某数据中心电气系统比选分析

范 鑫

[上海华建工程建设咨询有限公司,上海 200041]

0 引 言

数据中心电气系统的安全可靠性对数据完整性、保密性、运行效率和可用性至关重要。一旦发生故障或失效将导致数据丢失和泄露,引发安全风险和经济损失。数据中心是企业和机构的核心枢纽,故障会影响正常运营,尤其在金融、电商、公共服务等领域安全可靠性尤其重要。此外,电气系统的安全可靠性还影响能源使用效率和环境保护。选择适合项目的电气系统是确保数据中心安全可靠的重要支撑。

本文通过某金融行业数据中心项目为例,简述在项目初期对整个数据中心电气系统的比选分析,以此决策出最适合该项目的电气系统,来作为后续数据中心电气系统安全可靠的重要支撑。

1 项目概况

本项目数据中心楼建筑地上6层,地下1层,建筑高度40.60 m,地上部分建筑面积为49 610 m2。能源中心(柴发楼)地上4层,地下1层,建筑高度35.85 m,地上建筑面积为7 530 m2。配套区总面积为42 055 m2,配套区地下室总面积为22 865 m2。数据中心本次规划5 940台标准机柜,平均功率按照8 kW计算。机房等级要求:满足国家A级机房标准;满足人民银行 I 级机房标准;局部满足Uptime T4机房标准。

根据19DX101-1《建筑电气常用数据》[1]要求,金融建筑的辅助区、支持区、办公区的用电指标为70～100 W/m2。根据建设数据中心的经验,数据中心配套办公区域的用电量较普通办公支持区域的用电量更大,综合考虑配套区域的厨房、餐厅、建筑泛光照明、园区景观照明、室外升降柱等因素,初步设计阶段配套区域按100 W/m2的规范上限进行估算,地下室按35 W/m2估算用电量。配套区总计装机容量约8 000 kW,考虑需要系数0.75,功率因数0.92,变压器负荷率0.85,总计变压器预计装机容量为7 600 kVA。因此在配套区域地下室采用4台2 000 kVA变压器为配套区域服务。

数据中心楼地下一层设置变配电所为公用设备服务,共设置2×2×2 000 kVA及15×2×1 600 kVA容量的变压器;数据中心楼一层至四层共设置4×12×2 000 kVA容量的变压器为IT机房服务;数据中心楼五层至六层共设置2×6×2 000 kVA及2×6×1 600 kVA容量的变压器为IT机房服务;能源中心(柴发楼)设置2×1 000 kVA容量的变压器为公用设备服务。能源中心设置3组G3级10 kV柴油发电机组(第一组13台12用1备2 200 kW PRP(DCP),第二组13台12用1备2 200 kW PRP(DCP),第三组13台12用1备2 000 kW PRP(DCP))。柴发系统根据数据中心等级及业主要求,采用双母线并机的方案。

2 变配电所位置比选

变配电所的位置影响着数据中心的能源效率。选择靠近10 kV电力网络的变配电所,可以减少输电损耗,提高供电效率,节能节耗;减少供电线路的长度,可以减少输电损耗和冷却能耗;变配电所的位置需结合暖通、给排水的设备用房需求统筹考虑;需结合操作方便性、运维连续性、故障冗余性等因素,以此为切入点,分析出变配电所的合理设置。配套区变配电所位置分析如表1所示。

表1 配套区变配电所位置分析

结合本项目的实际情况,从技术可行性、可实施性、可维护性、经济性等角度综合考虑,配套区采用2座10/0.4 kV变配电所的配置方案。机房区10/0.4 kV变配电所则按常规进行分层设置,减少供电路由,降低管线压力,节约建设成本。

3 柴油发电机系统比选

3.1 柴油发电机单机容量比选

GB 50174—2017《数据中心设计规范》[2]中第8.1.14条规定:A级数据中心发电机组应连续和不限时运行,发电机组的输出功率应满足数据中心最大平均负荷的需要。GB/T 2820.1—2022[3]中规定发电机组连续不限时运行的功率称为COP功率;数据中心工况下发电机组连续不限时运行的功率为DCP功率。两种功率段均能满足规范设计需求。

方案对比中的柴油发电机组均以市场几大主流合资品牌的原厂整机产品为例,造价按照几大主流合资品牌的同档次机型计算平均造价。从经济性角度考虑,按照DCP功率进行设计,后续考虑需求再进行调整。不同容量柴油发电机组的主要参数如表2所示。

表2 不同容量柴油发电机组的主要参数

3.2 柴油发电机并机系统比选

根据数据机房楼机房布置方案1F与4F为国A标准机房;2F与3F为T4标准机房,故设计考虑将1F+4F机房IT设备为一组;2F+3F机房IT设备为一组;根据现有建筑体形,设计提出两种不同柴油发电机并机方案。

方案一采用每组13台柴油发电机组并机:根据负荷计算,同时变压器损耗+UPS损耗+线路损耗按照4%考虑,所有设备用电负载率按0.9考虑,1F与4F采用13(12+1)台COP为1 800 kW的柴油发电机并机,负载率为95%;2F与3F采用13(12+1)台COP为2 200 kW的柴油发电机并机,负载率为93%;机房配套空调动力设备采用13(12+1)台COP为2 000 kW的柴油发电机并机,负载率为94%。总造价估算为13 650万元。

方案二采用每组12台柴油发电机组并机:根据负荷计算,同时变压器损耗+UPS损耗+线路损耗按照4%考虑,所有设备用电负载率按0.9考虑,1F与4F采用12(11+1)台COP为2 000 kW的柴油发电机并机,负载率为94%;2F与3F采用12(11+1)台COP为2 400 kW的柴油发电机并机,负载率为93%;机房配套空调动力设备采用12(11+1)台COP为2 200 kW的柴油发电机并机,负载率为93%。总造价估算为18 000万元。

方案一较方案二相比造价节省约4 350万元,相同技术条件下采用39台柴油发电机方案时造价下降明显,因此采用方案一。

4 不间断电源系统比选

当前数据中心行业的机房供电方案一般有如下几种:UPS供电、HVDC供电、市电直供。本项目需满足国家A级机房标准及UptimeT4标准,市电直供方案不具备可行性,可采用UPS及HVDC供电方案。3种常用不间断电源系统分析如表3所示。

表3 3种常用不间断电源系统分析

通过比选,本项目采用双路UPS方案或双路HVDC方案,考虑IT设备选型与运维经验,最后以UPS方案为主,HVDC方案为辅。

5 蓄电池比选

为保证市电中断后数据中心重要负荷的不间断运行,不间断电源必须配置后备电池,按照国家A级机房标准,本项目后备电池配置为满载15 min。

在近几年的数据中心的应用中,后备电池主要有传统铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池两类。这两种电池各有优劣,以下是两种电池的对比分析,铅酸蓄电池、磷酸铁锂电池主要性能分析如表4所示。结合本项目的需求,本项目采用铅酸蓄电池方案。

表4 铅酸蓄电池、磷酸铁锂电池主要性能分析

6 结 语

数据中心电气系统的安全可靠性对于确保数据的完整性和保密性至关重要。数据中心一旦发生电力系统的故障或失效,将会给数据中心带来巨大的灾难性后果,不仅可能导致数据丢失,还可能造成数据泄露,进而引发重大安全风险和经济损失。不同类型的数据中心,通过前期的系统比对,从不同维度如价格、系统稳定、技术支持等方面,帮助设计师在设计过程中从众多不同的电气系统中找到最合适该项目的选择,以此来确保后续设计的数据中心更加合理、安全、稳定、可靠。