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淺談長江云數據中心供配電系統(tǒng)的設計與應用
更新時間：2021-05-27點擊次數：1868次
淺談長江云數據中心供配電系統(tǒng)的設計與應用
摘 要：介紹了長江云互聯網數據中心( IDC) 機房供配電系統(tǒng)的設計原則，分析了供配電系統(tǒng)結構，闡述了 IDC 機房負荷計算和關鍵設備選型方法，可為類似數據中心的供配電系統(tǒng)設計提供參考。
關鍵詞：數據中心；供配電設計；負荷計算；設備選型
0引言
近年來，隨著云計算、大數據等技術的實現，許多大型企業(yè)為滿足自身發(fā)展需要開始建設數據中心。集裝箱式互聯網數據中心( Internet Data Center，IDC) 機房具有占地面積小、布置靈活、建設周期短等特點，越來越得到廣泛的應用［1-3］。本文結合湖北廣電長江云集裝箱式數據中心機房，詳細介紹 IDC 機房配電系統(tǒng)的設計。
1項目概況
長江云集裝箱 IDC 機房占地面積僅為 100 m2， 由華為技術有限公司設計，機房內部安裝有32 臺標準機柜，并配備視頻監(jiān)控、消防報警等配套設施。空調室外機安裝在集裝箱頂部，應急電源( UPS) 安裝在獨立的房間。機房建成后搭建湖北廣電新媒體融媒平臺，匯聚全省政務信息，實現頻道節(jié)目制作、新聞資源共享。
2負荷分級
長江云數據中心設備負荷分為 IDC 設備、空 調、照明、消防等四類。根據 GB 50174—2016《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》，數據中心機房可劃分為 A、B、C 三個級別，長江云集裝箱 IDC 機 房按照 A 級機房設計，機房內 IDC 設備用電按照一級負荷中特別重要負荷設計，空調、照明、消防用電按照一級負荷設計。
3設計原則
數據中心供配電系統(tǒng)設計的基本要求是安全、穩(wěn)定、可靠，并遵循如下原則:
( 1) 消除單一節(jié)點。系統(tǒng)不應存在某節(jié)點發(fā)生故障，導致系統(tǒng)全部停電的事故。
( 2) 故障容錯。系統(tǒng)具備容錯能力，即當線 路發(fā)生部分故障或操作失誤時，不影響數據中心正常運行。
( 3) 可維護。需設計足夠冗余，保證設備檢修或維護時，不影響系統(tǒng)正常運行。
( 4) 可增容。系統(tǒng)設計應充分考慮今后事業(yè)發(fā)展、需求增加，便于今后擴容。
4供電方案
4.1系統(tǒng)結構長江云集裝箱 IDC 配電系統(tǒng)如圖 1 所示。
4.2供電電源
4.2.1 10 kV 供配電系統(tǒng)
長江云數據中心機房供電電源10KVIDC 配電系統(tǒng)中心配電室，相距約 150 m。中心配電室 10 kV供電系統(tǒng)分別從兩個不同變電站，沿不同的路徑引入兩路 10 kV 專線( 體視線和沙視線)至中心配電房的主備電源進線柜，10 kV 母線采用單母線分段運行。當其中一路市電發(fā)生故障，通過母聯開關切換，由另一路市電承擔全部一級負荷。
4.2.2 380V低壓配電系統(tǒng)
10 kV 中心配電房配置有4臺變壓器，2 臺 500 kVA 工藝專用變壓器( 500-1 和 500-2) 通過單母線分段運行，互為備用，一級負荷中的特別重要負荷。2臺1 600 kVA 動力變壓 器 ( 1600-1 和 1600-2) 通過單母線分段運行，互為備用，主要供動力、照明。4 臺變壓器平時各帶 50% 的負荷，當其中 1 臺變壓器發(fā)生故障，通過低壓母聯開關切換，由另 1 臺變壓器承擔全部負荷。
從 2 臺 500 kVA 的變壓器饋線柜各引一回 380 V 電源至 IDC 機房，一回送至 UPS 電源輸入柜，經過 UPS 電源后送至集裝箱機房的 1#交流列頭柜，再分別送至各機架電源分配單元( PDU) ，向設備供電。另一回直接送至交流列頭柜，再分別送至各機架 PDU，向設備供電。
從 2 臺 1 600 kVA 變壓器的饋線柜分別引 2 路獨立的 380 V 電源至 UPS 電源室的動力進線 配電柜，再引 6 回低壓線路至 IDC 機房空調配電箱的 3 個 ATS 切換開關，向 6 臺空調供電。 每個ATS 切換開關引入 2 回 380 V 電源，一主一備互為備用，ATS 開關切換時間小于 3 s。
4.3 UPS 電源系統(tǒng)
按照《廣播電視安全播出管理實施細則》規(guī)定: 省級廣播電視屬于一級安全播出保障等級， 一級主要播出負荷應采用 UPS 電源供電。該項目配置一臺模塊化 UPS 電源，后備時間為 30 min，向 IDC 機房設備供電。
4.4 自備發(fā)電機系統(tǒng)
中心配電房配置 2 臺 1 000 kW 柴油發(fā)電機互為備用，發(fā)電機輸出電源經過 ATS 切換開關( 1#ATS 和 2#ATS) 分別接入 2 臺 500 kVA 變壓器的進線柜。當 2 路市電同時停電時，發(fā)電機可在 1 min 內完成起動，原 2 臺 500 kVA 變壓器所帶全部負荷通過 ATS 切換開關切換到發(fā)電機電源，由發(fā)電機供電。
5主要設備選型
5.1 UPS 電源
IDC 機房內部共安裝 IT 設備機架 24 臺，每臺機架可提供 7 kW 功率輸出，需要系數取0．8，則計算額定功率為 134 kW。根據 UPS 電源輸出有功功率≥額定容量 × 0． 7 kW，因此 UPS 電源容量≥192 kVA。考慮到今后擴容需要，該項目選用1 臺 240 kVA 模塊化 UPS 電源，每個模塊為 40 kVA，共 6 個功率模塊。
5.2 空調設備
空調的制冷量根據機房冷負荷來確定: Qt = Q1 + Q2 ( 1)
式中: Qt———總制冷量;
Q1———機房內設備負荷;
Q2———機房環(huán)境冷負荷。
根據計算，空調冷負荷為 113 kW，采用 n + 2 冗余方式 配 置 6 臺空調，每臺制冷量為35 kW，常用 140 kW，可滿足機房制冷需求。
5.3 電纜
( 1) UPS 電源輸入電纜。UPS 電源輸入電流 Iin計算公式:
( 2)
式中: P———UPS 額定功率;
F1———輸出功率因數;
U———輸入額定電壓;
η———整機效率;
F2———輸入功率因數。
其中，整機效率 η = 0．8，輸入功率因數 F2 = 0．99，因此 UPS 電源輸入電流為 326 A。查《電氣工程常用數據速查手冊》，并考慮環(huán)境溫度 修正系數、穿管系數后，ZR-YJV-4 × 240 + 1 × 185 規(guī)格電纜允許載流量為 359 A，滿足計算要求。
( 2) 空調電源輸入電纜。該項目設 6 臺空調，每臺 13 kW，空調總功率為 98 kW，計算電流為 185 A。查《電氣工程常用數據速查手冊》，并考慮環(huán)境溫度修正系數、穿管系數后，ZR-YJV-4 × 120 +1 ×70 規(guī)格電纜允許載流量為 228 A，滿足計算要求。
5.4 開關
( 1) UPS 電源進線開關。根據式( 2) ，UPS電源的輸入電流為 326 A，進線開關額定電流取400 A，選用型號 NSX400 3P。
(2) UPS 電源輸出開關。 ( 3)
根據式( 3) ，UPS 電源輸出電流為 364 A，輸 出開關額定電流取 400 A，故選用 NSX400 3P 型號。
(3) 空調電源輸入開關。空調負荷輸入電流計算結果為 185 A，開關額定電流取250A。
6安科瑞ANDPF精密列頭柜介紹
6.1產品介紹
隨著數據中心的迅猛發(fā)展，數據中心能耗問題也越來越突出，可靠的數據中心配電系統(tǒng)方案，是提高數據中心電能使用效率，降低設備能耗的有效方式。
AMC系列數據中心精密配電系統(tǒng)是針對數據機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數據的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供準確的電參量信息，并可通過通訊將數據上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現對整個數據機房的實時監(jiān)控和有效管理，為實現綠色IDC提供可靠保證。
6.2安科瑞精密配電產品解決方案
1）交流系統(tǒng)
功能要求
遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、頻率、有功功率、有功電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相，過流，頻率過高/過低，輸入分路的開關狀態(tài)，具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現電壓、電流、頻率等參數的越限報警功能。
配置方案如圖2，
2）直流系統(tǒng)
功能要求
遙測：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態(tài)，具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。
配置方案如圖3，
6.3產品選型
7安科瑞智能小母線監(jiān)控系統(tǒng)介紹
7.1產品介紹
針對數據中心智能小母線的監(jiān)控要求,安科瑞推出了AMB系列小母線監(jiān)控解決方案，該方案包括采集模塊、配套附件、監(jiān)控系統(tǒng),能對母線運行過程中的各種參數進行監(jiān)控，發(fā)生故障則進行告警，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
AMB檢測單元是針對數據中心智能小母線插接箱/始端箱的監(jiān)控要求新設計的產品，該檢測單元安裝固定在插接箱/始端箱內部，插接箱/始端箱采用方式與母線連通，它集成全部電力參數的測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、頻率、功率因數)以及電能監(jiān)測和考核管理。同時可以實時監(jiān)控母線接口溫度，配合2路Rs45通訊接口（1進1出）或LORA無線通訊，采用MODBUS-RTU協議可以方便可靠的將監(jiān)測數據上傳至主控箱和后臺系統(tǒng)，保證系統(tǒng)可靠運行。
7.2產品選型
安科瑞智能母線測控儀表選型如表2，
注：AMB100用于始端箱、AMB110用于插接箱、A-交流系統(tǒng)、D-直流系統(tǒng)可選配AMB10顯示器，顯示器只循環(huán)顯示電壓、電流參數。
8結束語
數據中心供配電系統(tǒng)設計時，對不同的負荷應依據其性質進行分類、分級，并采用不同的供電方案。注意以下事項: 配電系統(tǒng)接線應盡可能簡單、清晰，消除單一節(jié)點，具備容錯功能；設備配置要充分考慮維護管理方便； 模塊化 UPS 采用 n + 1 配置，空調系統(tǒng)采用 2n 配置，留足冗余。由于資金問題，該項目雖然實現兩回路*獨立的供電回路，但只配置 1 臺 UPS 電源，在市電供電電壓穩(wěn)定、質量較好的情況下對設備不會造成影響。由于 IDC 設備都是計算機類設備，如 果市電供電質量較差，電壓波動幅度較大，將對 IDC 設備的安全造成影響。因此，在市電供電質量較差、條件許可的情況下，建議配置兩套獨立 的 UPS 電源。
【參考文獻】
[1]周志敏,周紀海,紀愛華.UPS 應用與故障診斷[M].北京：中國電力出版社,2008.
[2]袁令海.長江云數據中心供配電系統(tǒng)設計與分析[J].現代建筑電氣，2019（10）：22-25.
[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.06版.
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