安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

【摘要】江蘇有線(xiàn)數據中心的供配電系統為前端機房、模塊化數據機房、監控大廳和制冷、消防設施提供可靠電能，是保障數據中心運行的核心設施。本文從安全供電的角度，重點(diǎn)闡述了江蘇有線(xiàn)數據中心供配電系統架構的設計與實(shí)現。

 

【關(guān)鍵詞】數據中心，供配電，雙總線(xiàn)，不間斷電源

 

        江蘇有線(xiàn)數據中心是國家干線(xiàn)網(wǎng)在華東的節點(diǎn)站，為全省2700萬(wàn)有線(xiàn)電視用戶(hù)提供播出信源，為省內數百萬(wàn)寬帶用戶(hù)提供互聯(lián)網(wǎng)接入，同時(shí)為數千家金融、醫療、公安、教育和企事業(yè)單位提供網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，對業(yè)務(wù)的安全性、可靠性有著(zhù)*的要求。

        供配電系統作為數據中心核心設施，必須為各類(lèi)業(yè)務(wù)運行提供優(yōu)質(zhì)可靠的能源保障，同時(shí)還要滿(mǎn)足各類(lèi)輔助設施用電需求，對供配電系統提出了較高的建設標準。因此，江蘇有線(xiàn)數據中心供配電系統依據安全、實(shí)用、經(jīng)濟、靈活的原則進(jìn)行設計，在保證滿(mǎn)足各類(lèi)負荷安全用電的基礎上，還要考慮系統的可擴展性，可維護性。下文主要從安全角度，淺述江蘇有線(xiàn)數據中心供配電系統架構的設計與實(shí)現。

 

        數據中心供配電系統根據不同種類(lèi)負荷對電源可靠性要求的不同，對用電負荷進(jìn)行安全等級劃分和分類(lèi)供電保障設計。

1.1負荷

        機房IT負荷供配電設備、連續制冷系統、機房監控系統、消防供電系統、應急照明用電、冷源設備以及機房區日常照明。

        1）IT供配電系統設計參照國標的高可靠性配電系統標準，使用2N配電方式，并通過(guò)雙路進(jìn)線(xiàn)電源相互備份，滿(mǎn)足進(jìn)線(xiàn)電源無(wú)單點(diǎn)故障的要求。

        2）連續制冷系統用于保證數據中心在市電故障、柴油機未啟動(dòng)時(shí)仍有足夠的制冷能力，在數據中心的整體可用性中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用，使用UPS為冷凍水系統的水泵、機房?jì)染芸照{風(fēng)機供電，并設置冷凍水蓄冷池。機房空調正常情況下由市電供電、油機保障，在市電和油機失效時(shí)，有UPS保障，以提供機房機柜的制冷。

        3）機房監控系統為整個(gè)數據中心重要的操作、維護與管理平臺，其配電系統應能保證在市電斷路時(shí)，系統仍能正常使用，因此由UPS為其供電。

        4）消防供電系統主要為消防設備、消防報警系統、消防聯(lián)動(dòng)控制設備提供配電。按照國家相關(guān)規范，應使用雙路市電供電，并由柴油發(fā)電機保證其電源供應的不間斷性。

        5）機房應急照明應保證機房等重要區域在異常狀況下保持正常運行的照明能力，使用EPS電源供電，并保證疏散指示照明配備90分鐘后備電池，保證停電后，機房照明系統仍可使用。

        6）機房重要動(dòng)力供電主要指為冷凍站冷水機組、水泵、IT機房、UPS機房空調設備提供供電，包括機房精密空調、機房消防排煙系統及其他與機房環(huán)境相關(guān)的動(dòng)力設備的供配電系統，該類(lèi)系統可以接受因為市電故障所引起的關(guān)機重啟，不需要使用UPS進(jìn)行不間斷供電，但必須使用柴油發(fā)電機后備，以保證供電鏈路故障或市電缺失階段仍然可用。

1.2二級負荷

        非關(guān)鍵動(dòng)力系統、日常維護、維修和照明系統用電。機房維護用電需要在市電缺失階段保證同樣可用，以實(shí)現該階段內的系統故障維護。負荷安全等級劃分及電源保障規劃如表1所列。

        江蘇有線(xiàn)三網(wǎng)融合數據中心設計總電力容量為32MW，分兩期建設，一期為24個(gè)機房，容量18MW，二期為16個(gè)機房，容量14MW。數據中心按照GB50174《數據中心設計規范》機房設計，配電系統采用2N雙總線(xiàn)冗余設計，配電系統可靠性為99.998%，其安全冗余架構如下。

2.1外部市電安全保障

        一期供電需求為18000kVA，設計兩路來(lái)自不同變電站市電，兩路市電分別來(lái)自光華變和西崗變，共4個(gè)回路，數據中心設立4個(gè)KB所。一期建設2個(gè)KB所，引入4路10kV市電，每路8000kVA，總容量為32000kVA，實(shí)現外市電單路滿(mǎn)載的全冗余安全備份。確保數據中心外部市電接入的可靠性和安全等級，兩個(gè)變電站至三網(wǎng)融合樞紐數據中心的距離分別為600m和3km，市電接入布局如圖1和2所示。

2.2柴油發(fā)電機保障

        為了進(jìn)一步提升供電的可靠性，應對外部市電突發(fā)大面積的停電發(fā)生，三網(wǎng)融合樞紐數據中心另配備備用功率2000kW的10kV自備發(fā)電機17臺（其中一期9臺，二期8臺），在市電發(fā)生停電時(shí)，啟用發(fā)電機給數據中心供電。如圖3所示。

2.3冗余的中低壓配電架構

        江蘇有線(xiàn)三網(wǎng)融合樞紐數據中心一期共設置了2個(gè)KB所、10個(gè)低壓配電室，采用2N的冗余架構，每個(gè)KB所分別引入光華變和西崗變的10kV市電，并設有中壓的母聯(lián)裝置，實(shí)現10kV中壓的互聯(lián)互投。確保一路中壓停電或故障或常規檢修時(shí)，另一路市電提供后端的供電。

        一期配電系統共設計了20臺1600kVA干式變壓器，每個(gè)低壓配電室安裝兩臺變壓器，取自?xún)陕凡煌?0kV外電，兩路低壓系統之間均可以實(shí)現低壓互聯(lián)互投，確保一路中低壓停電或故障時(shí)，另一路市電提供后端的供電。

        柴發(fā)、中壓和低壓配電系統的冗余架構如圖4所示。

2.4UPS電源保障

        國家有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的骨干線(xiàn)路、全省有線(xiàn)電視安全播出和信息傳送是江蘇有線(xiàn)三網(wǎng)融合數據中心的核心業(yè)務(wù)，在建設中對IT的設備和部分關(guān)鍵設備配置了UPS的保障。同時(shí)根據運行系統的重要性對UPS的配置采用了2N（N=1）、2N（N=2）、2N（N=3）、2（N+1）的組合方式，在提升可靠性的同時(shí)，兼顧投資平衡。

2.4.12N（N=3）組合方式

        安全播出和信息傳送是三網(wǎng)融合數據中心中心的核心業(yè)務(wù)，因此在UPS系統的設計中采用了2N（N=3，2+1）的組合配置，即3臺UPS并聯(lián)，其中1臺是冗余備份的UPS，提高供電的可靠性。如圖5所示。

2.4.22N（N=2）組合方式

        對運營(yíng)的計費、客服、互動(dòng)等重要的系統，UPS采用了2N組合方式（N=2），如圖6所示。

2.4.32N（N=1）組合方式

        其他的系統采用了2N（N=1）的UPS組合方式，架構如圖7所示。

2.5空調配電的保障

        三網(wǎng)融合數據中心空調系統采用高效的離心冷凍水機組、冷凍/冷卻水泵、冷卻塔。為了滿(mǎn)足空調系統在應急情況下的機房環(huán)境溫度的保障與UPS后備的時(shí)間保持一致，除了設置的蓄冷罐外，對冷卻水泵和末端精密空調增加了UPS的供電保障措施。與UPS后備15分鐘后備時(shí)間相匹配。如圖8、圖9和圖10所示。

2.5.1末端空調的配電保障

        數據中心末端的精密空調的供電安全保障采取兩種方式：

        1）應急情況下UPS供電

        機房末端精密空調在正常運行時(shí)，采用市電供電，在市電中斷時(shí)通過(guò)ATS自動(dòng)切換到UPS供電，見(jiàn)圖8。

        2）同一組空調的配電來(lái)自不同的配電系統

        數據中心每個(gè)模塊化機房設計了6臺末端精密空調，將每個(gè)模塊化機房的6臺末端精密空調分為兩組，1、3、5的末端精密空調配電來(lái)自配電房1、2、4、6的末端精密空調的配電來(lái)自配電房2，兩個(gè)配電房在距離和防護上做了嚴格的物理隔離。其目的是為了防止配電房的突發(fā)事件（如火災）引發(fā)電力中斷，確保在這種突發(fā)的情況下，有一半的末端精密空調工作，繼續維持該機房的制冷，延長(cháng)機房溫升的時(shí)間，見(jiàn)圖9。

2.5.2冷凍水泵的供電保障

        冷卻水泵正常運行時(shí)，UPS運行在ECO的模式，實(shí)際上采用交流直供的經(jīng)濟運行模式，當市電中斷時(shí)自動(dòng)由UPS接管，保持冷卻水泵的持續運行，不僅是滿(mǎn)足應急保障的要求，同時(shí)達到節能效果，見(jiàn)圖10。

2.6數據中心2N供電系統的物理安全保障架構

        江蘇有線(xiàn)三網(wǎng)融合數據中心的2N配電的架構設計上，在建筑平面布局上充分考慮到配電系統物理安全，一期不僅設置了2個(gè)獨立的KB所，同樣在每層樓設置了兩個(gè)配電房，將2N的配電系統分別安裝在各自獨立的配電房中，在一個(gè)配電房發(fā)生突發(fā)的配電中斷事件時(shí)，另一個(gè)配電房繼續給模塊化機房的IT設備和空調設備供電，確保業(yè)務(wù)連續性。如圖11所示。

2.7接地系統

        接地系統是數據中心機房供配電系統的重要組成部分，它直接關(guān)系到供電系統的可靠性、安全性?！稄V播電視工程工藝接地技術(shù)規范》（GY/T5084—2011）對廣電工程類(lèi)的數據機房接地系統提出了具體規定：有線(xiàn)前端及傳輸網(wǎng)絡(luò )機房應采用綜合工程工藝接地系統的聯(lián)合接地方式，工藝接地引出點(diǎn)以上的工藝接地部分應與建筑物其它接地系統相對獨立相互絕緣。工藝接地點(diǎn)至少引出2根，接地引出點(diǎn)接地電阻應小于0.5Ω。

        根據規范要求，數據中心接地系統分為大樓聯(lián)合接地和專(zhuān)用的工藝地，其中工藝地網(wǎng)和大樓地網(wǎng)在地下是相通的，工藝地網(wǎng)框架為30×30m，工藝水平接地體采用直徑為25mm的實(shí)心銅質(zhì)材料組成網(wǎng)格狀鋪設，網(wǎng)格采用6×6m；工藝垂直接地體采用2.5m長(cháng)，直徑為35mm的銅棒打入地下。先經(jīng)過(guò)實(shí)測，接地電阻小于0.5Ω，符合規范要求。

        工藝設備電源進(jìn)入機房后，將電源PE線(xiàn)轉換為工藝地線(xiàn)，如圖12所示。

        江蘇有線(xiàn)三網(wǎng)融合樞紐中心建成后已有5個(gè)模塊化數據機房投入運行使用，從2019年元旦至3月底，光華線(xiàn)計劃性停電累計1.5小時(shí)，西崗線(xiàn)計劃性停電累計20分鐘，KB1可靠率為99.93%，KB2可靠率為99.99%，發(fā)電機累計運行1小時(shí)50分鐘，機房樓層配電可靠率為95%，*數據中心各類(lèi)負荷用電需求。

        隨著(zhù)數據中心的迅猛發(fā)展，數據中心能耗問(wèn)題也越來(lái)越突出，高效可靠的數據中心配電系統方案，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，為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息，并可通過(guò)通訊將數據上傳到動(dòng)環(huán)監控系統，實(shí)現對整個(gè)數據機房的實(shí)時(shí)監控和有效管理，為實(shí)現綠色IDC提供可靠保證。

4.1精密配電管理解決方案

4.1.1交流系統

        1）功能要求：

        遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；

        遙信：輸入分路的過(guò)壓/欠壓，缺相,過(guò)流，輸入分路和輸出分路的開(kāi)關(guān)狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統計，實(shí)現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。

        2）配置方案-示意圖

配置方案

多功能儀表PZ72L-E4

電流互感器AKH-0.66-30I-XXA/5A

4.1.2直流系統

        1)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(guò)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計，實(shí)現電壓、電流、功率等參數的越限功能。

        2)配置方案-示意圖

配置方案

多功能儀表PZ72L-DE

霍爾傳感器AHKC-F-XXA/5V開(kāi)關(guān)電源SBD-30（48V）

 

4.2產(chǎn)品規格

說(shuō)明：■為標配功能。

 

4.3配套附件

5.1概述

        數據中心小母線(xiàn)系統是數據中心末端母線(xiàn)供配電系統的俗稱(chēng)。近年來(lái)，隨著(zhù)數據中心建設的快速發(fā)展和更高需求，智能小母線(xiàn)系統逐漸被應用于機房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點(diǎn)，即插式插接箱給各個(gè)機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監測模塊，將數據上傳至動(dòng)環(huán)監控中心。

5.2AMB智能小母線(xiàn)管理系統

        1）交流系統功能：

        遙測：三相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數、有功電能、無(wú)功電能、電纜溫度，系統頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電壓/電流諧波含量、電流/功率；

遙信：過(guò)電流2段閥值越限、過(guò)/欠壓、過(guò)功率告警、缺相、過(guò)頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線(xiàn)電流、溫/濕度告警，開(kāi)關(guān)狀態(tài)、開(kāi)關(guān)跳閘；

        2）直流系統功能：

        遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流/功率；

        遙信：過(guò)電流2段閥值越限、過(guò)/欠壓、過(guò)功率告警、缺相、溫/濕度告警，開(kāi)關(guān)狀態(tài)、開(kāi)關(guān)跳閘；

 

5.3產(chǎn)品介紹

 

說(shuō)明：■為標配功能。

 

        數據中心往往承載著(zhù)企業(yè)的核心業(yè)務(wù)，是企業(yè)的信息樞紐，供配電系統作為數據中心的核心設施，其網(wǎng)絡(luò )架構設計直接關(guān)系到供用電的安全性、可靠性和可維護性，因此在數據中心建設計階段，就應該充分考慮各類(lèi)用電需求，明確不同負荷的用途、用電量和對用電安全等級的要求，根據具體需求設計適用的供配電架構，才能建成一張安全可靠、簡(jiǎn)潔高效的供配電網(wǎng)絡(luò )，為業(yè)務(wù)提供穩定的能源保障。

 

參考文獻：

【1】鐘景華.中國數據中心技術(shù)指針[M].機械工業(yè)出版社（北京）2014.

【2】鄒芳明，俞小玲，楊曉平. 線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據中心供配電系統架構的設計與實(shí)現

【3】安科瑞數據中心IDC配電監控解決方案.2020.03版.

【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計應用手冊.2020.06版.

 

作者簡(jiǎn)介：

        王蒙蒙，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數據中心智能小母線(xiàn)監控的研發(fā)及應用。