数据中心供配电系统可靠性的研究

核心提示：文章阐述了数据中心高/低压供配电系统、应急电源系统的组成，以及供配电系统如何满足用电负荷的使用需求。从供电可靠性的角度剖析了为确保一级负荷中特别重要负荷的供电连续性，在供配电系统设计中，所采取的一系列行之有效的保障措施。1　供配电系统设计
1.1 用电负荷的统计
（1）动力负荷：空调制冷机组、冷却水／冷冻水循环泵、空调机组、精密空调机组、新风机组、给／排水泵、电梯、正压送风机、排烟风机等用电设备按额定容量进行统计。
（2）照明负荷：按各房间及区域功能对照度的要求、电源插座、风机盘管、以及特殊房间功能单位容量法进行负荷统计。
（3）对大型计算机及网络设备等负荷按单台安装容量进行负统计。
（4）最终按需用系数法进行负荷计算。
1.2 用电负荷性质的划分
（1）一级负荷：大型数据处理用计算机及网络设备、消防用电设备（消火栓泵、喷洒泵、正压送风机、排烟风机、消防电梯、消防控制中心内的火灾报警控制器及联动 控制设备等）、应急照明、保安监控系统、电话机房及计算机主机房精密空调设备等。
根据《供配电系统设计规范》ＧＢ５００５２－２００８第３．０．１条的规定，数据中心大型数据处理用计算机及网络设备应为一级负荷中特别重要负荷。
特别说明：《供配电系统设计规范》ＧＢ５００５２－２００８第３．０．１条：电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电在对人身安全、经济损失上所造成的影响程度进行分级，并应符合下列规定：
１）符合下列情况之一时，应视为一级负荷。
①中断供电将造成人身伤害时。
②中断供电将在经济上造成重大损失时。
③中断供电将影响重要用电单位的正常工作。
2）在一级负荷中，当中断供电将造成人员伤亡或重大设备损坏或发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷，应视为一级负荷中特别重要的负荷。
（2）二级负荷：一般照明、客梯、生活水泵等。
（3）三级负荷：送风机、排风机等一般动力。
1.3 供电电源
1.3.1 10kV 高压电源
工程高压采用两路１０ｋＶ电源供电。两路１０ｋＶ电源分别引自两个不同的１１０ｋＶ上级变电站。两路电源同时供电、互为备用，当其中一路电源发生故障时，另一路电源能担负全部负荷的供电。
1.3.2 220V/380V低压电源
（１）正常供电源
两台变压器低压侧母线之间设置母联断路器，采用单母线分段分列方式运行；应急母线段通过应急联络 转换开关ＡＴＳＥ与主母线联络，当两段变压器母线均失电（即两路市电均发生故障）时，应急联络转换开关自动转换，启动 应急电源柴油发电机组。
（２）应急电源
①柴油发电机组的设置
根据《供配电系统设计规范》ＧＢ５００５２－２００８第３．０．３条规定，为确保一级负荷中特别重要负荷供电的连续性，除两路市电外，应提供独立于正常电源以外的应急电源（即第三路电源）。
特别说明：《供配电系统设计规范》ＧＢ５００５２－２００８第３．０．３条，一级负荷中特别重要的负荷供电，应符合下列要求：
１）除应由双重电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统。
２）设备的供电电源的切换时间，应满足设备允许中断供电的要求。
《供配电系统设计规范》ＧＢ５００５２－２００８第３．０．４条，下列电源可作为应急电源：
１）独立于正常电源的发电机组；
　　２）供电网络中独立于正常电源的专用的馈电线路；
　　３）蓄电池；
　　４）干电池。
因此，该工程设有３台独立于正常电源以外柴油发电机组，三台发电机组两用一备，经过双电源转换开关ＡＴＳＥ装置的投切转换，为大型数据处理用计算机及网络设备供电。
②不间断电源装置ＵＰＳ的设置
根据《供配电系统设计规范》ＧＢ５００５２－２００８中第３．０．５条规定，允许中断供电时间为毫秒级的供电，可选用蓄电池静止型不间断供电装置。
特别说明：《供配电系统设计规范》ＧＢ５００５２－２００８第３．０．５条应急电源应根据允许中断供电的时间选择，并应符合下列规定：
1）允许中断供电时间为１５ｓ以上的供电，可选用快速自启动的发电机组。
2）自投装置的动作时间能满足允许中断供电时间的，可选用带有自动投入装置的独立于正常电源之外的专用馈电线路。
3）允许中断供电时间为毫秒级的供电，可选用蓄电池静止型不间断供电装置或柴油机不间断供电装置。
因大型计算机主机及网络设备的允许断电时间为毫秒级，所以为确保其供电的连续性，工程设置了大型ＵＰＳ不间断电源供电装置（即本数据中心选用了在线“１＋１”型并机冗余式ＵＰＳ供电装置）。
1）在线式ＵＰＳ不间断电源系统
平时是由电网通过不间断电源的流电路提供 直流电源，向蓄电池充电，并经逆变电路向负载提供交流电源。电网供电中断时，由蓄电池经逆变电路向负载提供交流电源。
2）并联式冗余式ＵＰＳ不间断电源系统：
a.并联式不间断电源系统是指由两个及以上的不间断电源装置并联运行构成的不间断电源系统。
b.冗余式不间断电源系统是指有备用容量不间断电源装置的不间断电源系统。
采用并联冗余式不间断电源系统，给用户带来的好处是：它可以极大地提高ＵＰＳ供电系统的可维护性。这是因为处在冗余供电系统中的某一台ＵＰＳ，因故障需“脱机”进行检修时，也能确保不间断电源系统对重要设备的安全、连续供电要求，用户无需为检修该台ＵＰＳ装置而对重要设备执行停电。此外，并联冗余式ＵＰＳ系统还可极大地降低整个供电系统中的某台ＵＰＳ出现故障或蓄电池组发生失效故障时，需要对用户的重要负载供电总线停止供电的可能性。
c.“１＋１”型并机冗余式不间断电源系统
这种并机系统为两台单机系统提供了无与伦比的系统可靠性和可利用率。这种配置可允许用户在无需外部维修旁路开关，及确保对关键负载始终不停止供电的条件下，对两台单机和并机输出开关柜可以分别进行维护操作。不间断电源装置的供电系统图见下图所示。
1.4 １０ｋＶ高压供电系统
1.4.1 系统设计要求
两路１０kＶ电源分别引自两个不同的上级变电站，１０ｋＶ电源采用单母线分段方式运行，设母联断路器，平时两段母线同时分列运行，互为备用；当一路电源故障时，母联断路器手动投入，由另一路电源负担全部负荷。进线隔离车与主进断路器联锁，主进断路器与母联断路器联锁，但不可以在两台主进断路器同时运行的情况下和高压侧发生短路故障（故障未排除）时，合上母联断路器。只有当主进断路器中任一台断开后才允许手动合上母联断路器。
1.4.2 电器设备选型技术要求
高压断路器采用真空断路器，分断能力为２５kＡ；在１０kＶ开关柜内装设氧化锌避雷器，作为真空断路器操作过电压保护。真空断路器选用电动弹簧储能操作机构，采用１１０Ｖ铅酸免维护电池柜作直流操作、继电保护及信号的电源。
1.4.3 继电保护的配置
（１）主进断路器采用过流、速断、零序电流保护及低电压闭锁保护。
　　（２）变压器柜采用过流、速断、零序电流保护、变压器高温报警及超高温掉闸保护。
　　（３）继电保护采用微机综合保护。
1.5 ２２０Ｖ/３８０Ｖ低压供电系统
（1）两台变压器低压侧母线之间设置母联断路器，采用单母线分段分列方式运行；应急母线段通过应急联络转换开关ＡＴＳＥ与主母线联络，当两段变压器母线均失电（即两路市电均发生故障）时，应急联络转换开关自动转换，启动柴油发电机组。三台发电机组两用一备，为计算机主机、消防泵、喷洒泵、消防电梯、排烟风机等消防用电负荷及计算机主机等重要负荷供电。
（2）低压侧主进断路器与低压母联断路器设电气联锁及机械联锁，母联断路器设自动/手动两种投入方式，其中自动投入方式应装设“自投自负”、“自投手负”、“自投停用”三种状态的选择。低压母联断路器自投应有一定的延时（０~１ｓ），当低压侧主进断路器因过载及短路故障分闸时，不允许自动关合母联断路器。非重要负荷回路断路器装设失压 脱扣器，当一路市电或一台变压器故障时，母联断路器自动投入，同时非重要负荷回路失压且自动断开，以保证一级、二级负荷供电的连续性及另一台变压器所带负载不超过其工作极限。
（3）低压侧主进断路器、母联断路器及６３０Ａ以上的馈出回路断路器均设过载长延时、短延时及速断３段保护，其余馈出回路断路器均设过载长延时及速断２段保护。
（4）计算机主机及网络设备的供电
计算机主机及网络设备是数据处理的核心设备，而为其供电的电源是保证这些设备正常运行的必备条件。为实现电源供电连续性的万无一失，该配电系统在低压侧设计了一系列保险措施。
计算机主机及网络设备的供电方式为“两路市电＋柴油发电机”经过双电源转换开关ＡＴＳＥ的投切转换，再通过不间断电源ＵＰＳ供电装置，最后以双路电源送至每台计算机主机。为确保特别重要负荷供电的连续性，该系统特别在市电与发电机转换及ＵＰＳ供电转换时，均选用了旁路型双电源转换开关ＡＴＳＥ.因为数据处理主机及网络设备属于特别重要负荷，一旦投入运行，就不允许停下来，所以要求供电系统一刻也不能停电。但为了保证供电的可靠性，对供电回路及电器设备应定期进行检修，特别是那些不常动作的电器设备。例如：应急发电机组要定期启动；ＵＰＳ要有维修旁路开关；同样对ＡＴＳＥ也需要有检测维修的旁路开关，以完成负载在不断电的情况下对ＡＴＳＥ本体的测试和检修。在测试和检修ＡＴＳＥ本体时，负载仅由旁路开关供电；ＡＴＳＥ的正常、应急电源输入端依然连接正常和应急电源，此时在负载不断电的情况下可对ＡＴＳＥ做实际转换测试及检修。为把设备安全系数提高，就应对设备实行定期检测。一般情况下ＡＴＳＥ宜１~２个月转换测试一次。
（5）无功补偿
工程采用低压集中自动补偿与分散补偿相结合的方式。在各变配电站低压侧设集中功率因数自动补偿装置，要求补偿后的功率因数在０．９５以上；对气体放电光源的灯具，采用高效电子 镇流器就地分散补偿，要求补偿后每个灯具的功率因数均在０．９５以上。
1.6 电气计量及电力监控系统
（1）电气计量
工程采用高压计量方式，在每路１０kＶ电源进线处装设由供电部门提供的专用计量装置。在各变电站低压电源进线处及景观照明等馈线回路装设计量装置，以供物业内部管理使用。
（2）电力监控系统
该数据中心供配电系统借助于完善的智能配电监控系统，实现了对高/低压配电设备及相关电气参数的监测、控制、故障报警、通讯管理、信号采集、显示等功能。采用分层分布式的网络结构，实现了高/低压配电系统的智能化综合监控、统一管理、“四遥”（即遥测、遥控、遥信、遥感）及无人职班或少人职班的功能，并与整个园区的楼宇自控系统融为一体，实现了机电设备远方和就地监控的有机结合，既满足了建筑节能的要求，又为用户大大节约了人力资源。
变电站电力监控系统采用计算机综合监控系统，具有开放的、灵活的通讯结构和综合监控系统远方执行终端功能。变电站有监视、测量和报警功能均通过计算机综合监控系统来完成。监控系统在结构上分为两层：第一层为现场综合测量装置和ＰＬＣ，它们安装在高/ 低压开关柜中，完成各自保护及开关柜内的信号和测量电量的采集功能。第二层为上位监控站，完成对ＰＬＣ和现场测量装置的集中管理和信息集中，作为整个变电站的 人机界面，实现对变电所内被控设备的监视、控制和操作。同时，提供ＥｔｈｅｒｎｅＤＤＥ数据格式及接口与上位机系统通讯。
2　总结
为确保特别重要负荷供电的连续性，该供电系统在高、低压侧共设计了七层供电保障措施，使系统可以在任何一路高压断电、任何一台变压器、任何一台发电机以及任何一台ＵＰＳ不间断电源装置发生故障时，均可经过多次投切转换连续供电，也可以在运行与维修、自动与手动控制之间任意转换。此系统有别于其它民用建筑供电系统的设计，具有独创性。其特点是安全可靠、运行灵活，可以确保大型计算机及网络设备的连续供电。
完善可靠的供配电系统，在实际运营中起到了极为重要的核心作用，该系统与变电站智能配电管理系统有机地融为一体，对各变电站进行统一监控管理，使整个数据中心的供配电系统始终处于最佳安全运行状态。