通信生产楼电力系统改造与IDC机房设计

［刘斌 黄自强］

1 引言

某运营商通信生产楼为2000年建成，相关电源配套设备均于2001投产运行。局房分为通信主楼，共27层，其中地下1层，主要为低压配电室，地上26层为生产用房，其中3层空置，可作为本期IDC机房，其他楼层没有空置房间；高压配电室、变压器室、柴油发电机房均设置在附属楼。

大楼从两个独立变电站分别引入两路10 kV电源，高压配电室设置1套高压配电系统，共13台高压配电柜，主供和备用电源进线开关具备机械和电气联锁，用一备一，每路引入容量为4 000 kVA；配置4台1 000 kVA干式变压器，其中1#、2#主要为通信负荷供电（两台变压器并列运行，峰值负荷为935 kVA），3#、4#主要为空调负荷供电（两台变压器并列运行，峰值负荷为478 kVA）；每台变压器输出通过2 500 A密集母线连接至低压配电设备，现有低压配电设备无可用输出端子。大楼低压配电室和油机室平面如图1所示，大楼供电系统图如图2所示。

图1 大楼低压配电室和油机室平面图

图2 大楼供电系统图

2 现状分析

根据大楼供电现状，结合规范标准，经分析大楼电力系统存在以下问题需整改。

（1）中性线截面积不应小于相线截面积。供电系统图（现状）中有油机到油机输出柜的电缆，油机输出柜到低压柜的电缆，3#、4#变压器器输出柜到低压柜的电缆，这几段的电缆的零线线径小于相线线径。根据GB 50174-2017要求配电线路的中性线截面积不应小于相线截面积[1]，建议增加零线电缆根数，使相线和零线电缆线径至少同截面积。因为供电线路中易产生谐波电流及三相负荷不平衡现象，而中性线含三相谐波电流的叠加及三相负荷不平衡电流，实测往往等于或大于相线电流，故中性线截面积不应小于相线截面积。

（2）设备与标识不匹配。供电系统图（现状）中，高压柜AH6（4#变压器）连接的是2#变压器，高压柜AH9（2#变压器）连接的是3#变压器，高压柜AH10（3#变压器）连接的是4#变压器；造成设备名称与标识指向对应不上，容易使人混乱，易发生误操作。应将高压柜变压器编号与之所接入的变压器编号一致。

（3）主备电源同源。1#和2#变压器、3#和4#变压器为并列运行，联入的是同一路市电而且所带的也是同一种设备负荷。该局房为双路市电供电，这种配电架构没有体现出双路市电可靠性和优越性，极易造成主、备两路同时停电的现象；建议将2#和3#变压器进线开关互换，即2#变压器接高压AH9柜，3#变压器接高压AH6柜；将3#变压器输出柜到4#低压进线柜的电缆拆除，所有联络开关断开。这样1#和2#变压器、3#和4#变压器分别引入不同的两路市电，对于说接入的低压配电系统上通信或空调设备来说才是真正意义上的双路供电。正常工作时1套低压系统的两台变压器各带一段，有一路停电或检修时，另一路的变压器带全部，当两路都停电时，油机带全部[1]。

（4）变压器和高低、压设备存在超期服役现象。局房为2000年建成，相关电源配套设备均于2001投产运行，根据《中国联通通信网络运行维护规程（2013年修订版）》规定，本局房的高低压和变压器运行超过20年，构成超期服役，应进行设备更新。鉴于1#和2#变压器负荷率较高（接近变压器容量95%），又超期服役，安全隐患较大，建议先对这两套变压器进行更新扩容，其他设备应制定更新计划和割接方案，分步骤按计划进行更新。

3 建设需求

把大楼3层改造成IDC机房，机房按照T3级标准设计[2]。机房建筑面积701平米，层高4米，梁下净高3.5米。机房采用微模块建设方式，单机架尺寸（宽*深*高）600 mm*1 200 mm*2 200 mm，单机柜平均功耗4 kW，电池后备时间15分钟，楼板均布活荷载10 kN/m2。

本期建设需求160个服务器机架，其中120个为机架租赁，40个为自有业务，并考虑一定的发展冗余。

4 机房规划

3层机房采用微模块建设方式，列间空调制冷，上走线；机房共规划6个双列微模块，2个单列微模块，共计267个机位，规划成为3个业务区：自用业务区、机架租赁区和业务发展区。

其中自用业务区可提供41个机柜，机架租赁区可提供130个机柜，可满足近期业务需求；业务发展区预留96个机柜，给业务的发展需求做预留。3层IDC机房平面规划如图3所示。

图3 3层IDC机房平面规划图

由于通信用变配电系统基本满载，不能满足新增机房负荷需求，需要对这套变配电系统扩容；而因机房改造新增的电源系统也需要安装场地。因此将地下室低压配电室旁边的3处空置房分隔改造成新低压配电室、UPS室和电池室，具体布局如图4所示。

图4 地下室分隔改造布局图

5 IDC机房设计方案

5.1 机房配套

将机房重新粉刷，铺设防静电地板，架空高度20 CM，一方面用于空调管路布放，另一方面可满足日后机房等保认证的条件。

机房采用微模块布置，冷通道封闭。主列假设双层走线架，两层走线架之间设置尾纤槽道，做到电源线、数据线和尾纤三线分离，设备列采用微模块的架顶走线槽。左、右侧微模块各确定一个机柜安装ODF子框，作为此区域的光缆接入及跳纤使用。

UPS室及电池室架设走线架采用上走线，并与低压配电室及三楼机房打通相连。

在机房新建一套接地系统，通过接地铜排与大楼地网相连。

5.2 机房电源

由于服务器的电源对高压直流不是100%兼容，所以还是选用UPS电源为本机房的供电电源。本机房选用模块化UPS电源，应具备ECO模式，功率模块具备休眠工作模式，并具有手动或自动开关功能，有效提高设备带载率，整机效率大于96%。

本期工程机房电源采用UPS(N+1)+市电直供的供电方式。机房近期机柜新增171个，单机柜平均功耗4 kW，共计新增设备功耗684 kW，根据公式E≥1.2P（功因取0.9）计算[1]，计算得出UPS容量为912 kVA，根据UPS带载率不超过90%的原则，配置3台450 kVA模块化UPS电源，采用N+1运行方式。UPS电源输出配置4台抽出式开关柜，内设3个800 A/3P框架断路器作为3台UPS的输出，1个1 250 A/4P框架断路器作为这套UPS外部维修旁路（挂锁），配置12个200A/3P抽出式开关作为列头柜输出开关；配置2个市电直供柜，内设1个1 250 A/3P框架断路器，12个200 A/3P抽出式开关作为列头柜输出开关。UPS电源接入新1#低压配电系统，市电直供柜接入新2#低压配电系统。

UPS电源后备时间不少于15分钟，根据公式Q=1.25×W/0.9/240/N（W为负载功率，N为2），根据每台UPS电源配置4组550W/480V的高倍率电池。

远期新增96个机柜，新增负荷384 kW，配置2台500 kVA模块化UPS电源，建议采用2N双母线的运行方式，UPS电源后备时间15分钟，每台UPS电源配置4组550 W/480 V的高倍率电池。每台UPS电源输出配置2台抽出式开关柜，内设1个800A/3P框架断路器作为UPS的输出，1个800A/4P框架断路器作为UPS外部维修旁路（挂锁），配置8个200A/3P抽出式开关作为输出开关；这部分电源设备需在UPS室和电池室做场地预留。

5.3 机房空调

机房左右跨度34米，送风距离超过15米，不建议采用房间级空调，建议采用列间空调。微模块选用制冷量48kW的列间空调，且有柱子的微模块空调也不减配。双列微模块空调采用4主1备的运行方式，单列微模块空调采用2主1备的运行方式。空调系统应选用带氟泵功能的双循环空调，并采用蒸发冷凝的辅助措施将空调能耗降至最低。

本期工程选用的列间空调带双电源自动切换模块，机组具备氟泵双循环功能采用集中式风冷冷凝器，减少室外占地面积。机组DX能效3.5氟泵0℃能效比>13.6（纯泵模式），-5度能效比>20.4。本期共新增制冷量48 kW的列间空调23台，其中主用18台。配置两台630 A/380 V空调配电柜，作为空调主备电源，在空调侧自动、手动切换，一台空调配电柜接入3#低压配电系统，另一台接入4#低压配电系统。机房微模块配置见表1所示。

表1 机房微模块配置统计

按照UPS转换效率95%计算，配置2台制冷量30 kW的氟泵双循环空调放置于UPS室。电池室在地下室可不配置空调，设置一套换气扇，通过风管引至室外。

5.4 变配电系统的改造方案

大楼为2000年建成，相关电源配套设备均于2001投产运行，运行年限超20年，存在超期服役，需要对这些设备有计划地、逐步、分批更新。

首先将1#、2#和3#、4#低压系统解列，改为2N结构，按一主一备方式。平时低压母联断开，两台变压器同时运行各带一段。其中有一台发生故障时，通过母联开关（自动转换）由另外一台变压器承担全部负荷。将2#和3#变压器进线开关互换，即2#变压器接高压AH9柜，3#变压器接高压AH6柜，这样1#和2#变压器、3#和4#变压器分别引入不同的两路市电，组成真正意义上的2N结构[1]。

（1）1#、2#变配电系统

本期变压器1#、2#系统新增设备负荷805.5 kW，补偿后847.89 kVA，远期（机房终局）变压器1#、2#系统新增设备负荷1 257 kW，补偿后1 323.16 kVA。1#、2#变配电系统负荷统计如表2所示。

表2 1#、2#变配电系统负荷统计表

现1#、2#变压器峰值负荷为935 kVA，机房终期设备最大负荷1 323.16 kVA，共计2 258.16 kVA。将现有1#、2#变压器更换成2500 kVA的容量，变压器到输出柜的母线做相应更换。变压器峰值带载率90.3%，小于95%，满足变压器安全带载要求，方案可行。

在新低压配电室设置2套低压配电系统，将自1#、2#变压器输出柜各引1路母线至新建的2套低压配电，每个变压器各带一套低压配电系统，采用2N架构，按一主一备方式。平时低压母联断开，两台变压器同时运行。其中有一台发生故障时，通过母联开关（自动转换）由另外一台变压器承担全部负荷。每套系统设置一个市电油机切换柜，接入油机电源[1]。

本期中1#、2#的新旧低压系统同时存在，因为割接是一个耗时而又细致的工作，需要逐步进行。

（2）3#、4#变配电系统

本期变压器3#、4#系统新增空调负荷250.28 kW，补偿后263.45 kVA，远期（机房终局）变压器1#、2#系统新增空调负荷484.23 kW，补偿后407.77 kVA。3#、4#变配电系统负荷统计见表3所示。

表3 3#、4#变配电系统负荷统计表

现3#、4#变压器峰值负荷为478 kVA，机房终期空调最大负荷407.77 kVA，共计885.77 kVA。现3#、4#变压器容量1 000 kVA，变压器峰值带载率88.58%，小于95%，满足变压器安全带载要求。但这两台变压器超期服役，需要逐一更新替换。

将3#变压器输出柜到4#低压进线柜的电缆拆除，3#、4#变压器将联络开关断开，平时各带一段，若一路市电中断，将联络开关合闸，一台变压器带全部。新增两台抽出式开关柜，分别连接23#柜和33#柜的母排（可短时停电进行操作），用于3楼机房空调主、备配电使用。

日后（本期不进行这部分的工作），在1#、2#的旧低压系统负载割接到新增的低压系统上后，将旧低压系统拆除。在其位置上新建2套低压系统用于空调及建筑负荷，将3#、4#低压系统负载割接到新建的这两套低压系统上。新建的这套低压系统采用2N 配电结构按一主一备方式，平时低压母联断开，两台变压器同时运行。其中有一台发生故障时，通过母联开关（自动转换）由另外一台变压器承担全部负荷。每套系统设置一个市电油机切换柜，接入油机电源。原低压系统负载割接完成后拆除。

（3）油机供电系统

大楼设置2台1 100 kW和1台800 kW的油机，采用N+1运行方式；3楼机房终局后通信设备最大负荷1 323.16 kVA，空调设备最大负荷885.77 kVA，共计2 208.92 kVA。因此需要新增一台油机1 100 kW油机形成3+1的运行方式。从2台油机输出柜各引出1条密集母线分别到新建的1#、2#低压系统的市电油机切换柜，将油机电源引入低压系统。

采用电缆布放的油机输出电缆，零线线径小于相线，建议增加零线电缆，使零线和相线的电缆线径一致[1]。考虑油机也存在超期服役现象，建议根据情况逐步替换。

6 结束语

IDC机房应以“保证近期需求、适度控制规模、兼顾远期发展”为原则开展建设。建设规模应根据业务需求，考虑外市电容量、设计生产能力等因素进行定性、定量分析后确定机架数和电力系统的改造。

大楼电力系统改造应统一规划，根据业务需求分期分批启动建设，可合理储备，在系统架构设计上按照较高等级数据中心标准预留。