數據中心供配電系統負荷計算分析

鄭媛媛，柳 蕊，何 健，陳聰慧，張燕琴

（北京電信規劃設計院有限公司，北京100048）

1 負荷計算目的和意義

低壓供配電系統的設計中負荷的統計計算是一項重要內容，負荷計算結果對供電容量報裝、選擇供配電設備及安全經濟運行均起決定性的作用。

負荷計算的目的是：

（1）計算變配電所內變壓器的負荷電流及視在功率，作為選擇變壓器容量的依據。

（2）計算流過各主要電氣設備（斷路器、隔離開關、母線、熔斷器等）的負荷電流，作為選擇設備的依據。

（3）計算流過各條線路（電源進線、高低壓配電線路等）的負荷電流，作為選擇線路電纜或導線截面的依據。

（4）計算尖峰負荷，用于保護電器的整定計算和校驗電動機的啟動條件。

2 負荷計算方法

我國目前普遍采用需要系數法和二項式系數法確定用電設備的負荷，其中需要系數法是國際上普遍采用的確定計算負荷的方法，最為簡便；而二項式系數法在確定設備臺數較少且各臺設備容量差別大的分支干線計算負荷時比較合理；在建筑配電中，還常用負荷密度法和單位指標法統計計算負荷。

在方案設計階段可采用單位指標法；在初步設計及施工圖設計階段，宜采用需要系數法。

3 負荷計算原則

進行負荷計算時，應按下列原則計算設備功率：

（1）對于不同工作制的用電設備的額定功率應換算為統一的設備功率。

（2）整流器的設備功率是指額定交流輸入功率。

（3）成組用電設備的設備功率，不應包括備用設備。

（4）當消防用電的計算有功功率大于火災時可能同時切除一般電力、照明負荷計算有功功率，應按未切除的一般電力、照明負荷加上消防負荷計算低壓總的設備功率、計算負荷。否則計算低壓總負荷時，不應考慮消防負荷。當消防負荷中有與平時兼用的負荷時，該部分負荷也應計入一般電力、照明負荷。

（5）單相負荷應均衡分配到三相上，當單相負荷的總計算容量小于計算范圍內三相對稱負荷總計算容量的15%時，全部按三相對稱負荷計算；當超過15%時，應將單相負荷換算為等效三相負荷，再與三相負荷相加。

4 數據中心供配電系統組成

數據中心供配電系統由以下幾部分組成：變配電系統、備用電源系統、不間斷電源系統、直流供電系統以及相應的交流配電。如圖1所示。

變配電系統：包括高、低壓配電設備、變壓器、操作電源。

備用電源系統：包括發電機組及附屬設備。

不間斷電源系統：包括UPS、輸入輸出配電柜、蓄電池組。

圖1 數據中心供配電系統組成

5 數據中心主要計算負荷分級及供電要求

大型數據中心供配電系統建設時，需要滿足《供配電系統設計規范》GB50052-2009中一級負荷中特別重要負荷的要求，并達到《電子信息系統機房設計規范》GB50174-2008如表1，和《數據中心用遠程通信基礎設施標準》ANSI／TIA-942-2010的技術要求如表2。

表1 電子信息系統機房設計規范(GB50174-2008)—電氣技術要求

表2 數據中心用遠程通信基礎設施標準ANSI/TIA-942-2010—電氣技術要求

6 無功補償

為了減小損耗，節約電能，提高電壓質量，必須提高功率因數。供電部門規定：100 k VA及以上高壓供電的用戶功率因數為0.95以上，未達規定的應進行補償。

無功補償有同步補償機和并聯電容器補償，一般采用并聯電容器進行補償。

無功補償容量可按下式計算：

式中，tgφ1、tgφ2分別為補償前功率因數cosφ1和補償后功率因數cosφ2的正切值。

7 數據中心負荷特點

大型數據中心機房功率極高，遠超普通辦公建筑。隨著超高密度機柜和刀片式服務器的大量應用，機架功率由原來每機架0.8 kW逐步向每機架3 k W～20 kW發展，由此造成數據中心的用電量急劇上升，《數據中心用遠程通信基礎設施標準》ANSI／TIA-942-2010中指出，典型數據機房電力負荷密度在0.38 k W／m2～2.7 k W／m2，能量使用效率PUE值在1.8～3之間，建筑物負荷密度要求按照1.5 k W／m2考慮。實際工程中建筑物負荷密度目前基本超過1 kW／m2。

為確保數據中心安全，服務器及空調普遍由UPS等不間斷電源供電，并配置相應后備時間蓄電池組。大規模使用時蓄電池充電將占用相當一部分電量，進行負荷計算時需將此部分考慮在內。

8 數據中心相關經驗總結

負荷計算是供配電系統設計的基本計算，數據中心的負荷計算更適合使用需要系數法。計算時需要系數的取值、負荷取舍計入、蓄電池充電和空調照明的估算等內容，在數據中心的計算中還是有別于其他建筑專業的計算，現總結如下：

（1）數據中心的IT負荷重要性都比較高，必須使用UPS等設備來保證不間斷供電，根據數據中心的建設標準不同，UPS會采取“1+1”“2+1”“2N”等不同的配置。由于供電部門需要統計機房設備安裝總容量，所以數據中心的IT設備額定容量要用UPS設備的總裝機容量。

計算IT設備容量時的需要系數根據UPS設備的配置方式調整，即需要系數=主用UPS設備數量／UPS配置數量。

例如：UPS按照2N設置，進行負荷計算時，需要系數取0.5。

（2）UPS配置的蓄電池充電容量需計入負荷計算。根據數據中心的建設標準不同，UPS蓄電池需按照不同后備時間配置，即每臺UPS配置的蓄電池容量及組數不同。

UPS蓄電池充電容量=電流×電壓×組數×效率

根據計算可知，UPS蓄電池充電容量約為UPS配置容量的10%～20%，做負荷計算時可直接應用結論簡化計算。

（3）在數據中心中，除了IDC機架外，空調在總負荷中占的比重也相當大，一般會配置備用空調設備，根據數據中心的建設等級備用數量會不同。計算空調設備容量時的需要系數根據空調設備的配置方式調整，即需要系數=主用空調設備數量／空調配置數量。

2007年綠色網絡組織制定了數據中心能效比指標PUE，目前被行業廣泛使用，PUE=數據中心總能耗／IT設備總能耗。

根據對數據中心進行數據分析，數據中心的PUE值一般介于1.6～1.8之間，即機房空調和照明負荷約為IT設備負荷的60%～80%，照明負荷與空調相比來說占比相當小，所以可近似認為機房空調負荷約為IT設備負荷的60%～80%，此結論可以直接在負荷計算中應用來簡化計算。

（4）根據相關經驗數據，照明負荷一般按照30 W／m2估算、辦公空調負荷一般按照50 W／m2估算、有餐廳用電的情況下按照2 kW／人估算、用燃氣的情況下按照5 W／人估算。

（5）根據負荷計算要求，季節性用電設備應選擇其最大者計入總設備容量。數據中心空調負荷一般會遠遠大于采暖負荷，所以計算時只需計算空調負荷即可。

（6）根據負荷計算要求，消防設備容量一般不計入總設備容量，所以計算時消防電梯不計入。

（7）根據供電部門要求，進行無功補償后的功率因數需達到0.95以上，一般按照變壓器容量的30%進行補償。

（8）根據相關經驗數據，負荷計算中同時系數取0.9-0.95。

9 實例分析

本文以某運營商新建數據中心為例：建設標準為Tier IV等級，IDC機房約1 000 m2，新建單機功耗5 kW的IT設備200架、單機功耗10 kW的IT設備50架，IDC機房內空調和照明按配套配置（空調系統暫不考慮由UPS系統供電）。變配電及UPS等設備機房約1 000 m2、辦公區約1 000 m2。消防電梯2臺1用1備，設備容量為50 kW／臺。辦公室設電采暖2臺，容量分別約80 k W和50 k W。要求通過負荷計算確定本數據中心供配電系統設備配置。

步驟1：確定為IT設備供電的UPS系統配置。

根據《通信用不間斷電源—UPS》（YD/T1095-2008）對UPS設備輸出有功功率的要求為：≥額定容量×0.7 kW／k VA，因此，配置的 UPS容量應為：（200×5+50×10）／0.7 k VA=2 142.86 k VA。

IDC機房按Tier IV標準機房設置，UPS設備按2N配置考慮，配置的UPS設備總容量不應小于4 285.71 k VA。

本工程需新建2套“3+3”并機400 k VA UPS電源系統。UPS主機配置的蓄電池組按單機滿負荷情況下后備時間為15 min（2 V蓄電池單體的放電終止電壓為1.8 V）考慮，每臺UPS設備配置3組200 Ah蓄電池組，共計36組。

步驟2：進行負荷計算。

需進行計算的各要素：UPS、UPS蓄電池充電、機房空調及照明、辦公區空調及照明等。并按照供電部門要求進行無功補償。詳細計算見表3：

步驟3：根據負荷計算結果及建設標準配置設備。

根據負荷計算，交流總負荷約為6 425.36 k VA，需油機保障負荷為6 032.88 k W。按照Tier IV等級和電源配置的要求，擬設置2路10 k V市電引入，雙路市電應滿足單路承擔全部負荷的能力。安裝高壓開關柜1套（包含進線隔離柜2臺、進線柜2臺、計量柜2臺、聯絡柜2臺、出線柜N臺）；安裝4臺2 000 k VA干式變壓器；低壓抽屜式開關柜2套（每套包含2臺進線柜、2臺油機市電轉換柜、1臺低壓聯絡柜、N臺低壓饋電柜、4臺低壓電容器柜）；安裝4臺1 600 k W柴油發電機組。

設備配置規模以供電部門審批的報裝方案為準。

10 展 望

本文數據中心負荷計算是以新建數據中心為實例，實際工作中存在需要在現有局所中擴容建造數據中心的情況，這種情況的負荷計算與完全新建的數據中心計算還是有區別的，例如：對現有負荷的估算不能按照現狀計算，是否按照原有設計容量估算要根據該局的實際使用情況；預留負荷容量要考慮現有局所空置機房及近期是否有擴容或拆除工程等因素；變配電設備使用年限及設備運行情況也需要考慮。這些相關問題，需要在后續研究中進一步探究。

表3 數據中心負荷計算表

［1］中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊（第三版）［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［2］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50174-2008電子信息系統機房設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［3］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50052-2009供配電系統設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2010.

［4］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50053-194 10k V及以下變電所設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，1994.

［5］美國國家標準協會、美國電信產業協會、TIA工程技術委員會.TIA-942 2010，數據中心電信基礎設施標準［S］.