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淺談長江云數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
閱讀：1156 發(fā)布時(shí)間：2021-1-26
摘 要：介紹了長江云互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心( IDC) 機(jī)房供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，分析了供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，闡述了 IDC 機(jī)房負(fù)荷計(jì)算和關(guān)鍵設(shè)備選型方法，可為類似數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考,。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；供配電設(shè)計(jì)；負(fù)荷計(jì)算,；設(shè)備選型
0引言
近年來，隨著云計(jì)算,、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的實(shí)現(xiàn),，許多大型企業(yè)為滿足自身發(fā)展需要開始建設(shè)數(shù)據(jù)中心。集裝箱式互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心( Internet Data Center,，IDC) 機(jī)房具有占地面積小,、布置靈活、建設(shè)周期短等特點(diǎn),，越來越得到廣泛的應(yīng)用［1-3］,。本文結(jié)合湖北廣電長江云集裝箱式數(shù)據(jù)中心機(jī)房,，詳細(xì)介紹 IDC 機(jī)房配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1項(xiàng)目概況
長江云集裝箱 IDC 機(jī)房占地面積僅為 100 m2,， 由華為技術(shù)有限公司設(shè)計(jì),，機(jī)房內(nèi)部安裝有32 臺標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，并配備視頻監(jiān)控,、消防報(bào)警等配套設(shè)施,。空調(diào)室外機(jī)安裝在集裝箱頂部,，應(yīng)急電源( UPS) 安裝在獨(dú)立的房間,。機(jī)房建成后搭建湖北廣電新媒體融媒平臺，匯聚全省政務(wù)信息,，實(shí)現(xiàn)頻道節(jié)目制作,、新聞資源共享。
2負(fù)荷分級
長江云數(shù)據(jù)中心設(shè)備負(fù)荷分為 IDC 設(shè)備,、空 調(diào),、照明、消防等四類,。根據(jù) GB 50174—2016《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》,，數(shù)據(jù)中心機(jī)房可劃分為 A、B,、C 三個(gè)級別,，長江云集裝箱 IDC 機(jī) 房按照 A 級機(jī)房設(shè)計(jì)，機(jī)房內(nèi) IDC 設(shè)備用電按照一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷設(shè)計(jì),，空調(diào),、照明、消防用電按照一級負(fù)荷設(shè)計(jì),。
3設(shè)計(jì)原則
數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn),。系統(tǒng)不應(yīng)存在某節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，導(dǎo)致系統(tǒng)全部停電的事故,。
( 2) 故障容錯(cuò),。系統(tǒng)具備容錯(cuò)能力，即當(dāng)線 路發(fā)生部分故障或操作失誤時(shí),，不影響數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行,。
( 3) 可維護(hù)。需設(shè)計(jì)足夠冗余,，保證設(shè)備檢修或維護(hù)時(shí),，不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行,。
( 4) 可增容。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮今后事業(yè)發(fā)展,、需求增加,，便于今后擴(kuò)容。
4供電方案
4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)中心機(jī)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(gè)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(jìn)線柜,，10 kV 母線采用單母線分段運(yùn)行。當(dāng)其中一路市電發(fā)生故障,，通過母聯(lián)開關(guān)切換,，由另一路市電承擔(dān)全部一級負(fù)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 工藝變壓器( 500-1 和 500-2) 通過單母線分段運(yùn)行,，互為備用，一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷,。2臺1 600 kVA 動(dòng)力變壓 器 ( 1600-1 和 1600-2) 通過單母線分段運(yùn)行，互為備用,，主要供動(dòng)力,、照明。4 臺變壓器平時(shí)各帶 50% 的負(fù)荷,，當(dāng)其中 1 臺變壓器發(fā)生故障,，通過低壓母聯(lián)開關(guān)切換，由另 1 臺變壓器承擔(dān)全部負(fù)荷,。
從 2 臺 500 kVA 的變壓器饋線柜各引一回 380 V 電源至 IDC 機(jī)房,，一回送至 UPS 電源輸入柜，經(jīng)過 UPS 電源后送至集裝箱機(jī)房的 1#交流列頭柜,，再分別送至各機(jī)架電源分配單元( PDU) ,，向設(shè)備供電。另一回直接送至交流列頭柜,，再分別送至各機(jī)架 PDU,，向設(shè)備供電。
從 2 臺 1 600 kVA 變壓器的饋線柜分別引 2 路獨(dú)立的 380 V 電源至 UPS 電源室的動(dòng)力進(jìn)線 配電柜,，再引 6 回低壓線路至 IDC 機(jī)房空調(diào)配電箱的 3 個(gè) ATS 切換開關(guān),，向 6 臺空調(diào)供電。 每個(gè)ATS 切換開關(guān)引入 2 回 380 V 電源,，一主一備互為備用,，ATS 開關(guān)切換時(shí)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(shí)施細(xì)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(fù)荷應(yīng)采用 UPS 電源供電,。該項(xiàng)目配置一臺模塊化 UPS 電源,，后備時(shí)間為 30 min，向 IDC 機(jī)房設(shè)備供電,。
4.4 自備發(fā)電機(jī)系統(tǒng)
中心配電房配置 2 臺 1 000 kW 柴油發(fā)電機(jī)互為備用,，發(fā)電機(jī)輸出電源經(jīng)過 ATS 切換開關(guān)( 1#ATS 和 2#ATS) 分別接入 2 臺 500 kVA 變壓器的進(jìn)線柜。當(dāng) 2 路市電同時(shí)停電時(shí),，發(fā)電機(jī)可在 1 min 內(nèi)完成起動(dòng),，原 2 臺 500 kVA 變壓器所帶全部負(fù)荷通過 ATS 切換開關(guān)切換到發(fā)電機(jī)電源，由發(fā)電機(jī)供電,。
5主要設(shè)備選型
5.1 UPS 電源
IDC 機(jī)房內(nèi)部共安裝 IT 設(shè)備機(jī)架 24 臺,，每臺機(jī)架可提供 7 kW 功率輸出，需要系數(shù)取0．8,，則計(jì)算額定功率為 134 kW,。根據(jù) 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,?？紤]到今后擴(kuò)容需要，該項(xiàng)目選用1 臺 240 kVA 模塊化 UPS 電源,，每個(gè)模塊為 40 kVA,，共 6 個(gè)功率模塊。
5.2 空調(diào)設(shè)備
空調(diào)的制冷量根據(jù)機(jī)房冷負(fù)荷來確定: Qt = Q1 + Q2 ( 1)
式中: Qt———總制冷量;
Q1———機(jī)房內(nèi)設(shè)備負(fù)荷;
Q2———機(jī)房環(huán)境冷負(fù)荷,。
根據(jù)計(jì)算,，空調(diào)冷負(fù)荷為 113 kW，采用 n + 2 冗余方式 配 置 6 臺空調(diào),，每臺制冷量為35 kW,，常用 140 kW，可滿足機(jī)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(jì)算公式:
( 2)
式中: P———UPS 額定功率;
F1———輸出功率因數(shù);
U———輸入額定電壓;
η———整機(jī)效率;
F2———輸入功率因數(shù)。
其中,，整機(jī)效率 η = 0．8,，輸入功率因數(shù) F2 = 0．99，因此 UPS 電源輸入電流為 326 A,。查《電氣工程常用數(shù)據(jù)速查手冊》,，并考慮環(huán)境溫度 修正系數(shù)、穿管系數(shù)后，ZR-YJV-4 × 240 + 1 × 185 規(guī)格電纜允許載流量為 359 A,，滿足計(jì)算要求,。
( 2) 空調(diào)電源輸入電纜。該項(xiàng)目設(shè) 6 臺空調(diào),，每臺 13 kW,，空調(diào)總功率為 98 kW，計(jì)算電流為 185 A,。查《電氣工程常用數(shù)據(jù)速查手冊》,，并考慮環(huán)境溫度修正系數(shù)、穿管系數(shù)后,，ZR-YJV-4 × 120 +1 ×70 規(guī)格電纜允許載流量為 228 A,，滿足計(jì)算要求。
5.4 開關(guān)
( 1) UPS 電源進(jìn)線開關(guān),。根據(jù)式( 2) ,，UPS電源的輸入電流為 326 A，進(jìn)線開關(guān)額定電流取400 A,，選用型號 NSX400 3P,。
(2) UPS 電源輸出開關(guān)。 ( 3)
根據(jù)式( 3) ,，UPS 電源輸出電流為 364 A,，輸 出開關(guān)額定電流取 400 A，故選用 NSX400 3P 型號,。
(3) 空調(diào)電源輸入開關(guān),。空調(diào)負(fù)荷輸入電流計(jì)算結(jié)果為 185 A,，開關(guān)額定電流取250A。
6安科瑞ANDPF精密列頭柜介紹
6.1產(chǎn)品介紹
隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展,，數(shù)據(jù)中心能耗問題也越來越突出,，可靠的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案，是提高數(shù)據(jù)中心電能使用效率,，降低設(shè)備能耗的有效方式,。
AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機(jī)房末端設(shè)計(jì)的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng),，為交直流電源配電柜提供準(zhǔn)確的電參量信息,，并可通過通訊將數(shù)據(jù)上傳到動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房的實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效管理,，為實(shí)現(xiàn)綠色I(xiàn)DC提供可靠保證,。
6.2安科瑞精密配電產(chǎn)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(guān)狀態(tài),，具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計(jì),，實(shí)現(xiàn)電壓,、電流、頻率等參數(shù)的越限報(bào)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(jì),，實(shí)現(xiàn)電壓,、電流、功率等參數(shù)的越限報(bào)警功能,。
配置方案如圖3,，
6.3產(chǎn)品選型
7安科瑞智能小母線監(jiān)控系統(tǒng)介紹
7.1產(chǎn)品介紹
針對數(shù)據(jù)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(yùn)行過程中的各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)生故障則進(jìn)行告警,，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,。
AMB檢測單元是針對數(shù)據(jù)中心智能小母線插接箱/始端箱的監(jiān)控要求新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，該檢測單元安裝固定在插接箱/始端箱內(nèi)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(shù)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(shù))以及電能監(jiān)測和考核管理,。同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控母線接口溫度，配合2路Rs45通訊接口（1進(jìn)1出）或LORA無線通訊,，采用MODBUS-RTU協(xié)議可以方便可靠的將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至主控箱和后臺系統(tǒng),，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。
7.2產(chǎn)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(shù),。
8結(jié)束語
數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),，對不同的負(fù)荷應(yīng)依據(jù)其性質(zhì)進(jìn)行分類、分級,，并采用不同的供電方案,。注意以下事項(xiàng): 配電系統(tǒng)接線應(yīng)盡可能簡單、清晰,，消除單一節(jié)點(diǎn),，具備容錯(cuò)功能；設(shè)備配置要充分考慮維護(hù)管理方便,； 模塊化 UPS 采用 n + 1 配置,，空調(diào)系統(tǒng)采用 2n 配置，留足冗余,。由于資金問題,，該項(xiàng)目雖然實(shí)現(xiàn)兩回路*獨(dú)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(zhì)量較好的情況下對設(shè)備不會造成影響。由于 IDC 設(shè)備都是計(jì)算機(jī)類設(shè)備,，如 果市電供電質(zhì)量較差,，電壓波動(dòng)幅度較大,，將對 IDC 設(shè)備的安全造成影響,。因此，在市電供電質(zhì)量較差,、條件許可的情況下,，建議配置兩套獨(dú)立 的 UPS 電源。
【參考文獻(xiàn)】
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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2020.06版.