大型數據中心供配電系統設計

杜懿凡

(中國中建設計集團有限公司,北京 100037)

0 引言

隨著現代社會的快速發展以及大量信息、數據的交互往來，數據中心的建設、使用已經成為必然趨勢，目前，幾乎所有大型企業、機構都建立了自己的數據中心。因此，對數據中心用電負荷準確分級，提供合理、安全、可靠的供電方案成為使IT設備穩定運行，信息數據安全交互的重要前提和保障。對此，筆者將結合實際項目中數據中心的設計以及目前一些針對數據中心的主流設計思路及做法，對數據中心在用電設備負荷分級、供電方案選擇等問題進行詳細闡述。若見解有誤之處，望同行們批評指正。

1 工程概況

本文所介紹的是某航空公司設置在其運控中心的數據中心工程，該工程根據業主以往的運行使用經驗以及實際需求，在建筑物首層共設置4個數據主機房，其中1、2號主機房為一期使用，3、4號機房為二期使用，每個主機房面積為250 m2，主機房總建筑面積1 000m2。另在建筑首層設置數據中心的輔助用房，包括IT監控室、運營商進線間、值班前廳、庫房等共計約660 m2。

在建筑物地下一層設置數據中心的支持區，包括數據中心專用變配電室、柴油發電機房、UPS室、電池室、制冷機房等設備機房共計約1 500 m2。

2 數據中心等級的確定以及用電設備負荷分級

2.1 數據中心等級的確定

數據中心的等級與其使用性質、數據丟失或網絡中斷在經濟或社會上造成的損失或影響程度有關，GB 50174-2017《數據中心設計規范》(以下簡稱“《數規》”)中將數據中心的等級分為A、B、C三級。根據《數規》第3.1條相關規定，符合下列情況之一的數據中心應為A級：(1)電子信息系統運行中斷將造成重大的經濟損失；(2)電子信息系統運行中斷將造成公共場所秩序嚴重混亂。符合下列情況之一的數據中心應為B級：(1)電子信息系統運行中斷將造成較大的經濟損失；(2)電子信息系統運行中斷將造成公共場所秩序混亂。不屬于A級或B級的數據中心為C級。

本文所介紹的數據中心對所有航班的編排調配、機組人員的飛行簽派、機務維修、物流運送等安全有序的運行起著至關重要的作用，航空公司電子信息系統運行中斷將造成重大的經濟損失和公共場所秩序混亂，因此，根據《數規》相關規定，本文所寫數據中心按A級設計。

2.2 數據中心用電設備的負荷分級

《數規》中對數據中心內具體用電設備的負荷分級并未做出明確規定，其他規范對此也并未提及，但可以視數據中心的等級、使用性質、用電設備對保障數據中心可靠運行的重要程度，來進行相應的負荷分級。對此，筆者建議A級數據中心用電設備的負荷等級可按表1進行劃分。

A級數據中心用電負荷分級 表1

2.3 不同等級負荷的供電措施

對于數據中心機房內的IT設備、空調和制冷設備、監控中心等一級負荷中的特別重要負荷，除了保證雙重電源外，還應設置應急電源。可以設置UPS系統為IT設備的應急電源，主要是為了滿足此類負荷需要不間斷供電的要求；空調和制冷設備等大容量負荷可選用柴油發電機組作為其應急電源。

一級負荷中的消防負荷采用雙重電源供電，末端設置ATSE互投。

一級負荷中的非消防負荷采用雙重電源供電，如果用的負荷容量較大，采用雙重電源末端互投的方式供電；如果負荷容量較小，可分區域設置ATSE，再放射式供電至各個用電點。

二級負荷采用兩回線路供電，分區域設置ATSE互投。

三級負荷采用單回線路供電。

3 變配電室及電氣機房的設置

根據《數規》第3.2.1條有關規定，A級數據中心的基礎設施按容錯系統配置，即在電子信息系統運行期間，基礎設施可以在一次意外事故后或單系統設備維護或檢修時仍能保證電子信息系統的正常運行。因此，在變配電室和電氣機房的設置上，把為數據中心IT設備供電的兩組變壓器、為數據中心制冷設備供電的兩組變壓器、UPS以及蓄電池組分別設置在兩套獨立的電氣用房內，使相互備用的設備在物理空間上隔離。

數據中心專用變配電室設置如圖1所示，在數據中心變配電室A中放置為4個IT設備主機房服務的1#變壓器、低壓配電柜、第一組UPS以及其進出線柜；在數據中心變配電室B中放置為4個IT設備主機房服務的2#變壓器、低壓配電柜、第二組UPS以及其進出線柜。

在動力變配電室A中放置為數據中心制冷設備(如冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、精密空調等)服務的1#變壓器、低壓配電柜；在動力變配電室B中放置為數據中心制冷設備服務的2#變壓器、低壓配電柜、UPS以及其進出線柜。

在電池室A和電池室B分別設置了4列蓄電池架，用來放置為4個IT設備主機房服務的UPS的后備蓄電池組。根據《數規》中有關規定，柴油發電機做完后備電源時，蓄電池組的容量可滿足單臺UPS滿負荷運行15min，整個系統滿負荷運行30min。

圖1 數據中心專用變配電室設置圖

4 UPS、變壓器、柴油發電機容量的確定

4.1 UPS容量的確定

根據業主的使用功能要求，每個機房模塊內安裝86個服務器機柜、22個網絡機柜，按平均每個機柜4kW計算，則一個IT設備主機房的設備安裝容量Pe=108×4=432kW，計算有功功率Pj=Pe×0.8=345kW，計算視在功率Sj=Pj/0.9=383kVA，所以為每個機房模塊內IT設備供電的UPS選用400kVA即可。另外，考慮到監控運維室、應急照明等用電負荷，在400kVA容量的基礎上，將其中一臺UPS的容量擴大到500kVA。

根據《數規》，A類數據中心UPS采用多組2N供電系統，所以在數據中心變配電室A、B中分別設置UPS，且兩組UPS互為備用，平時分列運行，當其中一組UPS發生故障或保養維修時，另一組UPS可以滿足全部IT設備運行使用。

綜上，為IT設備供電的UPS總裝機容量為 3 400kVA，具體安裝位置、數量及容量見表2。

IT設備專用UPS信息列表 表2

4.2 變壓器容量的確定

4.2.1 為IT設備供電的變壓器容量

由4.1可知，全部IT設備運行的UPS總裝機容量，列如變配電室自用電，可得單側1臺2 000kVA的變壓器即可滿足全部IT設備用電。因供電系統采用2N系統，故此在數據中心變配電室A、B中各設置一臺2 000kVA的變壓器，兩臺變壓器低壓母線段中間設置母聯開關，兩臺變壓器互為備用，平時分列運行，每臺變壓器的負載率為42.5%，當一臺變壓器故障時，另一臺變壓器可以承擔全部負荷。綜上，為IT設備供電的變壓器總裝機容量為4 000kVA。

4.2.2 為制冷設備供電的變壓器容量

本工程在地下一層設置一個專為數據中心服務的制冷機房，制冷機房內設置3臺223kW冷水機組、3臺37kW冷凍水泵、3臺55kW冷卻水泵(均為兩用一備)，以及其他設備16kW。在屋頂設置3臺(兩用一備)60kW冷卻塔，每個機房模塊設置5臺(四用一備)5kW精密空調，另再加上變配電室和柴發機房用電以及一些其他設備用電，整個數據中心制冷設備的總安裝容量Pe=1 056kW，計算有功功率Pj=950.4kW，視在功率Sj=1 056kVA。

根據《數規》A級數據中心有關規定，供電系統應采用2N系統，故選用2臺1 250kVA的變壓器為數據中心制冷設備及附屬設備供電，分別設置在動力變配電室A、B中，低壓母線段中間設置母聯開關，互為備用，平時分列運行，每臺變壓器的負載率為42.2%，當一臺變壓器故障時，另一臺變壓器可以承擔全部負荷。

綜上，為數據中心制冷設備供電的變壓器總裝機容量為 2 500kVA。變壓器具體安裝位置、數量及容量見表3。

數據中心專用變壓器信息列表 表3

4.3 柴油發電機組容量的確定

根據《數規》第8.1.12條有關規定，A 級數據中心應由雙重電源供電，并應設置備用電源。經過綜合分析比較計算，本工程共設置3臺基本功率為1 600kW，性能等級為G3級別的10kV柴發機組為數據中心專用備用電源，3臺機組采用并機運行方式。

3臺柴油發電機組經過并機柜輸出2回10kV線路引至運控中心10kV總配電室兩段不同的10kV重要負荷母線段，和市電電源進行互投后再供電給數據中心變壓器，市電電源和柴發機組電源互投處設置電氣聯鎖措施， 保證市電和柴發電源不會并列運行。

1號發電機房控制室設置柴發測試母線段，輸出1路電纜至屋頂10kV柴發測試負載，屋頂設置1臺1 600kW柴發測試負載。柴發機組1～3都可通過手動操作，接入柴發測試負責進行測試。

柴發機房內每臺油機各配置1個1m3日用油箱及相應管道至室外加油口。根據業主要求，室外不設置柴油儲罐，通過和附近加油站簽訂供油協議，可以保障應急情況下的柴發供油。柴油發電機組具體安裝位置、數量及容量見表4。

數據中心專用柴油發電機組信息列表 表4

5 供配電系統

5.1 數據機房供配電系統

本工程數據中心等級為A級，為IT負載供電的變壓器及不間斷電源UPS系統采用2N系統，兩組變壓器和UPS之間互為備份，當其中一組變壓器及UPS故障時，另一組變壓器和UPS仍能保證全部IT設備正常運行。

不間斷電源UPS系統電池后備時間≥15min。UPS 主機可提供RS232 或RS485 等智能通信接口，實現遠程遙控、遙信遙測功能，系統能全面了解UPS 的運行狀態以及并機狀態，隨時監測記錄UPS 機組的運行狀態的各種參數，并支持智能電池管理。

UPS 交流配電柜至各臺UPS 主機之間各設置主路及靜態旁路輸入開關。UPS 系統配備所需的機械和電氣聯鎖裝置，可實現安全維修旁路和負載組運行。

機房設備電源由安裝于變電室內的UPS電源裝置引來至列頭柜，再由列頭柜提供電源至弱電機柜，數據機房供電系統示意圖如圖2所示。

圖2 數據中心供電系統示意圖

5.2 制冷設備供配電系統

大型制冷設備，如冷水機組采用放射式供電，末端互投；小容量制冷設備，如精密空調、冷卻水泵、冷凍水泵等采用樹干式供電，末端每臺空調、水泵配置獨立雙電源互投箱。其中冷凍水泵、精密空調一路電源由UPS不間斷電源提供。

6 結束語