置空调用UPS 200 kVA。

8 机房列头柜

数据中心机房内设列头柜,该工程所有IT设备均为双电源设备,由两路电源(两个列头柜)配电。为有效抑制来自电源及其他电路的各种干扰,列头柜内增设隔离变压器。

9 暖通空调系统

数据中心空调系统分为风冷和水冷两种形式,由于风冷耗能较大,效率较低,PUE值较高,有些甚至达到2。目前国家大力倡导数据中心节能,建设绿色数据中心,PUE需控制在1.5以下,因此大多大型数据中心均采用水冷的空调形式。

A级数据中心需采用蓄冷装置,并且供应冷冻水的时间应大于15 min,冷冻水系统采用闭式循环系统,为保证供水安全,冷冻水管路采用双路供水,以满足无单点故障要求。冷水机组、冷冻水泵、冷却塔以及精密空调等均为N+1配置。

机房内采用的是下送上回的方式(列间空调为前送后回),静压箱越高,送风效果越好,因此静电地板高度一般在0.8～0.9 m。若采用冷热通道隔离的设备布置,在计算空调热负荷的时候,不用考虑环境热负荷,只考虑设备热负荷,可以节能大约12%。

10 绿色数据中心

随着近年来数据中心的建设规模越来越大,数据中心行业电力消耗量的增长也引起人们重视。如何建立优质高效、可靠性与经济性统一的数据中心,也成为关注的热点。目前大约有以下几种方式,且部分已经在实施当中。

(1)优化供电结构。目前A级机房可靠性较高,但是由于投资较大,经济性不是很好,因此不一定所有机房都采用2N系统,可以根据机房重要程度,有些部分也可按照B级机房的标准去做,以达到可靠性与经济性的统一。

(2)采用冷热通道隔离等方式,配合空调末端的群控,可有效节能。

(3)建设模块化、集装箱式数据中心,运用高频、模块化UPS、初期投资可减少,并且有较强的扩容性。

(4)通过液冷等技术,有效降低能源消耗。

(5)冷热电三联供,用燃气轮机发电,产生的热通过消化机组再制冷,可有效降低电能消耗。

(6)积极发展太阳能、风能等新能源供电系统。

11 结 语

探讨了某数据中心供配电系统的设计,对变压器选型及其电气主接线方式、不间断电源系统设计等进行分析和比较,可为类似项目提供参考。