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数据中心供配电系统设计的探讨

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引言 随着信息技术的迅速发展和互联网的普及,社会各界对信息系统的应用越来越广泛,信息和数据量呈几何级增长,由此对数据中心的需求日益增加,对数据中心的要求也不断提高。近年来,不仅电信企业,政府机构以及银行、证券、保险、互联网等众多行业也都在建设各种不同用途、规模、等级的数据中心。 1 数据中心对供配电系统的要求 信息设备功能越来越强,功率密度越来越高。数据中心设备机柜用电负荷由以前的2kVA/台,提高到3kVA/台、4kVA/台,甚至更高。机房单位面积的平均用电负荷也由1kVA/m2,提高到 1.5 kVA/m2、2 kVA/m2,甚至更高。同时,随着数据中心规模的不断扩大,对供电总容量的要求也从数千千伏安提高到数万千伏安。

引言
随着信息技术的迅速发展和互联网的普及,社会各界对信息系统的应用越来越广泛,信息和数据量呈几何级增长,由此对数据中心的需求日益增加,对数据中心的要求也不断提高。近年来,不仅电信企业,政府机构以及银行、证券、保险、互联网等众多行业也都在建设各种不同用途、规模、等级的数据中心。
1 数据中心对供配电系统的要求
信息设备功能越来越强,功率密度越来越高。数据中心设备机柜用电负荷由以前的2kVA/台,提高到3kVA/台、4kVA/台,甚至更高。机房单位面积的平均用电负荷也由1kVA/m2,提高到 1.5 kVA/m2、2 kVA/m2,甚至更高。同时,随着数据中心规模的不断扩大,对供电总容量的要求也从数千千伏安提高到数万千伏安。
由于现代社会运行对信息、数据的依赖越来越多,对信息系统的可靠性、连续性要求也越来越高。现行的数据中心标准、规范中一般都会对数据中心进行分级或分类,提出不同的可靠性要求,并制订相应的建设或配置标准,例如:GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》[1]中分为 A、B、C 三级,ANSI/TIA-942-2005《Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers》[2]中分为 Tier1、Tier2、Tier3、Tier4 四级。本文中将数据中心对供配电系统的可靠性要求分为极高可靠性要求、高可靠性要求、一般可靠性要求三个层次。
2 数据中心供配电系统设计的基本原则
数据中心供配电系统设计应执行或参照执行国家和行业相关标准、规范[3-7],并可参考国外相关标准、规范,结合考虑数据中心用电负荷密度高、供电可靠性要求高等特性,采取适当的技术措施。同时,应满足项目建设单位的企业标准、规范的要求。
数据中心供配电系统设计应遵循分区、分级的原则,同一功能区域内的各类设备的供电可靠性,应能保证所有设备能够按照该区域标准的要求运行,并将供配电系统局部故障的影响面控制在尽可能小的范围。
数据中心用电负荷密度高、总量大,其供配电系统设计中应充分运用成熟有效的节能措施,降低供配电系统的损耗。
3 数据中心用电负荷
数据中心用电负荷的统计应分为两个层次,即:UPS 电源系统负荷(输出)和变配电系统负荷。 UPS 电源系统负荷(输出)是 UPS 电源系统设计的依据,变配电系统负荷是变配电系统和自备应急电源系统设计的依据。
3.1 UPS 电源系统负荷(输出)统计
具体负荷设备明确时,按设备数据统计。具体负荷设备不明确时,按设备机柜平均负荷统计。设备机柜数量也不明确时,可按机房面积平均负荷估计。
需了解负荷设备的功率因数 cosφ,分别统计有功功率PjkW 和视在功率 SjkVA。需注意三相负荷平衡的情况,有大容量单相负荷设备时应按相分别统计。
3.2 变配电系统负荷统计
变配电系统负荷主要包括:UPS 电源系统(输入)、机房空调系统、机房照明及建筑电气设备等。
UPS 电源系统负荷(输入)=供电负荷+充电负荷。
机房空调系统负荷=N 台主用空调机组额定负荷容量×负荷率。
机房照明及其它负荷按建筑电气常规方法统计。
日常运行负荷、充电负荷、消防负荷等还宜分别统计。
4 数据中心供电电源
4.1 市电电源选择
市电电源选择一般采用 10 kV 供电电压,但其供电容量有限。某些地区规定:10 kV 供电电压,用户受电设备的总容量为 250~6300 kVA,若需更大的供电容量,则需采用 35kV 或 110 kV 及以上的供电电压。
当数据中心中、远期规划用电负荷较大时,宜在建设初期就选择 35 kV 及以上供电电压,以免供电容量不足成为数据中心发展的制约瓶颈。
如果采用 35 kV 及以上供电电压时,可根据数据中心建筑形式决定其变电方式。一般,数据中心为单幢建筑时宜采用 35/0.4 kV 直降方式,而数据中心为园区式多幢建筑时宜采用 35/10 kV、10/0.4 kV 二级降压方式。
4.2 市电电源引入要求
数据中心的市电电源引入方式及其供电容量,应满足不同用途或等级数据中心对供电可靠性的要求。极高可靠性要求数据中心应从两个独立的电网变电所的专用输出回路上分别引入一路市电电源,以专线方式沿不同的敷设路由引接至数据中心。每一路市电电源的供电容量应能满足全部负荷或全部一、二级负荷的需求,包括 UPS 电源系统、机房空调、机房照明、蓄电池充电及建筑设备等。两路市电电源的供电容量应为全冗余,正常时应同时供电运行。
高可靠性要求数据中心宜从两个独立的电网变电所,也可从一个电网变电所的两段独立的供电母线上分别引入一路市电电源,以专线方式引接至数据中心。每一路市电电源的供电容量应能满足全部一、二级负荷的需求,包括 UPS 电源系统、机房空调、机房照明、蓄电池充电及建筑设备中的一、二级负荷。两路市电电源的供电容量应为全冗余,正常时应同时供电运行。
一般可靠性要求数据中心宜引入两路市电电源,条件受限制时也可引入一路市电电源。引入两路市电电源时,宜为冗余关系,也可作为供电容量扩展关系。
4.3 自备应急电源选择
数据中心一般采用柴油发电机组作为自备应急电源。对于大型、高等级数据中心也可以选择可靠性高、输出电源品质好、带非线性负载能力强、体积小、重量轻的大功率燃气轮机发电机组
4.4 自备应急电源配置要求
数据中心自备应急电源配置应满足不同用途或等级数据中心对供电可靠性的要求。
极高可靠性要求数据中心宜配置两路独立的自备应急电源,每一路自备应急电源的供电容量应能满足全部负荷或全部一、二级负荷的需求,包括 UPS 电源系统、机房空调、机房照明、蓄电池充电及建筑设备等。市电电源具有很高可靠性时,也可配置一路具有冗余的自备应急电源。
高可靠性要求的数据中心应配置一路自备应急电源,供电容量应能满足全部一、二级负荷的需求,包括 UPS 电源系统、机房空调、机房照明、蓄电池充电及建筑设备中的一、二级负荷。
一般可靠性要求的数据中心宜配置一路自备应急电源,供电容量应能满足全部一、二级负荷的需求,包括 UPS 电源系统、机房空调、机房照明、蓄电池充电及建筑设备中的一、二级负荷。当数据中心条件受限制,且市电电源具有较高可靠性时,也可以部分或全部采用移动式发电机组作为自备应急电源。
5 数据中心供配电系统布置
5.1 供配电系统布置原则
变配电所、UPS 电源机房应靠近设备机房(负荷中心)布置。变配电所、发电机房、UPS 电源机房均应留有足够的面积,可与设备机房同步发展,应对设备机房面积扩展或设备机房功率密度上升引起的供电需求。229应注意留有足够的、合理的供电线路通道。
对于非专门设计用于数据中心的建筑,应注意其是否满足设备安装和线路敷设的要求,包括楼面荷载、净高、抗震等级、耐火等级等方面。
5.2 变配电所布置
数据中心为单幢建筑时,宜采用附设式变配电所(参见图 1、图 2)。
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附设式变配电所一般设置于地面一层及二层;当设置于地下层时,不宜设置在最底层。
单幢建筑内供电容量或供电范围较大时,宜分区域设置
变配电所(参见图 3)。
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图 3 单幢建筑数据中心供配电系统布置示意(三)
数据中心为园区式多幢建筑时,园区内应设置独立式10 kV 总配电所或 35/10 kV 总变配电所,各幢建筑内设置附设式 10 kV 变配电所(参见图 4)。
5.3 发电机房布置
发电机房应根据数据中心等级的要求采用独立式或附设式(参见图 1~图 3)。
附设式发电机房宜设置在地面一层。当发电机房设置于地下层时,应特别注意进、出风通道能否满足要求。
数据中心设有独立式 10 kV 总配电所或 35/10 kV 总变配电所时,发电机房宜与其靠近布置或合并布置(参见图 4)。应注意发电机组储油装置(日用油箱、储油罐)的消防要求。
5.4 UPS 电源机房布置
UPS 电源机房应与设备机房相邻布置,包括同层相邻或相邻楼层(参见图 1~图 3)。
UPS 电源主机、配电柜与蓄电池组是否需要分隔,按照数据中心等级的要求决定。
对于极高可靠性要求数据中心,互为冗余的 UPS 电源系统宜安装在不同的防火分区内。
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图 4 园区式数据中心变配电所布置示意
6 数据中心变配电系统
两路市电电源的高压配电系统应采用单母线分段方式。当两路市电电源冗余时,两段母线间可不设置联络(一般供电部门也不允许联络)。应采用放射式配电。
两路市电电源的配电线路应分开敷设,不能分开时应采取防火隔离措施。配电线路应采用无卤低烟阻燃型、耐火型电缆或母线槽。
两路市电电源的低压配电系统应采用单母线分段方式,两段母线间设置联络。
极高可靠性要求数据中心的两路市电电源应分别与两路自备应急电源中的一路自动切换。
高可靠性要求数据中心的两路市电电源应分别与自备应急电源自动切换。
对于 UPS 电源系统、机房空调、机房照明及其它建筑设备中的一级、二级负荷应采用放射式双回路配电,两路电源在负荷设备输入端自动切换。
两路电源切换应采用 PC 级自动转换开关。低压配电系统输入端市电电源与自备应急电源切换宜采用具有旁路隔离功能的 PC 级自动转换开关。
双回路配电的两回线路应分开敷设,不能分开时应采取防火隔离措施。配电线路应采用无卤低烟阻燃型、耐火型电缆或母线槽。
低压配电系统的同一段输出母线上宜同时连接为同一设备机房或区域服务的 UPS 电源系统和机房空调设备。
6.3 机房空调配电系统
机房空调设备应设置专用的配电柜。机房空调配电柜应引接两路电源、自动切换。
一个设备机房或区域应设置两台及以上的空调配电柜,每台空调配电柜的输入电源应分别引自不同的低压配电柜或配电回路。一个设备机房或区域内的多台空调设备应间隔连接于不同的配电柜上,且正常运行时宜连接于不同的电源上。图5是数据中心变配电系统的一种型式,可应用于高可靠性要求的数据中心。
7 数据中心自备应急电源系统
7.1 发电机组容量选择
需注意不同类型机组及功率标称值的定义,根据市电电源的可靠性情况予以选择。需考虑环境条件和使用条件(消音降噪措施等)引起的容量损失。需考虑非线性负荷的需求。
7.2 发电机组输出电压选择
发电机组输出电压一般采用 0.4 kV。能否采用 10 kV 输出电压,需视供电部门规定。
数据中心设有 35/10 kV 总变配电所时,发电机组宜采用 10 kV 输出电压,并与总变配电所的 10 kV 输出母线联络。
7.3 发电机组设置
一般宜与两路市电电源的变压器组对应设置。采用并联运行方式时,若自动同步控制出现故障,应能手动控制同步。
7.4 发电机组燃料储备及管路要求
发电机组燃料储备量应根据数据中心等级的要求,结合市电电源可靠性、供油可靠性、消防要求综合决定,一般不宜少于发电机组满负荷运行 8 小时的用油量。发电机组的供油管路(管道、油泵、滤清器)应有冗余。
7.5 发电机房环保措施
发电机组运行时产生的噪声应小于其所在区域的环境噪声标准值。机组由于消音降噪措施所引起的功率损失应小于机组额定功率的 5%。
8 数据中心 UPS 电源系统
8.1 UPS 电源系统的设计原则
UPS 电源系统的设置应考虑分区或分类供电的要求。多个 UPS 电源系统可分期建设,但每个 UPS 电源系统宜一次建成。每个 UPS 电源系统的供电容量不宜过大,一般控制在 800 kVA 以下。
UPS 电源系统的主机连结方式应与数据中心用途或等级(可靠性要求)匹配。UPS 电源系统的输入、输出配电方式应与数据中心用途或等级(可靠性要求)匹配。
8.2 UPS 电源系统的主机连结方式的选择
UPS 电源系统主机连结方式应满足不同用途或等级数据中心对供电可靠性的要求,详见表 1。
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对于双单元冗余方式,宜选择双机并联、双单元冗余。一方面可以兼顾部分单电源输入设备;另一方面当单机故障或检修时,尚不影响系统运行方式。对于并联冗余方式,N 不宜大于 2。
8.3 UPS 电源主机容量选择
UPS 电源主机容量的选择应结合主机连结方式以及分区、分类供电要求统筹考虑。一般单台主机容量不宜大于400 kVA。
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图 5 数据中心变配电系统示意
UPS 电源主机容量选择应同时满足:
NSn≥Sj, NPn≥Pj,
式中:N 为主用台数;Sn为 UPS 主机额定输出视在功率(kVA);Pn为 UPS 主机额定输出有功功率(kW);Sj为计算负荷视在功率(kVA);Pj为计算负荷有功功率(kW)。三相负荷不平衡时,应按最大相负荷×3 选择 UPS 电源主机容量。
8.4 UPS 电源系统蓄电池组配置
8.4.1 配置原则
UPS 电源系统蓄电池组配置应满足不同用途或等级数据中心对供电可靠性和后备时间的要求。
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系统负荷明确时,可按负荷计算蓄电池组容量。系统负荷不明确时,按系统额定值或按系统额定值×负荷率计算蓄电池组容量。一般不考虑输入电源中断时,UPS 电源主机同时发生故障。需要考虑安全系数和环境温度系数。蓄电池组并联组数不宜过多。容量较大时宜采用2V单体蓄电池,但不宜少于2组。按 UPS 电源容量计算蓄电池组容量时,需注意按单机计算或按系统计算的差别。
8.4.2 容量计算
UPS 电源系统蓄电池组容量的计算方法有以下两种;
①按负荷电流计算;
②按负荷功率计算。
按负荷电流计算的结果是蓄电池组的总容量,然后再选择单组蓄电池的容量和组数。按负荷功率计算的结果是选定容量规格的蓄电池组数。两种计算方法的结果可互相校验。
8.5 UPS 电源系统的输入配电
UPS 电源系统应设置专用的输入配电柜。
UPS 电源系统输入配电柜应引接两路电源、自动切换。
每套 UPS 电源系统应一般设置两台及以上的输入配电柜,各台输入配电柜的电源应分别引自不同的低压配电柜或配电回路。
UPS 电源主机的主电源和旁路电源应分别引入,并宜由不同的输入配电柜引接。
并联冗余UPS 电源系统的各台主机的输入电源应分别由不同的输入配电柜引接,但应注意确保各台主机的旁路电源连接在同一电源上。系统正常运行时,各台主机的主电源宜连接在不同的电源上。
双单元冗余UPS电源系统的两个单元各台主机的输入电源应分别由不同的配电柜引接。两个单元各台主机的旁路电源应连接在同一电源上。系统正常运行时,两个单元各台主机的主电源应分别连接在不同的电源上。
8.6 UPS 电源系统的输出配电
UPS 电源系统输出一般采用三级配电方式:系统输出配电柜-机房配电柜-机柜配电单元。UPS 电源系统输出应采用放射式、双回路配电方式。UPS 电源系统输出应采用三相配电,末端分相,以利三相平衡。
对于单电源输入设备,即使已采用双单元冗余 UPS 电源系统,也宜将其连接在其中一个单元上。对于双单元冗余 UPS电源系统,可将其每个单元中的部分容量视为并联冗余性质。
对于需要双回路供电的单电源输入设备,宜在其输入端设置静态转换开关 STS。静态转换开关 STS 的性能应能满足其要求,一般转换时间小于 5~10 ms。
UPS 电源系统输出配电须重视保护的选择性,在发生故障时应能限制故障的影响范围。UPS 电源系统各台主机输出应分别连接到输出配电柜母线上,并应能与其断开。
UPS 电源系统输出配电柜应设置应急旁路,正常运行时应急旁路应分断并锁止。UPS 电源系统输出配电柜输出回路容量(即机房配电柜容量)不宜过大,一般宜负责一列或两列设备机柜为宜。其最大容量取决于 UPS 电源系统容量和特性。采用双回路配电方式时,两个回路的机房配电柜宜分设柜体、成对设置。
系统输出配电柜和机房配电柜宜采用插入式或抽出式开关电器。设备机柜配电单元宜采用微型断路器直接连接到用电设备,微型断路器的安装方式应便于带电更换。当负荷设备对零-地电压要求较高时,可在机房配电柜设置隔离变压器。根据运营管理需要,设备机柜配电单元或机房配电柜可设置电流测量或电能计量表具。双回路配电的两回线路应分开敷设,不能分开时应采取防火隔离措施。电线路应采用无卤低烟阻燃型或耐火型电缆。
9 数据中心接地与供配电系统防雷
9.1 接地
数据中心应采用联合接地方式,将围绕建筑物的环形接地体、建筑物基础地网及变压器地网相互连通,共同组成联合地网。
建筑物底层应设置环形接地总干线。应设置两根及以上的垂直接地主干线。各楼层应设置水平接地干线,并宜与两根及以上的垂直接地主干线联结。设备接地可采用网状、星形或网状-星形混合方式。
9.2 供配电系统防雷
应采用分级保护方式,并综合考虑供配电系统的分布情况。当存在不利因素时,应提高交流电源第一级 SPD 的最大通流容量。平均雷暴日应按当地气象部门最新数据为准。
10 结语
不同用途或等级的数据中心对可靠性的要求不同,直接关系到数据中心的建设投资和运营成本。数据中心供配电系统是数据中心最重要的基础设施,应在数据中心建设初期予以统筹考虑和全面规划,并根据数据中心对供电可靠性的要求,在供电电源选择、供配电系统布置、供配电系统结构和形式等方面采取相应的技术措施。同时,还应充分运用成熟有效的节能措施,降低供配电系统的损耗。若数据中心中存在不同等级的功能区域,在供配电系统设计中也应区别对待,以减少不必要的建设投资和运营成本。

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  • 笨男人
    笨男人 2015年12月30日 17:14:04 2楼
    好文章,多多学习了,谢谢
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  • saintedman
    saintedman 2016年02月15日 17:56:40 3楼
    学习了:lol
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  • li_lan
    li_lan 2016年02月15日 19:45:18 4楼
    好资料,好好学!
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  • li_lan
    li_lan 2016年02月15日 19:45:53 5楼
    好资料,好好学!
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  • li_lan
    li_lan 2016年02月15日 20:16:42 6楼
    好资料,好好学!
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