数字孪生关门嘴子水库工程机房改造设计

姜岳良,陈立彬,李 达

(1.松辽水利委员会水文局(信息中心),吉林 吉林 130000;2.鹤岗市水务局,黑龙江 鹤岗 154100;3.黑龙江省水利水电勘测设计研究院,哈尔滨 150000)

1 概 述

鹤岗市关门嘴子水库工程是国家172项重大水利工程、省百大项目之一。数字孪生关门嘴子水库工程是黑龙江省数字孪生建设试点工程之一,在关门嘴子水库已有信息化设计方案及正在建设的基础上,按照水利部《数字孪生建设指导意见》《数字孪生水利工程建设技术导则》等要求,以工程建设管理业务为主,兼顾防洪兴利调度与工程安全监测业务为主线,建设数字孪生关门嘴子水库工程。

鹤岗市水务局机房作为数字孪生关门嘴子水库工程的数据中心,布置大容量的存储设备和高性能的计算资源,承担数据和网络安全运行的责任;通过采取各种安全防护措施和技术,提高数据的保密性、完整性和可用性,有效防范并应对各种安全威胁和攻击,确保机房内设备的安全、稳定、高效运行;进一步为数字孪生平台与业务应用平台提供可靠的数据支持和良好的运行环境,实现关门嘴子水库数字孪生工程信息化建设在实际应用中发挥最大作用[1]。

机房位于鹤岗市水务局办公楼二层,已使用多年,机房设施陈旧老化。机房在布局、供配电、空调、消防、监控与安防等基础设施方面,已经不能满足新业务系统的运行要求,需要对机房进行改造。

2 总体思路

2.1 目标要求

机房改造遵循近期建设规模与远期发展规划协调一致的原则,做到技术先进、经济合理、安全适用、节能环保。机房设计标准依据《电子信息系统机房设计规范》(GB50174),按照C级标准机房建设。

2.2 改造内容

机房改造内容包括:机房装修、供配电、电磁防护、空调、消防、监控与安防、动环监控系统等更新改造。机房组成依据性质、任务、所选设备类型等主观要求,进一步结合业务应用平台数据处理的工艺流程、线路敷设方式等客观条件,将机房分为:服务器设备区、电源区和空调区。

3 机房装修

机房选用非燃烧材料(燃烧性能等级A)气密性好、易清洁、符合环保要求、在温湿度变化作用下变形小、具有表面静电耗散性能。材料燃烧性能符合现行国家标准《建筑内部装修设计防火规范》的有关规定。

机房采用微孔铝天花板式吊顶;墙面采用金属彩钢壁板,防火等级达到A级标准;机房地面内铺设无边防静电活动地板,采用瓷砖面层、冷轧钢板内填充发泡水泥,地板高度150mm,活动地板下的空间主要为强电布线,电池柜下方设置散力架。地面进行防尘处理,机房现有窗口进行封堵;机房内外门更换为甲级防火门;机房照明选用发光面积大、光扩散性能好(无眩光)的LED平板型灯具。

4 供配电及电磁防护设计

4.1 供配电

机房电源从办公楼总配电柜引接,经机房配电柜为UPS、空调等设备配电,再由UPS输出至各设备机柜。机房入户电源频率:50Hz、电压:380V,供配电系统采用TN-S方式(三相五线制),通过地板下走线方式实现,强电电缆在金属桥架内敷设。如遇到长时间停电,用户可租用第三方发电机、接至大楼总配电柜的本机房空开启动临时供电方案。

市电负荷:1台精密空调13KW。UPS负荷:按照平均每个设备机柜3KW、2个设备机柜共6KW,考虑本机房机柜最多可增容至6台,本次UPS负载选用30KVA主机。UPS主机选用三进单出工频机,机房内UPS供电由UPS自动平衡三相用电。

机房市电入户进线采用YJV22-4×25mm2+1×16mm2铠装铜芯电缆,由办公楼1层主配电柜经楼后外墙进入机房下方1层的车库,在车库内通过金属桥架到机房下方穿楼板后进入到机房配电柜。UPS主机输入采用4×10mm2+1×6mm2阻燃铜芯电缆,由机房配电柜经地板下金属桥架到UPS主机;UPS主机输出采用3×16mm2阻燃铜芯电缆,由UPS主机经地板下金属桥架到配电柜UPS输出空开。机房精密空调采用5×6mm2阻燃铜芯电缆,由机房市电配电柜经地板下金属桥架到机房精密空调。主服务器机柜采用ZR-RVV3×4mm2阻燃铜芯线缆,由机房配电柜经地板下金属桥架到主服务器机柜;其它机柜采用ZR-RVV3×2.5mm2阻燃铜芯线缆,由机房配电柜经地板下金属桥架到各机柜;机柜供电电缆使用工业连接与PDU线缆进行连接。供配电设备包括:配电柜、UPS主机、电池组、机柜PDU等,机房地板下桥架主要采用200×100mm的金属桥架,一层车库天棚吊装桥架主要采用100×100mm的金属桥架。

机房照明配电按照新设计灯具位置,从UPS输出供电配电线引出。灯具与装修吊顶共面,所有照明线路在吊顶内敷设并穿管保护。

4.2 电磁防护

机房接地保护设计采用大楼整体接地装置,接地电阻<1Ω,采用BV-25mm2铜芯线从大楼等电位接地扁钢引到机房接地铜排,在机房防静电地板下,布置30×3mm接地铜排。将设备机柜外壳、金属线槽、网格桥架、防静电地板支架进行多点等电位接地就近接至接地铜排。防静电地板支脚下方铺设50×0.5mm的接地铜箔,并接至接地铜排。

5 空调设计

机房空调要能够保持机房空间的恒温恒湿要求,机房空调的运行状况直接影响机房的运行安全,所以合理选择空调对机房平稳运行非常关键。

从计算机机房要求的物理环境而言,设计应满足以下要求:①温度23°C±1°C,湿度40%-55%(开机时);②温度变化率<5°C/h,并不得结露;③机房的空气含尘浓度达到每升空气中≥0.5μm的尘粒数,应<18000粒。

为了确保机房内的系统设备在恒温、恒湿工作条件下的送风量以及使人感到舒适的送风量,必须计算出机房内的热负荷。

机房的热负荷主要来自以下5个方面:①房内的计算机设备、照明灯具、辅助设施所产生的热(以计算机发热为主);②建筑围护结构的传热,即由机房外部(墙壁、屋顶、隔断和地面)进入的热;③透过玻璃窗射入的太阳辐射热;④从窗户及门的缝隙渗入的风而侵入的热;⑤新风机补充新风带进来的新风负荷。

机房设备机柜先期配置2个、每个机柜平均3kW的热负荷,共6kW热负荷;机房制冷面积31m3,每m3基础热负荷50W,共1.5kW。综上机房总热负荷7.5kW,因机房要求使用恒温恒湿空调,为后期预留一台机柜的热负荷,从节能和满足制冷考虑,选型12.5kW机房精密空调1台。由于机房高度有限,根据电子信息设备本身的冷却方式、设备布置方式、布置密度、设备散热量以及室内风速,气流组织选用上送风形式,冷空气从空调出风口吹向机柜前方,机柜内设备从前方吸入冷空气、向后方排出热空气。

空调上下水设计:空调上水采用PPR热熔管引自机房下层车库内供水管道;空调下水采用PPR热熔管,由空调出水口引到下层车库内下水管道,在空调下方地面制作应急排水通道和防漏水围堰。

6 机房接地与布线

6.1 接地

机房接地是涉及多方面的综合性信息处理工程,是数据中心建设中一项重要内容,不仅影响到计算机设备本身的正常运行,而且直接关系到计算机设备和工作人员的安全。国家GB/T2887-2011《电子计算机场地通用规范》中对机房接地部分,要求如下:①交流工作接地,接地电阻≤4Ω;②安全工作接地,接地电阻≤4Ω;③·直流工作接地,接地电阻≤4Ω;④防雷接地,防雷电感应的接装置应和电气设备接地装置共用,其工频接地电阻≤10Ω;⑤四种接地共用一组接装置,接地电阻<1Ω。

本次接地方案详细设计如下:①设计利用大楼整体接地装置,接地电阻<1Ω;②采用BV-25mm2铜芯线从大楼等电位接地扁钢引到机房接地铜排;③在机房防静电地板下,布置30×3mm接地铜排。将设备机柜外壳、金属线槽、网格桥架、防静电地板支架进行多点等电位接地就近接至接地铜排;④防静电地板支脚下方铺设50×0.5mm的接地铜箔,并接至接地铜排。

6.2 布线

本机房布线系统设计采用上走线方式,与强电下走线方式分离设计。即保障了有效间隔距离,又便于日常维护。上走线采用网格式桥架机柜上表面安装方式,网格桥架尺寸为300×100mm,桥架底面距机柜顶面50mm,由机柜后侧上方进线口进线。

7 消防设计

7.1 系统概述

机房消防系统按照国标《建筑设计防火规范》和《气体灭火系统设计规范》设计,采用无腐蚀作用的气体自动灭火装置。气体灭火装置的灭火性能可靠,不损坏电子设备,机房内暗管布设方式安装,不影响机房整体效果。

7.2 系统组成

机房消防系统主要由消防报警主机、消防气体驱动箱、消防系统供电模块、消防气体罐箱、报警警示声光警号、手自动切换开关等组成。

消防主机设备不允许安装在消防防区内部,本次设计安装在机房主门外侧,便于值班人员监控和操作。

8 监控与安防设计

机房作为网络系统的核心,其内部环境及网络设备的安全保障是非常重要的,所以在机房系统的建设中除了相应的控制系统及感应系统外,还需建设一套视频监控系统和门禁系统。一方面可以观察机房内部的实时情况,另一方敏可以在突发事故发生后查看存储录像、查看机房进出人员情况等内容。

本次监控系统建设中前端安装3台摄像头,采用IP网络半球摄像机,安装方式吸顶安装,摄像头的传输线缆采用超五类双绞线缆,每个摄像头通过星形组网方式连接到监控硬盘录像机,摄像头使用POE供电方式,由硬盘录像机直接供电。硬盘录像配置1块4T容量硬盘,满足机房1个月的录像时长需求。

门禁设备含国密门禁主机1台、国密读卡器1台、磁力锁1把、开门按钮1个、闭门器1个,配置国密IC卡5张。

9 机房动环监控系统设计

9.1 系统概述

机房中的各种基础设施:供配电、UPS、空调等设备,为计算机系统提供正常的运行环境。一旦它们出现故障,就会影响计算机系统运行,对数据传输、存储及业务系统运行的可靠性构成威胁,如故障严重又不能及时发现,就可能损坏硬件设备,甚至引起火灾、水患等造成严重后果。

针对上述问题,本机房设计采用机房环境监控系统对机房的各种环境设备实行统一的监控管理。系统可监控机房环境和环境保障设备的运行状况,具体有以下几个方面:机房内温度、湿度是否正常、UPS是否工作正常、负载状态、机房入户电源是否正常,重要设备机柜是否有异常断电、空调系统是否工作正常、机房内是否出现水患、机房内是否有火警等。

该系统完全基于IP网络传输,管理人员可以随时随地了解机房的各种信息,提供完善的监测和报警平台,并可以生成丰富的监测报告。提供电话、短信息报警信息发送,一旦发生意外及时通知管理人员。该系统具有严密的权限管理功能,可以设定不同管理人员的浏览和操作权限等。

9.2 具体监测内容

1)机房温、湿度:可实时监测机房内的温、湿度。当出现温度过高、湿度过高、温度过低、湿度过低时告警平台自动发出相应级别的告警信息,通知机房管理人员及时调整机房内温、湿度设备。

2)漏水探测系统:计算机房由于地板下有大量的信号电缆和电源电缆,所以机房要绝对禁止有水流入。实时监测地板下面主要防范位置(精密空调和相关管路下方),一旦发生漏水现象及时报警,告知机房管理员。

3)机房入户电缆监测:监视市电入户电缆的电压(V)、电流(I),当出现机房入户电缆断电、入户电缆缺项问题时及时发送告警信息,告知机房管理人员现在机房市电停电了,确认来电时间和UPS所能支持的延时时间。

4)机房空调监测:对机房精密空调进行实时监测,监测空调内部:压缩机、加热器、加湿器、抽湿风机、注水阀等部件运行状态,发现问题及时通过报警平台通知机房管理人员。

5)UPS主机监测:对UPS内部整流器、逆变器、电池、旁路、负载等各部件的运行状态及运行参数进行实时监视,一旦有部件状态改变或发生部件参数越限,系统会自动报警。

6)机房内重要设备机柜供电监测:监测机房内各个重要设备所在机柜的供电空开状态,当出现异常断路时,通过平台发送短信或语音电话信息告知机房管理人员及时处理。

7)消防系统报警输出:通过与消防系统对接,采集消防故障报警和火灾报警信号。当出现故障或火灾报警时,可以通过环境监控系统对外发出短信或语音电话信息,第一时间通知机房管理人员确认是否发生火灾及进行相应处理。

8)告警方式:告警主要通过环境监控系统的短信、电话语音告警设备发送报警信息;同时在软件系统中记录告警信息;按照告警级别在一定时间内没有解决的问题将向上级管理人员发送告警信息,由上级管理人员督促处理告警事件。系统支持电子邮件,声光报警等多种告警方式。

10 结 语

通过对数字孪生关门嘴子水库工程机房改造项目的实施,建设一个安全可靠、节能环保、可扩展的机房,满足国家、水利部机房建设相关规范要求和信息系统安全等级保护基本要求中对机房的要求,为数字孪生关门嘴子水库工程和水利信息系统安全运行提供保障。