某模块化数据中心的供电系统设计

刘克清

（北京首钢国际工程技术有限公司）

0 引言

2020年3月4日，中共中央政治局会议提出“加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度”，明确了数据中心作为新基建七大领域之一的重要地位。当前我国数据中心产业正迎来发展新契机，为进一步打造“新基建”核心支柱，数据中心产业发展需进一步提速提质。

而模块化数据中心采用模块化设计理念，最大程度地降低基础设施对机房环境的耦合。集成了供配电、制冷、机柜、气流遏制、综合布线、动环监控等子系统，提高数据中心的整体运营效率，实现快速部署、弹性扩展和绿色节能。模块化数据中心是目前市场高速发展的产物，结合某老工业厂房的改造，高度集成化使老工业厂房改造和模块化数据中心结合，利用老工业厂房的主体框架建设模块化数据中心，既能充分利用老旧厂房，又能满足城市大量数据的需求。作为模块化数据中心的重要保障，供电系统的模块化与机房微模块的完美契合，将会为数据中心的实施、运营提供重要支撑［6］。

1 项目概述

某老工业厂房建筑面积约45000m2，原功能单机架冷轧厂房，主要生产冷轧钢板卷、热镀锌薄板和彩涂钢原料板卷。原工业厂房概况如下：厂房的生产类别为丁类，建筑物的耐火等级为二级；厂房的结构形式为钢管混凝土排架结构，钢吊车梁，围护结构包括墙面及屋面采用彩色复合压型钢板；屋面上设有纵向电动可开启天窗；厂房地坪与室外高差300mm，厂房建筑高度16.8m。

由于城市重工业产业转移，工业厂房内生产线及相关设备均迁出，仅剩一座空厂房。根据城市老工业厂房规划和日益激增的大数据需求，有效利用旧老工业厂房用地和框架结构，拟建一座可满足10万台服务器运行的模块化数据中心。

该项目为结构体系不改变原有建筑功能的整体改造。原建筑功能为丁类厂房（冷轧薄板厂），改造后的建筑功能为超算中心（丙类厂房）。原有外围护结构全部拆除，新做围护结构，外墙和屋面均采用100厚岩棉夹芯板。厂房内新增钢框架结构平台，变成两层建筑，首层层高7m，二层层高5m，室内外高差0.6m。

2 模块化机房

机房设备拟采用冷冻水型微模块，微模块指以若干IT机柜、配电单元、冷却单元、电池单元等功能机柜为单位，包含网络、布线、监控、消防等功能在内的独立的运行单元。模块内核心设备为服务器或网络设备，单模块可放置18台机柜，单模块最大IT总功率不超过144kW（不含空调机其他）。微模块封闭冷通道，采用列间空调水平送风制冷，单模块包括5台精密空调，正常工作满足144kW的IT负载及模块内其他的冷量需求，如图1所示。

图1 微模块机房布置图

该微模块机房集成了制冷、配电、机柜、密闭通道、监控、综合布线、消防等系统于一体，采用模块化的部件和统一的接口标准，实现了供电、制冷和管理组件的无缝衔接。将数据中心产品化、工厂预制化，具备集约、绿色、安全、高效的优势，各功能组件均实现工厂预制、现场积木式拼装，部署快速简单，缩短数据中心的建设周期，并且扩容方便。能有效满足各种规模数据中心的快速部署和分期建设的需求［5］。

3 负荷计算

3.1 微模块机房负荷统计

微模块机房内单机柜功耗等级约为13kW，其中主要有机柜、精密空调、设备损耗、充电功率及其他负荷等。表1为微模块机房负荷统计。

表1 微模块机房负荷统计

3.2 模块化机房负荷统计

根据厂房总体布置，首层布置120个微模块、制冷机房、生产水池和泵房、消防水池和泵房、消防控制室及附属办公用房等；二层布置160个微模块；10kV柴油发电机采用集装箱式室外布置；冷却塔及蓄冷罐均就近制冷机房室外布置。模块化机房负荷计算如表2所示。

表2 模块化机房负荷统计

本项目共布置280个微模块，每个微模块18台机柜，每台机柜可装20台服务器，总计可装100800台服务器，满足项目10万台服务器的运行需求。IT负荷共计65492kW，为一级负荷特别重要负荷，供电按双路供电（双路独立市电）、UPS＋油机保证配置；动力负荷共计12600kW，为一级负荷，供电按双路供电（双路独立市电）、油机保证配置，其中冷冻二次泵为保证机房供冷的持续性，供电按双路供电（双路独立市电）、EPS＋油机保证配置；配套负荷共计1200kW，为部分一级负荷和部分三级负荷，为保证供电系统的整体性，供电均按一级负荷考虑，双路供电（双路独立市电）、油机保证配置。

4 模块化电力系统

4.1 中压电力模块

预制化中压电力模块采用封闭式结构，内装一组高压配电柜，配套直流屏及电池柜。高压配电柜采用紧凑型固定式柜型，包括进线柜1台，PT柜1台，母联柜1台，并机柜1台，馈线柜6台。中压电力模块内所有部件的组装均在工厂完成，系统功能调试也在工厂完成，对外一次和二次接口统一化、标准化。中压电力模块布置图如图2所示。

图2 中压电力模块布置图

4.2 低压电力模块

预制化低压电力模块采用封闭式结构，由变压器仓和低压配电仓构成。变压器仓由带外壳干式变压器和紧凑型固定式高压开关柜组成，变压器一次侧电缆上进线，二次侧封闭母线连接。低压配电仓由进线柜1台、母联柜1台、补偿柜1台、滤波柜1台和馈线柜8台组成，低压配电柜采用固定单元柜，框架开关单元电动操作，塑壳开关单元手动操作配旋转手柄。低压电力模块内所有部件的组装均在工厂完成，系统功能调试也在工厂完成，对外一次和二次接口统一化、标准化。低压电力模块布置图如图3所示。

图3 低压电力模块布置图

4.3 柴油发电机并机模块

预制化柴油发电机并机模块采用封闭式结构，内装一组高压配电柜，配套直流屏、电池柜、柴油发电机并机控制柜及柴油发电机低压电源配电柜。高压配电柜采用紧凑型固定式柜型，包括市电并机柜2台，PT柜1台，柴油发电机接入柜7台。柴油发电机并机模块内所有部件的组装均在工厂完成，系统功能调试也在工厂完成，对外一次和二次接口统一化、标准化。柴油发电机并机模块布置图如图4所示。

图4 柴油发电机并机模块布置图

在实际工程项目中，每个电力模块内的电气设备均可根据平面布局、设备和模块尺寸，采用不同的设备组合形式。

5 供电系统方案

5.1 单个供电模块构建

根据GB50174—2017附录A规定，本项目数据中心供电电源应由双重电源供电；变压器应容错要求，可采用2N系统；后备柴油发电机应采用N＋X冗余运行［1］。单路10kV市电容量可提供10000kVA左右，而单个微模块机房计算功率233.9kW，考虑功率因数及损耗后，单个微模块机房视在功率约为246.2kVA，由此可得出单路市电可为40个微模块机房供电。

综上所述，40个微模块机房可作为一个供电单元的终端用户，需要2路独立10kV电源为其供电。根据上述模块化单元的介绍，可构建单个供电单元框架。低压电力模块选择8个，单个容量2500kVA，2个模块为1组用密集母线连接，实现低压单母线分段供电，可满足10个微模块机房的供电。中压电力模块选择2个，采用母线桥连接，实现中压单母线分段，分别为4组低压电力模块供电。柴油发电机并机模块选择1个，选择常用功率1800kW的10kV中压柴油发电机7台（室外集装箱型安装），6＋1冗余运行可满足40个微模块机房的后备电源。单个供电单元架构图如图5所示。

图5 单个供电单元架构图

5.2 供电系统模块搭建

本项目动力负荷和配套负荷装机容量总计13800kW，考虑需要系数及功率因数等因素计算功率约为10800kVA，可由一个供电单元供电。首层120个微模块机房可由3个供电单元供电，二层160个微模块机房可由4个供电单元供电。本项目构建基本供电框架如图6所示。

图6 供电框架图

每个供电单元的两路市电引自不同电网，两路10kV市电电源同时工作，互为备用，母联开关分断运行，每路电源可提供100%的供电能力。当一路电源失电，延时1.5s后，自动断开失电侧进线开关，母联开关可自动投入；当两路电源都失电，延时5s，柴油发电机自启动，并机成功后，断开两路市电电源进线开关和母联开关，两段10kV母线切换为由应急电源供电。市电恢复后，自动断开两段母线上的应急电源进线开关，闭合市电电源进线开关，柴油发电机延时10s自动停机。

6 结束语

互联网业务侧数据和流量需求的激增，要求数据中心必须实现快速部署，更多数据中心将实现配电系统的模块化建设理念。模块化数据中心采用哪种类型的电力模块，电力模块之间如何搭建、组合对数据中心整个生命周期的业务效果将产生深远影响，因此需要深入考量、合理设计，这样才能最大限度地发挥电力模块的技术优势，为日益复杂的数据中心提供可靠的电力支撑和安全保障。