銀行數據中心供配電系統設計探析

陳明霞 （深圳市建筑設計研究總院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230000）

數據中心（DataCenter）是指在一個物理空間內實現對所有數據信息集中處理、存儲、傳輸、交換、管理，含有計算機設備、服務器、網絡設備、通訊設備、存儲設備等關鍵設備，以及環境、空氣，電氣、機房布線，電源質量部分等外部設備。數據中心在一個建筑物內，相當于是建筑物的大腦，具有極其重要的位置，對用于支撐其運行的供配電系統安全性、可靠性、連續性等方面也提出了高標準的要求，筆者今天就曾設計的“中國銀行集團客服中心（合肥）項目一期工程數據中心”項目，進行整理、闡述，對數據中心的供配電系統做一個整體的分析。

1 工程概況

中國銀行集團客服中心（合肥）項目一期工程位于合肥市濱湖新區，園區總建筑面積為114953.9m2。其中數據中心機房（D區）建筑面積4087m2，坐落于本工程地塊北邊，為獨立單體，地上共兩層，一層主要功能為高低壓配電房、柴油發電機房、ATS配電室，二層主要功能為數據機房。

圖1 建筑鳥瞰圖

2 負荷等級及負荷計算

2.1 數據中心負荷等級

本工程數據中心為中國銀行總行數據災備中心，根據其使用性質、數據丟失及網絡中斷引起的經濟損失和社會影響程度，根據《數據中心設計規范》（GB50174-2017）,確定本工程數據中心機房為A級機房。

數據中心機房內IT設備、精密空調、水冷機組、應急照明、消防負荷、走道照明等均為一級負荷，其中數據中心機房IT設備為一級負荷中特別重要負荷，其他普通照明、動力用電為三級負荷。

2.2 負荷計算

根據《數據中心設計規范》（GB50174-2017）中第3.2.1 條規定，電子信息系統機房用電負荷等級及供電要求應根據數據中心的等級，按本規范附錄A及現行國家標準《供配電系統設計規范》（GB50052）的有關規定執行，供配電系統應為電子信息系統的可擴展性預留備用容量。

根據本期數據中心機房建設需求，IT設備總裝機容量約為2400kVA，設計按兩臺2500kVA變壓器考慮，變壓器實現M（1+1）冗余備份，當其中一臺變壓器故障時，另一臺變壓器可承擔全部負荷，備用電源選用兩臺1500kW柴油發電機并機運行，作為IT系統后備電源，同時選用兩套2400kVA的UPS系統，UPS不間斷電源系統實現2N冗余備份。精密空調、制冷機組總裝機容量約為1600kW，選用兩臺2000kVA的變壓器，實現M（1+1）冗余備份，備用電源選用兩臺1500kW柴油發電機并機運行，作為機房空調后備電源，同時作為園區消防應急備用電源。

3 數據中心供配電系統

3.1 高低壓供電系統

本工程在數據中心一層設置一座20kV總變電所，供園區用電。由于本工程總建筑面積約11.5萬m2，變壓器總裝機容量為19400kVA，根據當地供電局用電方案批復，變電所進線設置三路20kV市政電源，分別引自不同的市政變電所。其中1#電源為專線回路，供電容量為20000kVA，2#、3#電源為公網回路，每路供電容量為10000kVA。考慮到本工程供配電系統對可靠性、經濟性和后期可擴展性等需求，結合用電方案的供電情況，20kV高壓系統采用單母線分段運行方式。正常情況下，I段、II段母線分列運行，1#、2#電源分別承擔相應母線段用電負荷，當1#電源或2#電源故障，3#電源作為市政備用電源投入運行。

圖2 電氣主接線方案示意圖

3.2 數據中心備用電源的選擇

根據《數據中心設計規范》（GB50174-2017）規定，A級數據中心應由雙重電源供電，并應設置備用電源。備用電源宜采用獨立于正常電源的柴油發電機組，也可采用供電網絡中獨立于正常電源的專用饋電線路。當正常電源發生故障時，備用電源應能承擔數據中心正常運行時所需要的用電負荷。后備柴油發電機組的性能等級不應低于G3級，A級數據中心發電機組應連續和不限時運行，發電機的輸出功率應滿足數據中心最大平均負荷的需要。

考慮到柴油發電機組具有較高的可操作性，且目前大部分數據中心均采用柴油發電機組作為后備電源。本工程共設置4臺1500kW低壓柴油發電機組作為后備應急電源。每組由2臺1500kW柴油發電機并機運行，分別作為IT設備和制冷設備備用電源，以確保數據中心設備電源的穩定性、可靠性。

當市政電源均發生故障時，柴油發電機組自動投入運行，切換時間不大于15s。柴油發電機房設置于數據中心一層，毗鄰高低壓配電室和ATS配電室，柴油發電機房內設置儲油間，同時在數據中心室外設置兩套50m3埋地式儲油罐，確保儲存柴油的供電時間大于外部供油時間，以滿足連續和不限時運行的要求。

常規的工業、民用建筑中多為電動機、開關等感性負載，工作時電壓相位超前于電流相位，功率因數滯后。而數據中心的電子信息設備屬于非線性負載，工作時產生大量諧波電流，電壓相位滯后于電流相位，功率因數超前，會引起系統中性線電流增大，導致柴油發電機輸出電壓失真[4]等問題。目前市場上的柴油發電機，基本都基于功率因數0.8（滯后）的感性負載生產，當柴油發電機組所帶負載為感性，發電機可以提供良好的輸出功率，而當其負載為容性時，功率因數超前將會影響柴油發電機的輸出功率，甚至導致柴油發電機宕機。因此在確定柴油發電機輸出功率時，還應綜合考慮容性負載及諧波等對發電機組的影響。

4 數據中心供配電架構分析

根據《數據中心設計規范》（GB50174-2017）3.2.1規定，A級數據中心應滿足冗余要求，可采用2N或M(N+1)冗余系統。常規A級數據中心供配電系統主要有三種架構[3]：2N、DR、RR。結合本工程供配電情況及建設方要求，本次設計采用2N系統。

4.1 供配電2N 系統架構介紹

2N系統由兩個供配電單元組成，兩個單元同時工作，互為備用，每個單元均能滿足全部負載的用電需求。正常運行時，每個單元承擔50%負載，當其中一個單元故障或檢修時，另一個單元承擔100%負載。

相比DR、RR系統而言，2N系統建設成本最高，但是三者從后期運維角度綜合比較，2N系統架構相對簡單明了，容易實現物理隔離，且后期運維相對簡單。因此，在金融系統的數據中心機房設計中，綜合考慮建設方經濟能力及管理能力，采用2N系統具有較為明顯的優勢。

4.2 數據中心供配電架構設計

本工程設計采用2N系統，IT設備與制冷設備分別設置兩組變壓器，互為備用。UPS不間斷電源電池后備時間為30min，確保市政電源與后備電源切換時的不間斷供電。

圖3 供配電系統架構示意圖

IT負載容量為2400kVA，其供電電源由兩路市政電源經雙電源轉換開關切換后，再與后備電源經雙電源轉換開關切換，同時配置兩組2400kVA UPS不間斷電源。

精密空調、冷水機組等總用電容量約為1600kW。其中冷水機組、列間空調供電電源由一路市政電源與后備電源經雙電源轉換開關切換后，再與另一路市政電源經雙電源轉換開關切換，同時配置一組800kVA UPS不間斷電源。精密空調為雙電源接口，供電電源分別由一路市政電源與后備電源經雙電源轉換開關切換后接入。

需要注意的是，輸入電源的中性線中斷或擾動會引起數據中心UPS設備工作異常，甚至導致UPS設備停機，因此而引發重要負載停電的嚴重故障。根據《數據中心供配電設計規程》（TCECS486-2017）5.7.2-4條第三款“供電電源轉換過程不應造成IT設備中性線對地電壓的懸浮”，及《金融建筑電氣設計規范》（JGJ284-2012）7.3.1.12“自動轉換開關在電源轉換過程中不得造成負載設備中性線懸浮”的相關要求，數據中心所選用的ATS雙電源轉換開關，應具備“中性線重疊轉換”功能，即要求雙電源轉換開關在切換的過程中，始終保持N相不斷開，以確保ATS在切換過程中不會引起的“零線漂移”現象。同時，根據其他相關規范要求，對供電系統可靠性、連續性有很高要求的特別重要場所，為防止自動轉換開關出現故障、損壞或檢修而影響供電系統的連續性，應設置旁路隔離抽出型自動轉換開關，確保供電連續可靠。

5 結語

數據中心的供配電設計是保障數據中心安全可靠運行的基礎，金融系統的數據中心對供電可靠性提出了更高的要求。同時，統籌考慮建設成本及運維成本，實現經濟環保和綠色節能，也是設計中應重點關注的內容。針對不同行業的需求，實現供配電系統可靠性、經濟性的平衡，是現階段數據中心規劃設計及建設應用中面臨的重要課題。